成都富水砂卵石地层盾构选型、刀具配置及换刀技术总结（2012年）
摘要：成都地铁1、2号线成功使用了盾构法施工，但由于成都地质条件以高富水、高卵石含量著称，盾构施工初期存在刀具消耗成本大、换刀困难、地表易坍塌及刀盘和螺旋输送机磨损严重等实际问题。通过分析成都富水砂卵石的地质特点和实际问题，在建设方、施工方的共同努力下提出将盾构开口率适当加大，同时对刀盘、螺旋输送机耐磨性加强，刀具配置进行了根本性的改进，大大降低施工成本，提高了施工效率。同时换刀根据不同条件制定不同换刀措施，基本解决了换刀的难题。创新改进后的盾构设备配置更适合成都地铁盾构施工，希望能对成都地铁以后盾构选型和盾构施工有所帮助。
关键词：成都地质；消耗；开口率；刀具配置；换刀；施工效率
引言
成都高富水、高卵石含量地质是否适合于盾构施工一直是全球讨论的焦点，但在建设方、施工方、盾构制造商、刀具生产商等各方的共同努力下成都已经成功使用盾构法建设了成都地铁1号线一期工程、2号线一期工程和2号线二期工程（西延线）。当然在成都地铁1号线建设过程中由于所有施工方都是初次施工成都富水砂卵石地层，由于此种地质条件下掘进技术属于探索阶段，盾构刀盘、刀具及螺旋输送机等设备选型不适合等种种原因在掘进过程中出现了刀盘卡死、刀具磨损严重、换刀困难、施工进度慢、地表易坍塌等诸多问题，随着施工的进行，各方的探索，出现的困难一一得到解决，成都盾构的成功应用证明在高富水高砂卵石含量地质条件是可以使用盾构法施工的。但要想最大限度提高盾构施工进度，降低盾构施工安全风险还需要进一步研究与探索。
1 成都地质
成都砂卵石土层，主要为褐灰色、青灰色，稍湿～饱和，松散～密实夹少量角砾，卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量50～85%，粒径20～80mm为主，部分粒径大于100mm，最大粒径510mm（极少），充填物为中砂，卵石硬，最大强度可达200MPa。地下水主要为第四系孔隙水，赋存于各个时期沉积的
卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大（一般渗透系数为20～25m/d），地下水水量丰富。
总结成都砂卵石层地质可以概括为：高富水、高卵石含量、含水砂卵石层自稳性差。
２ 现有盾构的设备配置
至今为止已经使用于成都地铁1、2号线砂卵石地层的盾构有14台，其中1台为泥水盾构，由于施工占地面积大等诸多不利因素已经不再使用；2台为罗宾斯盾构，由于种种原因不适合于成都砂卵石地层施工，计划不再使用于成都；其它11台盾构都采用土压平衡盾构(技术参数如表1)， 并且全部由德国海瑞克公司生产制造，因此盾构的设计理念没有太大的变化，刀盘采用面板布置方式，后面有四个支撑臂与主轴承相连。刀盘面板上采用硬岩刀具配置，用于成都富水卵石地层盾构施工的刀盘如图1，卵石以破碎为主，排出为辅。渣土输送采取螺旋输送机(轴式)加皮带的输送方式。
图1 成都富水砂卵石地层盾构施工刀盘图
表1:土压平衡盾构的主要技术参数
|
刀盘形式 |
面板式 |
|
刀盘开口率 |
26%-35％ |
|
刀具布置 |
中心双刃滚刀+单刃滚刀+宽刮刀+周边刮刀 |
|
主轴承直径 |
3m |
|
出渣方式 |
螺旋输送机(轴式)+皮带 |
|
螺旋输送机直径 |
700-800mm |
|
螺旋输送机最大输出粒径 |
240-290mm |
|
整机功率 |
2000KVA |
|
盾构推进力 |
34210kn |
|
最大推进速度 |
80mm/min |
|
整机重量 |
5200kn. |
3 成都盾构施工存在的问题及原因分析
3.1 成都地铁1号线盾构施工存在的问题
成都盾构施工初期由于首次在富水砂卵石地层下施工，主要存在以下问题：
⑴、盾构掘进速度慢；
⑵、滚刀弦磨、偏磨失效多（如图2），不仅刀刃磨损严重，而且刀体磨损也非常严重并且部分刀体变形，掘进150米要更换滚刀一次；
⑶、刮刀及刮刀座磨损严重（如图3），宽刮刀、边刮刀掘进270米需要更换；
⑷、刀盘经常卡死，导致多出渣，并且刀盘磨损严重；
⑸、螺旋输送机磨损严重，需要经常进行维修，螺旋输送机轴上耐磨块成本高；
⑹、盾构掘进过程中经常多出渣，为预防多出渣处地表深陷，后期隧道内及地表处理成本高；
⑺、常压换刀水量较大，刀盘顶部落渣严重，换刀困难。
图2 滚刀磨损图
图3 宽刮刀磨损图
3.2 成都盾构施工存在问题的原因分析
成都盾构施工存在的问题综合分析原因主要有3个方面：1是盾构掘进并不是在真正的土压平衡状态下掘进，刀盘上方受扰动的松散砂卵石由于重力作用进入土舱内，造成开挖面的超挖，进而导致地表塌陷；2是刀盘、刀具耐磨性不足，刀盘开口率小，卵石需要经过多次破碎才能到皮带上，造成刀盘、刀具和螺旋输送机的无效磨损，导致换刀距离短，刀具成本高；3是高富水砂卵石自稳性差，换刀困难。
3.2.1 富水砂卵石地层盾构施工超挖的原因分析
成都砂卵石粒径分布（如图4红色区域）适合盾构机型式如图4，大颗粒的含量远远超出了土压平衡和泥水平衡盾构适应的范围。如果达到真正的土压平衡状态渣土中细颗粒（粒径小于0.074mm）的含量必须达到30%以上。
图2 盾构机的适应范围
由于盾构施工初期渣土改良只注入泡沫，土舱内的渣土无法达到要求的流塑性，无法达到真正的土压平衡盾构施工模式，只能算做是满舱掘进模式，土舱上方是水与泥浆的混合体，下方是砂卵石。
由于刀盘开口率小，刀盘面板上的力直接作用在前方砂卵石上。盾构在掘进过程中，由于推力和刀盘转动的作用，造成掘进掌子面和刀盘上方约500mm 范围内砂卵石变得比较松散(如图5)。盾构又无法达到土压平衡掘进模式，随着掘进过程中刀盘的旋转，刀盘上方松散的砂卵石随着刀盘上方的开口进入土舱，造成超挖。
同时为了尽量减少多出渣量，土舱内填得非常满，渣土流塑性差，进而导致掘进速度慢，掘进速度慢也是刀具磨损大的原因之一。
图5 盾构掘进形成扰动带
3.2.2 刀盘、刀具及螺旋输送机的磨损原因分析
经过综合分析，刀盘、刀具及螺旋输送机严重磨损等问题主要有以下几个方面原因：
⑴、刀盘开口率小，尤其中心开口率小，盾构掘进时刀盘前方的松散砂卵石一直附着在刀盘的前方和滚刀刀刃、刀体的表面，经过多次与刀盘前面、滚刀接触才能进入土舱内，造成刀盘和滚刀刀刃、刀体磨损严重；
⑵、滚刀刀刃硬度低（HRC54）、刀体硬度低（HRC27）、刀刃刃宽窄不耐磨，导致滚刀刀刃和刀体磨损严重；
⑶、宽刮刀、周边刮刀采用硬质合金耐磨钉形式的刮刀，耐磨钉的硬度很高，但刮刀的基体同时接触砂卵石，主要是在掘进过程中刮刀基体磨损严重，而后耐磨钉掉落，影响了刮刀的寿命；
⑷、刀盘卡死主要是由于设计时刀盘的耐磨环采用HARDOX400耐磨钢板，砂卵石夹在耐磨环与前盾切口环之间，刀盘旋转导致耐磨环磨损，耐磨环与前盾之间距离加大，大的卵石卡在其中，导致刀盘卡死（如图6），无法旋转；
图6 刀盘耐磨环（HARDOX400）磨损图
⑸、螺旋输送机轴叶片前端设计为铸件耐磨材料，耐磨性较弱，螺旋输送机轴前端磨损严重。
3.2.3 换刀困难的原因分析
盾构换刀前需要对盾构机土仓内的渣土清仓到刀盘中心线以下，土仓内由有压渣土变为无压空仓，刀盘周围的有压水向无压空仓内汇集，导致大量水涌入土仓内，随着水的涌入带着砂的流失，同时刀盘前方和上方的卵石由于无粘结性大量掉落，导致换刀无法进行，直接危及到换刀人员和地表的安全。
4 成都富水砂卵石地层盾构施工改进
4.1刀盘最终选型与刀具配置
在总结成都地铁1号线经验教训的基础上，成都地铁2号线施工过程中进行了诸多改进，刀盘进行了优化，不论是滚刀还是刮刀都进行了改进，尤其大硬质合金块应用于刮刀上，效果显著。成都的刀具改进已经影响到全国范围。
4.1.1 滚刀的改进
经过成都地铁1号线一期工程、2号线一期工程、2号线二期工程（西延线）对滚刀的不断改进，最终成果如下：
⑴、刀体加厚，防尘密封取消，刀体硬度由HRC27提高到HRC45，刀刃装上后对刀体表面满焊耐磨焊丝（HRC59），提高刀体的耐磨性；
⑵、刀圈硬度由HRC54提高到HRC58左右，刀圈直径由432mm增加到448mm，提高刀刃的耐磨性；
⑶、刀具配置正面滚刀为单刃滚刀，周边滚刀为双刃滚刀，降低周边滚刀破碎卵石的机率，提高周边滚刀寿命；
⑷、单刃滚刀刃宽提高到30mm，双刃滚刀刃宽提高到28mm，提高刀刃的耐磨性（如图7、图8）。
图7 改进后的单刃滚刀图 图8 改进后的双刃滚刀图
4.1.2 刮刀的改进
成都砂卵石地层对于刀具磨损严重，刮刀经过不断改进，最终由刀体上带硬质合金耐磨钉型式改进为刀体上镶嵌三排硬质合金块的型式，硬质合金为碳化钨与钴细颗粒的烧结体，钴含量约为13%。刮刀与砂卵石接触的刮削面由硬质合金封闭成环（如图9、图10），以防止刮刀基体磨损导致硬质合金掉落。
图9 原海瑞克宽刮刀与改进后的新型宽刮刀
图10 原海瑞克周边刮刀与改进后的周边刮刀
4.1.3 刀盘的改进
刀盘的开口率大小一直是大家讨论的焦点，经过2条线的摸索，最终认为提高刀盘中心的开口率，适当增加刀盘开口率是适应于成都富水砂卵石地层的。最新设计改进刀盘如图11,刀盘采用硬岩刀盘，开口率为36%，中心开口率大大提高。
图11 增加开口率的刀盘图
为了提高刀盘面板的耐磨性，刀盘面板焊接30mm×30mm的菱形耐磨焊丝网格（如图11）；宽刮刀刀座背后设计了刮刀刀座保护刀（如图12），提高了刀座的寿命；刀盘耐磨环由HARDOX400耐磨钢板改进为带硬质合金条的耐磨环（如图13），经过应用掘进6500m改进后的耐磨环还可以使用，极大地提高了耐磨环的使用寿命。
图12 刀盘耐磨焊丝与刮刀刀座保护刀 图13 带硬质合金条的耐磨环
成都富水砂卵石地层盾构施工在建设方、施工方、盾构生产商、刀具生产商等各方的共同努力下，刀盘选型更加适用于成都地质，刀具的配置及材质等发生了根本性的变化，由最初滚刀150米、刮刀270米需要更换发展到现在滚刀640米、周边刮刀800米、宽刮刀1200米才需要更换（如图14），极大地降低了施工成本，提高了施工效率。
图14 成都地铁2号线二期工程（西延线）盾构掘进643.729米刀盘及刀具图
4.2 螺旋输送机的改进
成都砂卵石地层对螺旋输送机的磨损也较大，海瑞克盾构机螺旋输送机采用的是螺旋叶片上焊接耐磨块，但螺旋轴前端1米为铸件（如图15），焊接耐磨焊丝，经过实际应用螺旋轴前端叶片磨损严重。成都地铁2号线硬质合金在刀具上的应用也应用到螺旋输送机轴上，在叶片上镶嵌硬质合金块（如图16），经过实践应用效果良好。
图15 海瑞克盾构螺旋轴前端 图16 改进的螺旋轴
4.3 渣土改良的改进
为了提高渣土的流塑性，基本达到土压平衡模式下掘进，减少多出渣量，在进行常规的泡沫进行渣土改良的同时注入经过膨化的高浓度膨润土浆液，提高渣土中细颗粒的含量。经过实践证明，泡沫加膨润土的渣土改良方法可以有效提高渣土的流塑性，降低出渣量，减少地表塌陷的风险。
4.4 换刀措施
经过不断探索，成都富水砂卵石地层下盾构换刀形成4种换刀措施，此4种换刀措施证明都是可行的，但各有优缺点。1是地表钻孔加固加降水的换刀措施；2是超前注浆孔加固加降水的换刀措施；3是地表钻孔加固加带压的换刀措施；4是超前注浆孔加固加带压的换刀措施。根据不同的条件可以采用其中1种措施进行换刀加固。
4.4.1 地表钻孔加固加降水的换刀措施
在计划换刀地点采用地质回旋钻机钻孔，下袖阀管对盾构穿越范围及拱顶以上3米进行注水泥浆液加固，如果地层密实水泥浆无法注入，采用化学AB浆液注浆加固，确保砂卵石粘结在一起，待加固体有一定强度后在计划换刀地点刀盘前隧道外侧左右各约3米处打2口降水井，降水井深度约为隧道拱底以下5米左右，然后进行试抽水，确保水位到隧道拱底以下。如果达不到要增加降水井。盾构到达前5天对计划换刀地点进行降水，保证盾构到达前水位在隧道拱底以下。盾构刀盘到达加固体后停机，对盾尾后5环管片外侧进行水泥水玻璃加固成环，阻止管片后侧水流入到土仓内。然后清仓确认刀盘前方及顶部地层稳定后进行带压换刀。
4.4.2 超前注浆孔加固加降水的换刀措施
通过盾构中前盾上的超前注浆孔钻孔到刀盘上前方约3米处，然后注入聚氨脂对地层进行加固，确保刀盘上方加固成一整体，然后按4.4.1中内容打降水井进行降水，清仓进行常压换刀。
4.4.3 地表钻孔加固加带压的换刀措施
按4.4.1中方法对计划换刀位置进行注浆加固，当盾构到达加固体后停机，用高浓度的膨润土将土仓内渣土置换，启动气压平衡装置用气将膨润土挤入刀盘前方和上方的砂卵石空隙内，形成一定厚度的泥膜，然后在保持设定气压的条件下将土仓内的膨润土泥浆输出，然后带压进仓换刀。根据实际经验，砂卵石层漏气量较大，一般需要40m3/min的供气量，换刀时的气压一般根据隧道埋深控制在0.5～1bar之间，主要阻止周围地下水的浸入。当随着换刀时间的增加，泥膜变薄，地下水浸入逐渐加快，气压保持不到设定气压时，需要重新注入高浓度的膨润土浆液，再次形成泥膜，清仓后再次换刀，一直到换刀完成为止。
4.4.4 超前注浆孔加固加带压的换刀措施
按4.4.2中方法对刀盘上方进行加固，然后按4.4.3中方法进行带压换刀。
上述4种换刀措施，打设降水井的换刀措施适用于地面有条件打降水井的情况，带压的换刀措施适用于地面无条件打降水井的情况；地表钻孔加固换刀措施适用于地表有条件进行钻孔加固的情况，超前注浆孔加固的换刀措施适用于地表无条件进行钻孔加固的情况。
地表钻孔加固方法不仅将刀盘上方进行加固而且刀盘前方也进行了加固，要优于超前注浆孔加固只能加固刀盘上方的方法，打设降水井降水换刀安全远远高于带压换刀安全，因此此4种换刀措施优选地表钻孔加固加降水的换刀措施，尽量不要选用安全风险非常大的带压换刀。
4. 5 换刀注意事项
常压换刀和带压换刀的方法这里不再叙述，根据成都富水砂卵石地层特点在换刀时要注意以下几点：
⑴、为了保证施工进度与安全，根据刀具的掘进距离，尽量采用定点换刀，采用地表钻孔加固加降水的换刀措施；
⑵、由于开仓换刀时间长、风险大，一种刀型要更换就要全部更换，以减少换刀次数；
⑶、刀具在更换前要有一定的富裕量，防止刀盘磨损；
⑷、换刀时尽量不转动刀盘，以减少刀盘上方的掉渣，一般情况下刀盘转动一周刀具全部更换完成；
⑸、开仓到关仓所有时间范围内必须有人在人闸内观察掌子面情况；
⑹、换刀完成后土仓内全部注满膨润土浆液再掘进。
5 结论
成都高富水高卵石含量地层盾构施工虽然困难，但及时总结成都地铁盾构施工的经验和教训，对盾构刀盘优化，对刀具进行合理改进，提高刀盘、刀具耐磨性，进而提高刀具掘进距离，提高施工进度，同时选用安全的换刀措施和措施，才能加快成都地铁建设。