韓 旭 王旭春 曹云飛 吳文瑞 滕宏偉

青島理工大學土木工程學院 山東 青島 266033

盾構法施工越來越受到國內外隧道建設的重視以及青睞，盾構刀盤的主要功能有穩(wěn)定工作面、攪拌土砂以及開挖土體，刀盤的配置和選型很大程度上依賴施工經驗，合理的刀盤結構及形式能夠提高盾構的開挖效率和使用壽命，并且能夠降低一定的刀具費用。詹金武等[1]通過對復合式土壓平衡盾構與地層的適應性進行研究，對復合地層的關鍵參數進行了計算，通過掘進效果，表明了該盾構的刀盤與地質條件具有良好的適應性；李茂松[2]改造了盾構的刀具布置以及刀盤的結構形式等，改造后的刀盤提升了掘進性能，具有更良好的適應性，給類似地層的盾構刀盤設計以及盾構施工提供了相應的參考；夏毅敏等[3]針對盾構地質適應性配刀的復雜性與模糊性，提出一種基于模糊數學理論的地質適應性配刀方法并應用到工程中，通過試驗驗證了該方法的可行性；寧銳等[4]對盾構刀盤結構進行針對性設計，通過對盾構的掘進性能研究，分析并驗證了該刀盤與復合地質的適應性；江華等[5]通過原型試驗得到在大粒徑卵礫石地層中，輻條式刀盤的適應性要比面板式刀盤的適應性好，而且參數控制更加穩(wěn)定的結論，該結論的得出也是依賴于對現場掘進試驗數據以及盾構掘進關鍵參數的對比研究；徐前衛(wèi)等[6]對盾構機的掘進參數在不同地層條件下的適應性進行了相應的研究，該研究是依賴于模型試驗以及相似理論的原理，對土壓平衡盾構機掘進進行了相應的模型試驗設計，并得出了一些實用的結論；宋克志等[7]對2種基本刀盤形式在刀盤負荷、刀盤土艙構造及地層適應性等方面進行了比較和分析?，F有研究對盾構穿越多種復雜地層的刀盤適應性研究較少，且在不同地層中的刀盤適應性對比方面缺乏相應的理論依據。

本文以青島地鐵4號線靜沙區(qū)間盾構工程為依托，針對不同地層條件，采用CE6250型復合式土壓平衡盾構機，通過對刀盤結構形式以及該區(qū)間掘進參數的研究，對盾構刀盤與不同地層的適應性進行評價。

1 靜沙區(qū)間地層概況

1.1工程概況

靜沙區(qū)間位于青島市嶗山區(qū)靜港路站至沙子口站之間。區(qū)間線路出靜港路站后，沿李沙路路中向南敷設，線路在YDK25＋100.000附近偏離李沙路，向東方向敷設，從東尖山西北側下方穿越后，往沙子口鎮(zhèn)方向前進，在沙子口鎮(zhèn)中心空地到達沙子口站。靜沙區(qū)間左線全長1 123.531 m（礦山段452.1 m、盾構段687.5 m），右線全長1 143.346 m（右線礦山段504.8 m、右線盾構段634.8 m），靜沙區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 靜沙區(qū)間平面示意

1.2工程地質水文地質情況

靜沙區(qū)間場地地形地貌受人工改造較大，跨越河流階地區(qū)、構造剝蝕區(qū)及濱海堆積區(qū)，地形較平坦，區(qū)間盾構段主要穿越12 1層碎石土、11 層粉質黏土和18 8層微風化凝灰?guī)r，局部穿越上軟下硬地層。本工程地下水類型主要為第四系潛水、第四系承壓水和基巖裂隙水，其中第四系潛水、第四系承壓水向下補給基巖裂隙水。

1.3隧道穿越地層分析

靜沙區(qū)間左線隧道總環(huán)數為761環(huán)，目前盾構已掘進至532環(huán)，區(qū)間隧道依次穿越粉質黏土與碎石土復合地層、碎石土地層、微風化凝灰?guī)r地層。其中穿越粉質黏土與碎石土復合地層占比最高，達到52.17%，其次是碎石土地層，占比26.09%，最后是微風化凝灰?guī)r地層，占比21.74%。

2 靜沙區(qū)間盾構刀盤設計

2.1刀盤結構形式

1）面板式刀盤。選用面板式刀盤的優(yōu)點是由于該刀盤結構的特點，使得進入土倉的卵礫石的直徑能夠得到有效的限制；缺點是在進行隧道開挖時，由于結構的特點使得開挖面的土壓力較難控制，這就造成了對土壓力的管理控制較為困難。盾構在掘進過程中刀盤面板受到開口率的限制，容易造成黏結堵塞等問題，降低了刀盤刀具的使用壽命。

2）輻條式刀盤。輻條式刀盤與面板式刀盤相比能夠較好地控制土壓，因為輻條式刀盤僅有幾根輻條，開口率較大，而且沒有面板的阻礙，所以切削下來的渣土能夠順利進入土倉而沒有壓力的衰減，且在輻條后設置了攪拌頁，保證了砂土的流動性，這樣就使得土壓力得到較好的控制，從而對地面的沉降進行有效控制。輻條式刀盤更適用于砂、土等單一的軟土地層，且刀具的負荷較小，使用的壽命比較長。

3）復合式刀盤。復合式刀盤具有前兩者的優(yōu)點，既能有效保證開挖面的穩(wěn)定性，又具有較大的刀盤開口率，并可以同時安裝盤形滾刀和切削型刀具，對青島地區(qū)復雜地層具有良好的地質適應性。

2.2盤形滾刀

盾構滾刀有齒形滾刀和盤形滾刀這2種滾刀形式，被廣泛應用在盾構上的為盤形滾刀。盤形滾刀根據滾刀刀圈的數量分為3種形式，分別為單刃滾刀、雙刃滾刀及多刃滾刀。

盾構在較軟的地層掘進時一般用的是雙刃滾刀，但在硬巖地層中掘進時采用的是單刃滾刀。盤形滾刀又可根據刀圈的材質分為多種不同形式的滾刀，分別為耐磨層表面刀圈、標準鋼刀圈、重型鋼刀圈以及鑲齒硬質合金刀圈滾刀等。4種刀圈適應性見表1。盤形滾刀的標準尺寸規(guī)格一般根據隧道的開挖直徑來選擇，如表2所示。

表1 不同滾刀刀圈適應性

表2 滾刀尺寸與隧道直徑的對應關系

2.3刀具的布置

在復合刀盤掘進過程中，滾刀具有先導破巖的作用，切刀主要用來切削未固結的土壤，并把切削土刮入土倉中。因此，為了能夠獲得最大的破巖能力以及最大程度地減小刀具的磨損，應對相鄰滾刀的刀間距進行合理、有效的布置，不同地層中的滾刀間距如表3所示。

表3 不同地層中的滾刀間距

2.4靜沙區(qū)間刀盤布置

靜沙區(qū)間采用CE6250型復合式土壓平衡盾構機，刀盤形式為復合式刀盤，且刀盤采用高強度鋼板和耐磨材料焊接而成，在適應當前區(qū)間地層施工的同時，考慮了最大的通用性，針對全斷面巖石區(qū)間段，采用6輻條硬巖刀盤方案，中間支撐，開口率33%。滾刀選擇17#及18#標準滾刀，與盾構隧道開挖直徑相適應，針對硬巖段，采用重型刀圈鑲嵌硬質合金的滾刀。中心滾刀間距90 mm，正面滾刀間距85 mm。盾構機刀盤如圖2所示，刀盤技術參數見表4。

表4 刀盤技術參數

圖2 刀盤示意

3 盾構刀盤與地質適應性初步評價

CE6250型復合式土壓平衡盾構刀盤適應性分析如下：

1）滾刀選擇17#及18#標準滾刀，與盾構隧道開挖直徑6 280 mm相適應。

2）用高強度鋼板和耐磨材料焊接而成的刀盤，提高了施工的安全性，同時配備的高破巖能力滾刀可使刀盤在復雜地層中具有更良好的適應性。滾刀與齒刀能夠完全互換安裝，這也使得刀盤在掘進過程中更具靈活性。

3）針對區(qū)間穿越硬巖地層，刀盤上單刃滾刀和中心雙聯滾刀全部更換成重型刀圈鑲嵌硬質合金的滾刀，母體硬度為HRC40，重型刀圈硬度均為HRC58～60，刀圈和刀轂加耐磨焊，增加耐磨焊后刀具耐磨性也增加，且具有一定的抗沖擊能力，磨蝕性高，能夠在上軟下硬和硬巖地層掘進時增加工效。

4）為了防止切刀、貝殼刀以及邊刮刀在掘進過程中出現磨損較快的問題以及提高刀具的耐沖擊性能，對3種刀具采用了合金設計，刀座的背部也采用了耐磨的焊層及保護塊，可以較好地保護刀座。配置的刀具在各種地層的掘進過程中分別起到開挖、收渣及倒流作用。

5）針對全斷面巖石區(qū)間段，采用6輻條硬巖刀盤方案，中間支撐，開口率33%，中心區(qū)域開口率38%，可以有效避免刀盤結泥餅的不良工作狀態(tài)。

綜上所述，借鑒已有的盾構刀盤設計經驗和青島復合地層中盾構施工的成功經驗，CE6250型復合式土壓盾構機的刀盤具有良好的適應性。

4 不同地層盾構刀盤與地質適應性評價

4.1復合地層盾構刀盤與地質適應性評價

靜沙區(qū)間左線施工段以粉質黏土與碎石土復合地層為主，盾構穿越粉質黏土和碎石土復合地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進速度如圖3所示。

圖3 復合地層掘進參數變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構穿越復合地層時，盾構總推力控制在9 300～15 300 kN，刀盤扭矩控制在1 400～4 000 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構在復合地層中掘進時，貫入度控制在15～55 mm/r，掘進速度控制在15～56 mm/min，且平均掘進速度控制在41 mm/min，這表明在技術性能范圍內，盾構機取得了良好的掘進速度，即刀盤對該地質條件具有良好的適應性。

3）盾構在穿越該地層時的總推力、刀盤扭矩及掘進速度變化相對較穩(wěn)定，盾構處于一個安全、高效率的工作狀態(tài)，可看出刀盤對該地質條件有較好的適應性。

4.2碎石土地層盾構刀盤與地質適應性評價

盾構穿越碎石土地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進速度如圖4所示。

圖4 碎石土地層速度變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構穿越復合地層時，盾構總推力及刀盤扭矩皆趨于大致穩(wěn)定的狀態(tài)，盾構總推力控制在10 000～15 000 kN，刀盤扭矩控制在1 100～3 900 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構在復合地層中掘進時，貫入度控制在10～57 mm/r，掘進速度控制在9～59 mm/min，且平均掘進速度控制在40 mm/min，表明在技術性能范圍內，盾構機掘進速度良好，即刀盤對該地質條件的適應性良好。

3）盾構在121～170環(huán)掘進過程中的總推力、刀盤扭矩及掘進速度變化相對來說都比較穩(wěn)定，掘進到171～180環(huán)時掘進速度呈直線下降，原因是地質勘探存在一定誤差，掘進至171環(huán)時刀盤已接觸到硬巖，從而使得掘進速度產生較大幅度的變化。

4.3微風化凝灰?guī)r地層盾構刀盤與地質適應性評價

盾構穿越微風化凝灰?guī)r地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進速度如圖5所示。

圖5 微風化凝灰?guī)r地層速度變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構穿越復合地層時，盾構總推力及刀盤扭矩皆趨于大致穩(wěn)定的狀態(tài)，盾構總推力控制在5 000～14 000 kN，刀盤扭矩控制在1 010～3 330 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構在復合地層中掘進時，貫入度控制在2.5～10 mm/r，掘進速度控制在3～11 mm/min，且平均掘進速度控制在6.83 mm/min，能夠明顯看出盾構在硬巖地層中掘進時的掘進速度較其他2種地層低，但總體也能控制在一個較理想的范圍，即刀盤對該地質條件的適應性較好。

4.4盾構穿越地層適應性對比研究

由于盾構總推力及刀盤扭矩還受掘進速度和貫入度的影響，因此，為了消除掘進速度和貫入度對盾構總推力的影響，將盾構總推力及刀盤扭矩進行歸一化處理，得到地層識別參數場切深指數FPI（FPI＝盾構總推力/貫入度）、扭矩切深指數TPI（TPI＝刀盤扭矩/貫入度），如圖6所示。從圖中可以看出，微風化凝灰?guī)r的場切深指數FPI為復合地層及碎石土地層的5～6倍，扭矩切深指數TPI為復合地層及碎石土地層的4.5～5.5倍，以上表明：盾構在硬巖地層中掘進時的單位貫入度需比其他2種地層消耗5～6倍的盾構總推力，且在硬巖地層中掘進時的刀盤單位貫入度需比其他2種地層消耗4.5～5.5倍的扭矩，即盾構在復合地層及碎石土地層中的開挖效率更高。

圖6 3種地層FPI和TPI的變化曲線

5 結語

1）依據盾構刀盤的設計經驗和青島地區(qū)不同地層中盾構施工的成功經驗，從刀具選型、刀具布置、刀盤結構形式等方面表明了3種不同地質條件與CE6250型復合式土壓盾構機刀盤之間的適應性。盾構的掘進參數表明，在技術性能范圍內，CE6250型復合式土壓盾構機取得了較高的掘進速度，盾構刀盤對3種不同地質條件均具有良好的適應性。

2）盾構在復合地層及碎石土地層中取得的41 mm/min和40 mm/min的平均掘進速度優(yōu)于在微風化凝灰?guī)r地層中6.83 mm/min的平均掘進速度，即盾構刀盤在復合地層及碎石土地層中的適應性更好，對盾構隧道開挖工期的控制更有把握。

3）盾構在復合地層、碎石土地層及微風化凝灰?guī)r地層中的FPI平均值分別為351、390及2 080，TPI平均值分別為74、86及405，即貫入度相同的條件下，盾構在微風化凝灰?guī)r地層中掘進時刀盤要消耗更大的推力和刀盤扭矩。進一步表明，在3種地層條件下，盾構刀盤在復合地層及碎石土地層中的適應性更好。