中铁十四局集团有限公司济南250014
摘要：本文以兰州地铁施工为例，分析了土压平衡盾构机在砂卵石地层施工中刀盘磨损大、扭矩大的原因，并提出了刀盘“减磨降矩”的有效措施。
关键词：富水砂卵石；刀盘；减磨降矩；措施
1.工程概况
兰州地铁陈官营～奥体中心区间隧道埋深8.3～13.2米，盾构穿越段主要地层为2-10卵石（含量60%）、3-11卵石（含量61%）、4-1泥岩，如图1所示，卵石含量多、粒径大。区间2-10卵石、3-11卵石层普遍分布粒径大于20cm的漂石，分布随机性较强。
图1砂卵石地层
本项目卵石地层主要特点如下：
⑴漂卵石多、强度高、粒径大，卵石含量60%，卵石粒径为20～60mm，漂石含量较少，最大粒径可达500mm。⑵高富水和水压高，地下水埋深3.10m～10.90m，渗透系数大，为强透水层。⑶地层透气性和磨琢性大，流动性和胶结性差，对盾构机刀盘磨损较为严重。⑷地层松散且掌子面、拱顶地层不稳。
2.砂卵石地层盾构法掘进的力学特性
砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结，卵石粒径大小不等，且卵石空隙多被中、粗砂充填，颗粒之间点对点传力，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，刀盘与卵石层接触压力不等，导致刀盘震动，在顶进力作用下很容易破坏原来的平衡状态而产生坍塌，引起较大的围岩扰动，使掌子面失去约束产生不稳定。围岩中的大块卵石、砾石越多，粒径越大，这种扰动程度就越大，特别是隧顶大块卵石剥落引起上覆地层的突然沉陷，加剧刀盘的磨损。
3.开挖面稳定机理分析
开挖土仓由刀盘、切口环、隔板及螺旋输送机螺旋轴等围成的一个密闭空间。土压平衡盾构就是将刀盘开挖的渣土填满土仓，并通过搅拌棒搅拌。盾构推进产生的推力通过隔板对土仓内渣土进行加压，产生泥土压力，这一压力作用于整个作业面，使作业面稳定，刀盘切削下来的渣土量与螺旋输送机往外输送量相平衡，维持土仓内压力稳定在预定的范围内。
土仓内土压力通过土压传感器进行测量，并通过控制推进力、推进速度、螺旋输送机转速等来控制。在高富水砂卵石地层中施工时，由于渣土流动性差，砂卵石摩擦力大、渗透系数高、地下水丰富等原因，土仓内压力不易稳定，所以需进行渣土改良。向土仓内注入膨润土或者泡沫剂，然后进行充分搅拌，使渣土具有塑性和不透水性，保持土仓内土压稳定，继而维持整个开挖面的稳定。
切削土体颗粒与刀盘摩擦大，刀盘、刀具等磨损严重，经常超过预期。土压平衡盾构机刀盘磨损呈现局部的连续性，集中在某个外周区域，造成刀具严重偏磨，直至整把刀报废。例如：周边刮刀的磨损直接导致刮刀附近刀盘本体的严重磨损，磨损量超过7cm。
4.“减磨降矩”措施
4.1优化刀盘的结构型式
砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，内摩擦角大，咬合力强，不易普通切削，但受扰动后极易自行崩塌。选择正确的刀盘结构型式是砂卵石地层实现快速、长距离掘进的关键条件，并可有效降低刀具的非正常磨损，总结高富水砂卵石地层刀盘的结构型式：
⑴优先选择辐条式刀盘（见图2），刀盘整体开口率提高到35%～40%，同时增强盾构刀盘面板、刀具等的耐磨性。
图2辐条式刀盘结构图
⑵通过在刀盘开口部分和外缘焊接硬化表面，在刀盘的每个进渣口的周围进行硬化处理并堆焊耐磨材料，在刀盘外圈设置保护刀具等措施保护刀盘结构，在盾构机刀盘的周边可焊多道耐磨条，刀盘的面板可优先选用进口MT焊条焊接有格栅状的耐磨材料，以充分保证刀盘的耐磨性能。
⑶对于含透镜体砂层施工的盾构机，刀盘应采取有利于渣土流动的中间支撑式，同时在中心部位设置有效的泡沫系统，避免结泥饼现象的出现。
⑷在砂卵石地层中，盾构机刀具切削土体是一种“剥落式”的切削土体方式，所以一定要重视刀具的布置结构型式。刀盘刀具的布置应当进行段差设计，充分发挥各类刀具的作用。刀具设置种类及数量详见图3。
图3刀具种类及数量
4.2渣土改良措施
渣土改良系统在砂卵石地层中可减少刀具磨损，保证开挖面稳定，减少盾构机负荷，提高掘进效率。结合兰州地层的特点，采取多种改良方式：
⑴建议在刀盘中央部位设置2处注入口，另外刀盘外周设置3处，隔仓上部和中心各设置2处。
⑵主要采用泡沫作为主要的渣土改良剂，主要原因是砂卵石含量较高，内摩擦角较大，在掘进过程中螺旋输送机扭矩较大，容易出现螺旋输送机卡滞现象造成出土困难，影响掘进。泡沫剂产生的气体很容易分散于溶液中形成大量的微细气泡，泡沫的液膜具有一定的表面黏度和弹性，利用微细泡沫的润滑效果使开挖土呈塑性流动；泡沫收到强力搅拌，微细泡沫与开挖土均匀混合，将置换土颗粒中的孔隙水，因而提高止水性，便于渣土的流动与运输。
泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成。泡沫的注入量按开挖方量及渣土实际情况计算：一般300～600L/m3。如此计算，每环的泡沫注入量原液约为50～100L。
⑶根据以往工程经验及施工实际验证，在砂卵石层中施工，可根据地质的变化，也可以通过向盾构机土仓内加膨润士来改良切削土体，来实现土压平衡掘进。膨润土的配合比为：水:膨润土:粉煤灰:添加剂=4:1:1:0.1，加泥量为出土量的5%～20%。注入压力比盾构的土仓压力略高。同时加入膨润土浆液，浆液中添加适量的纯碱、CMC等添加剂。考虑到地层的渗漏损失，对于正常段地层，暂定掺入量为10%。
4.3优化掘进参数
⑴土压控制要灵活
由于区间隧道为砂卵石地层，采用土压平衡模式掘进，刀盘极易“卡死”而造成推进困难，因而采取适当欠压模式掘进。土仓压力通过采取设定掘进速度、调整排土量的方法建立，并以维持切削土量与排土量的平衡为基准。在掘进速度一定的情况下，主要通过调整螺旋输送机的转速来调整出土量，并维持土仓压力的相对平衡。
对于覆土厚度小于1.5D（盾构隧道管片衬砌环外径）的浅覆土段，尤其是1.0D的超浅覆土段施工，还是得强调建土压掘进；如不建土压掘进，肯定在刀盘上方、前方产生塌腔，甚至会引起突发性地表塌陷；如实在无法建土压掘进，则应做好地表突发性塌陷警戒，并预先采取好地表突发性塌陷的处理措施。
对于深覆土区段盾构欠压掘进，首先，应基于理论计算出渣量，严格控制好出渣量；同时，做好同步和二次快速注浆技术和工艺控制研究，做到边研究、边指导工程施工，目标是在管片衬砌环脱出盾尾后的地层变形与移动加速阶段，及时弥补地层损失。
⑵控制出渣量
盾构在砂卵石地层中掘进时，出渣超量会造成地面沉降超限，因此，必须将出渣量作为各项掘进参数的重点加以控制。出渣量采用体积与质量双重控制机制，螺旋输送机出土以保证土压值的稳定为前提，不能过大波动。
施工中对渣土车进行分格量化，从渣土车斗顶往下每10cm所对应的渣土数值进行精确计算，确保快速确定每环出渣量。
⑶适当降低刀盘转速及扭矩
因富水砂卵石地层自稳性差，如果刀盘转速过高，将加大刀盘、刀具的磨损，同时对土体扰动也会加大，不利于土体自稳，因此需适当降低刀盘转速。刀盘转速控制在1.0～1.2r/min较为合适，刀盘扭矩控制在4500kN·m以内。
⑷稳定掘进速度
盾构掘进时，应尽量将掘进速度控制在一定的范围内，保持掘进速度的相对稳定，使螺旋输送机的转速与推进速度相匹配，刀盘的切削量与螺旋输送机的排土量保持一个动态平衡，以此来最大限度地控制刀盘内的土压保持稳定。在刀盘转速一定的情况下，掘进速度越大，刀盘贯入度也越大，在粒径大的密实卵石层中极易出现卡刀盘等现象。
推进前和停机后要注入一定量的膨润土和泡沫，并间歇性的转动刀盘。因为土仓内有残留的渣土改良剂，往往开始掘进下一环时扭矩等数据指标比较理想，切莫因为刀盘油压低而加大推进速度，应该参照历史数据，按照一个稳定的掘进速度。
5.结语
本文结合兰州地铁陈奥盾构区间的实际情况，揭示了在高富水砂卵石地层的力学特性，并分析了开挖面的稳定机理。针对砂卵石地层中盾构施工通常遇到的刀盘高扭矩、高磨损现象，提出盾构刀盘“减磨降矩”的措施，进一步指导盾构掘进施工，并取得较好的经济、社会效益。
参考文献：
[1]黄清飞《砂卵石地层盾构刀盘刀具与土相互作用及其选型设计研究》2010-06
[2]冯欢欢《成都地铁4号线砂卵石地层土压平衡盾构施工技术》2014-03