适应富水砂卵石地层盾构机设计 韦丹王建刚张瑞临北方重工集团有限公司【Reference】成都地铁四号线二期工程西延伸线地层以高卵石含量、富含水、偶夹漂石，且地层自稳性差等特征，依据理论性分析确定采用需要土体改良的土压平衡盾构机完成施工，对土压平衡盾构机的核心部分刀盘进行较为详细的描述。【Keys】设备选型；土压平衡盾构机；刀盘一、工程概况成都地铁四号线二期工程西延伸线区间隧道长度为1160m+1520m，最大坡度25‰，最小水平曲线半径300m，埋深约20～30m。盾构隧道主要穿越第四系中更新冰水沉积层、冲积层（Q2fgl+al）中、粗砂，卵石土地层，中密~密实，砂卵石含量90%以上，粒径以30～200mm为主，级配不均，偶夹漂石，粒径可达500mm以上。卵石成分主要为花岗岩、石英砂岩等。该区间段地下水位多大于5m，均位于隧道顶板以上，地下水主要有两种类型：一是孔隙型潜水，二是基岩裂隙水。孔隙水主要赋存于上更新统（Q3）的卵石土中，地下水具有微承压性，卵石土层结构比较松散，含水丰富，含水层厚度为11.90～14.50m。卵石层含水丰富，渗透系数为k=1.75x10-4m/s。
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地质特点：高卵石含量、富含水、偶夹漂石，且地层自稳性差。二、设备选型依据德法等国的盾构施工经验：当地层的渗透系数k<10-7m/s时，可选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数k在10-7m/s和10-4m/s之间时，既可选用泥水盾构，也可在碴土改良的情况下选用土压平衡盾构；当地层的渗透系数k>10-4m/s时，可采用泥水盾构。此地段渗透系统k=1.75x10-4m/s，可采用泥水盾构。盾构选型和颗粒级配关系（如图1）。根据成都砂卵石层取样筛分实验后与盾构理论选型范围图相比较，其中粉色区域为成都砂卵石粒径范围，从图中可以看出成都砂卵石地层既不在土压平衡盾构范围内，也不在泥水平衡盾构范围内。根据日本的盾构施工经验：当地层中粘土含量不足10%时，不推荐使用泥水平衡盾构，粘土含量不足时，使用泥水平衡盾构在开挖面上很难形成泥膜，开挖面易坍塌。由于该段地层粘土含量极少，开挖面上的泥膜形成困难，因此采用泥水盾构具有一定的风险性。确保施工安全可靠，地面建筑安全，不影响环境，能保证开挖面稳定是前提。所选的盾构机能尽量减少辅助施工法。综合考虑选用需土体改良措施的复合式土压平衡盾构机。三、刀盘设计3.1刀盘本体结构刀盘是整台盾构机的核心部件之一，它起到挖掘土体，稳定开挖面，搅拌渣石等主要作用。针对成都富水砂砾石地层，刀盘本体结构的设计理念是在适合的开口率使渣石顺利排出，并能保证刀盘有足够强度和刚度，能阻碍大粒径漂石的通过。根据本项目的地质条件，刀盘用4辐条+4辐板形式（如图2）。刀盘切削下来的渣石通过刀盘的开口槽进入土仓。开口率是描述刀盘开口槽的主要参数，开口率是由地质条件，开挖面的稳定性和掘进效率等决定。刀盘开口率一般在10%~35%，对于以砂卵石为主要的地质，刀盘开口率需慎重，本项目刀盘开口率约32%。在开口处配备导料板，使渣石分流，排料更顺畅，又起隔栅作用，只允许粒径350mm以下的碴石进入土仓，阻碍大粒径漂石进入土仓和螺旋输送机，降低螺旋输送机堵塞风险。3.2刀具配置对于无法进入土仓的密实大粒径卵石，采用滚刀进行破碎，并以宽刃刮刀为辅助，将松散渣石铲入土仓，刀盘面板上布置有重型撕裂刀，起劈开分流物料的作用。刀盘开挖直径Φ6280mm，中心采用4把双刃滚刀，面板为20把17寸正滚刀，4把单刃周边滚刀和7把双刃周边滚刀，刀间距为90~100mm，据成都以往施工经验
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周边采用双刃滚刀有很好的破岩效果，并且减少刀具磨损和换刀次数，增加刀具的使用寿命。宽刃刮刀28把。周边刮刀8把，重型撕裂刀6把。3.3刀盘刀具的耐磨策略根据成都以往施工经验，在砂卵石地层掘进时对刀盘、刀具等部位磨损严重，造成换刀频率高，严重影响施工效率。因此在刀盘刀具耐磨设计上以减磨为主、兼顾耐磨、抗磨。（1）减磨：保障物料顺畅进入土仓。配备合理的刀盘开口率，并在刀盘上配备导料板，可有效将渣土及时顺畅地导入土仓；刀盘进料口采用梯形结构，前小后大，利于渣土通过；通过渣土改良，提高物料的流动性。（2）耐磨：精选各类耐磨刀具，增加刀具的磨损能力。选用宽刃刮刀，并镶嵌合金条，提升刮刀的耐磨性；周边刮刀采用分块式结构，提升其抗冲击能力，方便更换。（3）抗磨：增强刀具的抗磨。在刀盘面板上用耐磨钢板保护；其它易磨损位置进行网格状耐磨堆焊；刀盘圆周焊接硬质合金条；刀盘背部焊耐磨钢板。3.4刀盘泡沫喷嘴设计刀盘上布置5个泡沫喷嘴，泡沫喷嘴也可以用来加注水或其它添加剂。泡沫喷嘴采用背装式设计，方便维护维修；泡沫喷嘴上方设有“帽沿”，防止喷嘴堵塞，此“帽沿”上镶嵌有耐磨合金条，防止卵石冲击造成泡沫喷嘴磨损和损坏。3.5防止泥饼形成的应对措施当盾构在含泥岩，粘土，卵石胶结的地层中掘进，易结泥饼，所以应考虑防结泥饼。（1）加大刀盘中心开口、防止物料滞留，刀盘中心开口率约36%，有效抑制中心结泥饼发生；（2）刀盘背部设有4个动态搅拌棒，前盾主驱动中心隔板配备2个固定搅拌棒，与刀盘相对运动，加强物料搅动；（3）中心隔板配备高压冲洗水口，一旦中心处结泥饼，可以通过喷射高压水进行缓解和治理。四、结论成都地铁四号线西延伸线地质是比较特殊而又典型，通过理论性分析确定采用需土体改良的土压平衡盾构机。刀盘是盾构机的核心部分，对刀盘进行较为详细的描述，来满足适应富水砂卵石地层。Reference[1]唐健,陈馈.成都地铁试验段盾构选型探讨[J].建筑机械化,2006(06),44~46[2]陶建勋,段浩,孙凤革等.对富水砂卵石地层盾构机选型的思考[J].现代城市轨道交通,2009.3,70~72 -全文完-
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