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摘要：盾构刀具磨损影响掘进一直是盾构施工中的一大难题，特别是在不具备开舱条件的复合地层中，如何保证盾构顺利掘进，避免因刀具损坏而影响掘进，是盾构施工领域中值得研究的课题。本文就泥水盾构如何在复合地层中不更换刀具的条件下实现长距离顺利掘进进行探讨。
关键词：泥水盾构，复合地层，滚刀，贝壳刀
Abstract: the influence of shield tunneling has been tool wear shield construction of a difficult problem, especially in does not have the hatches opened conditions composite stratum, how to guarantee smooth shield tunneling, avoid the damage and influence tunneling of the cutting tool, is in the field of shield tunnel is worth of research. This paper shield how in the composite formation in a change not under the condition of long tool realize smoothly tunneling are discussed.
Keywords: the shield, complex formation, hob, shells knife
中图分类号： U455.43 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某地铁盾构区间隧道长度924.2 m，隧道洞身穿越的岩层主要为<7>强风化岩层、<8>中风化岩层，局部有<9>微风化岩层，软土地层主要为<3-2>中粗砂层、<4-2>淤泥质土、<5-2>粉质粘土。
图1区间隧道地质剖面图（局部）
根据勘察报告，隧道范围内有616.3m长度有岩层，隧道上覆地层均为软弱地层，如<3-2>中粗砂层等，地下水丰富，隧道全线不具备开舱更换刀具的条件。
2.复合地层长距离不换刀条件下掘进技术
2.1刀具配置
刀具的配置是完成长距离掘进的关键因素，刀具的配置既要考虑破岩能力，又要具有很好的耐磨性。
（1）优化刀具配置
由于本区间不具备开舱条件，刀具配置时，既要考虑刀具具有破除硬岩的能力，又要具备在岩层中长距离掘进而不至于磨损损坏而无法掘进，必须保证刀具一次性掘进整个区间。滚刀和贝壳刀分别单独具备较强的破岩性能和耐磨性能，但是均具有独立性，在刀具配置时，考虑到两种刀具的互補性，同时配置两种切削刀具，因此在原来设计的全断面滚刀的刀盘的基础上，在刀盘面板上增加了贝壳刀的布置，整个刀盘面板总共增焊28把贝壳刀，贝壳刀平均布置于整个刀盘面上。
在刀盘上同时配置两种切削刀具，滚刀为主要切削刀具，贝壳刀作为保护刀，贝壳刀比滚刀高度低30mm，当滚刀磨损到一定量时（30mm），则贝壳刀起到掘削作用，一方面确保刀具破岩，另一方面保护滚刀刀座和刀盘面板。
（2）优化刀具性能
A、采用镶合金滚刀
为加强滚刀的耐磨性，刀具选择使用镶合金粒的盘型滚刀，合金粒增强了滚刀的耐磨性，防止其在软土地层或软弱岩层中掘进时出现磨损或偏磨。
B、降低滚刀启动扭矩
由于滚刀在不转动的情况下容易出现偏磨，为减小偏磨概率，从减小滚刀的启动扭矩着手，使滚刀即使在较软的地层掘进也能滚动，不至于产生偏磨。为了达到该目的，把滚刀的启动扭矩调整为30～50N﹒m，基本可以在全、强风化地层中实现滚动，避免滚刀偏磨。
2.2掘进控制
掘进控制方面主要通过控制掘进参数，防止刀具损坏；防止泥饼形成，防止刀具偏磨。
（1）掘进参数控制
刀具的异常损坏通常发生在岩层段掘进时，可能由于推力过大、刀盘接触硬岩等原因导致，因此在有岩层的部位掘进时，应特别注意刀具的保护，主要从以下几方面控制：
刀盘转速
本区间隧道地层很长一段处在上软下硬地层，在该类地层掘进刀盘转速不宜过快，一般控制在1.5~2rpm之间，防止刀具在软硬过度的时候受到冲击力作用，当滚刀受到冲击力作用时，会出现崩裂、合金脱落等形式的损坏。
掘进速度控制
掘进速度与刀盘转速的比值称为穿透率，海瑞克盾构机设置的穿透率最大值为20mm/rpm，即刀盘转1圈，盾构掘进20mm，该设置主要为保护刀具，当穿透率过大时，可能造成刀具的异常损坏。
③推力控制
泥水盾构的推力除了克服泥水压力、盾体摩擦力和台车的拉力外，其余全部作用在掘削的刀具上，泥水压力、盾体摩擦力和台车拉力基本是固定的，因此改变的推力基本都是改变刀具的正面作用力。每把滚刀能承受的最大正面压力一般在250~300kN之间，而且每把滚刀的质量不能保证均能承受该压力，当单把滚刀的正面压力超过极限值时，滚刀即出现突然性破坏。
（2）防止泥饼形成
刀盘一旦形成泥饼，则滚刀不能正常转动或无法转动，结果是滚刀会出现偏磨，继而损坏，因此防止泥饼形成是保护刀具的重要内容。
本区间隧道范围内的岩层以强、中风化岩层为主，根据施工经验，该类地层属于典型的易结泥饼地层，在该类岩层中掘进，刀盘极易形成泥饼。因此如何防止泥饼形成以及在形成泥饼后如何处理是顺利掘进的重要保证。本工程主要通过以下几方面进行控制：
A.首先利用泥水盾构防止泥饼的优点，对泥水循环系统进行改造，把回转中心的泥浆管设置独立泵源，并把泥浆管口延长至刀盘面板处，在该类基层掘进时，采用大压力泥浆冲刷，避免泥饼形成。
图2回转中心的泥浆管
B. 增大环流流量，用大流量冲刷刀盘，使泥团不黏附在刀盘上，减小泥饼形成的几率，掘进时，控制环流流量达到650m3/h以上，采用大流量及时带出土舱内刀盘开挖下来的渣土，避免渣土在土舱、刀盘上堆积，从而减小泥饼形成几率。
C.增大泥浆压力，采用高压力泥浆冲刷刀盘和土舱，避免渣土在刀盘上和土舱内堆积。
D.降低泥浆的浓度，使其密度在1.2g/cm3以下，增强携带渣土能力，起到较好的携带渣土的效果。
E.控制掘进速度，保证合理的渣土出量，以利于环流系统及时把渣土携带出土舱，避免渣土在土舱内堆积。
3.小结
通过合理配置刀具，做好掘进控制，实现了泥水盾构在复合地层中长距离不换刀条件下顺利掘进完成整个区间，创造了复合地层中长距离不换刀掘进记录。
本工程
如何优化刀具配置，使之适应既有的地质条件，是盾构施工的重点，在合理配置刀具的条件下，结合有效的掘进控制技术，能大幅度的延长刀具的使用寿命，更进一步保证盾构施工的顺利进行。
参考文献：
[1] 陈馈，洪开荣，吴学松 ，盾构施工技术[M ].北京，人民交通出版社，2009。
[2]竺维彬，鞠世健，等．复合地层中的盾构施工技术[M ].北京，中国科学技术出版社，2006。
[3]周文波，盾构法隧道施工技术及应用[M ].北京，中国建筑工业出版社，2004。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：泥水盾构，复合地层，滚刀，贝壳刀
Abstract: the influence of shield tunneling has been tool wear shield construction of a difficult problem, especially in does not have the hatches opened conditions composite stratum, how to guarantee smooth shield tunneling, avoid the damage and influence tunneling of the cutting tool, is in the field of shield tunnel is worth of research. This paper shield how in the composite formation in a change not under the condition of long tool realize smoothly tunneling are discussed.
Keywords: the shield, complex formation, hob, shells knife
中图分类号： U455.43 文献标识码：A 文章编号：
1.工程概况
某地铁盾构区间隧道长度924.2 m，隧道洞身穿越的岩层主要为<7>强风化岩层、<8>中风化岩层，局部有<9>微风化岩层，软土地层主要为<3-2>中粗砂层、<4-2>淤泥质土、<5-2>粉质粘土。
图1区间隧道地质剖面图（局部）
根据勘察报告，隧道范围内有616.3m长度有岩层，隧道上覆地层均为软弱地层，如<3-2>中粗砂层等，地下水丰富，隧道全线不具备开舱更换刀具的条件。
2.复合地层长距离不换刀条件下掘进技术
2.1刀具配置
刀具的配置是完成长距离掘进的关键因素，刀具的配置既要考虑破岩能力，又要具有很好的耐磨性。
（1）优化刀具配置
由于本区间不具备开舱条件，刀具配置时，既要考虑刀具具有破除硬岩的能力，又要具备在岩层中长距离掘进而不至于磨损损坏而无法掘进，必须保证刀具一次性掘进整个区间。滚刀和贝壳刀分别单独具备较强的破岩性能和耐磨性能，但是均具有独立性，在刀具配置时，考虑到两种刀具的互補性，同时配置两种切削刀具，因此在原来设计的全断面滚刀的刀盘的基础上，在刀盘面板上增加了贝壳刀的布置，整个刀盘面板总共增焊28把贝壳刀，贝壳刀平均布置于整个刀盘面上。
在刀盘上同时配置两种切削刀具，滚刀为主要切削刀具，贝壳刀作为保护刀，贝壳刀比滚刀高度低30mm，当滚刀磨损到一定量时（30mm），则贝壳刀起到掘削作用，一方面确保刀具破岩，另一方面保护滚刀刀座和刀盘面板。
（2）优化刀具性能
A、采用镶合金滚刀
为加强滚刀的耐磨性，刀具选择使用镶合金粒的盘型滚刀，合金粒增强了滚刀的耐磨性，防止其在软土地层或软弱岩层中掘进时出现磨损或偏磨。
B、降低滚刀启动扭矩
由于滚刀在不转动的情况下容易出现偏磨，为减小偏磨概率，从减小滚刀的启动扭矩着手，使滚刀即使在较软的地层掘进也能滚动，不至于产生偏磨。为了达到该目的，把滚刀的启动扭矩调整为30～50N﹒m，基本可以在全、强风化地层中实现滚动，避免滚刀偏磨。
2.2掘进控制
掘进控制方面主要通过控制掘进参数，防止刀具损坏；防止泥饼形成，防止刀具偏磨。
（1）掘进参数控制
刀具的异常损坏通常发生在岩层段掘进时，可能由于推力过大、刀盘接触硬岩等原因导致，因此在有岩层的部位掘进时，应特别注意刀具的保护，主要从以下几方面控制：
刀盘转速
本区间隧道地层很长一段处在上软下硬地层，在该类地层掘进刀盘转速不宜过快，一般控制在1.5~2rpm之间，防止刀具在软硬过度的时候受到冲击力作用，当滚刀受到冲击力作用时，会出现崩裂、合金脱落等形式的损坏。
掘进速度控制
掘进速度与刀盘转速的比值称为穿透率，海瑞克盾构机设置的穿透率最大值为20mm/rpm，即刀盘转1圈，盾构掘进20mm，该设置主要为保护刀具，当穿透率过大时，可能造成刀具的异常损坏。
③推力控制
泥水盾构的推力除了克服泥水压力、盾体摩擦力和台车的拉力外，其余全部作用在掘削的刀具上，泥水压力、盾体摩擦力和台车拉力基本是固定的，因此改变的推力基本都是改变刀具的正面作用力。每把滚刀能承受的最大正面压力一般在250~300kN之间，而且每把滚刀的质量不能保证均能承受该压力，当单把滚刀的正面压力超过极限值时，滚刀即出现突然性破坏。
（2）防止泥饼形成
刀盘一旦形成泥饼，则滚刀不能正常转动或无法转动，结果是滚刀会出现偏磨，继而损坏，因此防止泥饼形成是保护刀具的重要内容。
本区间隧道范围内的岩层以强、中风化岩层为主，根据施工经验，该类地层属于典型的易结泥饼地层，在该类岩层中掘进，刀盘极易形成泥饼。因此如何防止泥饼形成以及在形成泥饼后如何处理是顺利掘进的重要保证。本工程主要通过以下几方面进行控制：
A.首先利用泥水盾构防止泥饼的优点，对泥水循环系统进行改造，把回转中心的泥浆管设置独立泵源，并把泥浆管口延长至刀盘面板处，在该类基层掘进时，采用大压力泥浆冲刷，避免泥饼形成。
图2回转中心的泥浆管
B. 增大环流流量，用大流量冲刷刀盘，使泥团不黏附在刀盘上，减小泥饼形成的几率，掘进时，控制环流流量达到650m3/h以上，采用大流量及时带出土舱内刀盘开挖下来的渣土，避免渣土在土舱、刀盘上堆积，从而减小泥饼形成几率。
C.增大泥浆压力，采用高压力泥浆冲刷刀盘和土舱，避免渣土在刀盘上和土舱内堆积。
D.降低泥浆的浓度，使其密度在1.2g/cm3以下，增强携带渣土能力，起到较好的携带渣土的效果。
E.控制掘进速度，保证合理的渣土出量，以利于环流系统及时把渣土携带出土舱，避免渣土在土舱内堆积。
3.小结
通过合理配置刀具，做好掘进控制，实现了泥水盾构在复合地层中长距离不换刀条件下顺利掘进完成整个区间，创造了复合地层中长距离不换刀掘进记录。
本工程
如何优化刀具配置，使之适应既有的地质条件，是盾构施工的重点，在合理配置刀具的条件下，结合有效的掘进控制技术，能大幅度的延长刀具的使用寿命，更进一步保证盾构施工的顺利进行。
参考文献：
[1] 陈馈，洪开荣，吴学松 ，盾构施工技术[M ].北京，人民交通出版社，2009。
[2]竺维彬，鞠世健，等．复合地层中的盾构施工技术[M ].北京，中国科学技术出版社，2006。
[3]周文波，盾构法隧道施工技术及应用[M ].北京，中国建筑工业出版社，2004。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。