浅谈高强度灰岩地层盾构刀具管理及掘进施工技术研究

权艳强

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 江苏省无锡市 214105

摘要：随着我国城镇化的快速发展，全国轨道交通建设全面铺开，地下情况越来越复杂，其中岩溶发育区建设难度大、风险高，且岩石强度高，盾构掘进施工中刀具磨损较快，导致工效较低，如何对刀盘刀具配置起至关重要的因素，本文以广州地铁十一号广园新村站～梓元岗站区间灰岩地层刀具配置、盾构掘进实践分析，总结了灰岩地区盾构刀具配置及掘进施工技术，对类似地层盾构掘进施工有重要的指导作用及借鉴意义。

关键词：灰岩地层；刀具配置；刀圈；盾构掘进；不良地层

一、刀具的类型及原理

目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀（详见图1）和切削刀（详见图2）两种类型。

滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。

切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。

图1 滚刀示意图 图2 切削刀示意图

1.1 切削刀简介

1、切削刀（软土刀）的破岩方式为刮削破岩（切削刀破岩原理详见图3），适用于淤泥、黏土、砂卵层、强风化岩层等地层使用，若用于硬岩使用，则寿命很难超过几米甚至几十厘米，并且效率极低。

2、选择软土刀形式（详见图4）时，主硬质合金的工作角度是主要考虑因素之一。其中，上扬角（锐角）合金易贯入，效率高，刀盘扭矩小，推力小，但合金不耐撞击，易碎，一般用于纯软土、纯沙地层；大钝角、大圆弧合金耐撞击，但会造成刀盘扭矩大，推力大。一般用于卵石层，碎石层等复杂地层。

图3 切削刀破岩原理图 图4 切削刀形式示意图

1.2 滚刀简介

1、滚刀破岩机理

滚刀是利用滚刀（滚刀构造图详见图5）的刀圈刃口挤压破岩（滚刀破岩原理详见图6），当刀刃对某点岩石施加的压力超过岩石的最大承受能力时，岩石就会成块崩裂。同时滚刀在不断滚动，便实现了连续破岩。连续破岩的过程，也是能量连续转换的过程。滚刀一旦出现卡死或严重崩块后，便失去滚压能力，该滚刀迅速以刀盘掘进速度快速偏磨，该滚刀的受力也会逐渐增大，当超过轴承最大承受力后，滚刀就会被推散，爆裂。同时此轨迹的掌子面也会形成凸起。

图5 滚刀构造图 图6 滚刀破岩原理图

2、刀圈分类及特点

刀圈是滚刀的直接工作部件，决定了刀具工作的速度与掘进距离，根据不同的地质条件，选用合适的刀圈是刀盘配置的重点。按刀圈材料分，刀圈可分为光面刀圈和扁齿刀圈。

二、刀具损坏原因分析

刀具损坏失效形式：滚刀损坏失效形式一般可以分为正常磨损损坏失效和异常损坏失效。

2.1 正常磨损失效

1、滚刀刀圈磨损量过大，达到滚刀刀圈磨损极限，刀具失效更换。

2、滚刀轴承密封等配件使用时间长或多次维修使用，达到其使用寿命，开始出现损坏情况，也应属于正常损坏失效。

3、刀体、刀轴、端盖等配件使用时间长或多次维修使用，磨损量及变形量较大，达到其使用极限，造成刀具损坏失效。正常磨损失效详见图6。

图6正常磨损失效照片

2.2 异常磨损失效

1、刀圈出现异常崩碎、断裂或弦磨偏磨情况造成刀具失效。

2、掘进参数控制不合适、地层突变调整不及时可能造成异常损坏。

3、轴承、密封失效造成的滚刀异常损坏失效。

4、各配件受力异常断裂、变形等造成的刀具失效。

5、加工尺寸精度、装配精度等不合适造成滚刀寿命短、异常损坏失效。异常磨损失效详见图7。

图7异常磨损失效照片

三、灰岩地层刀具选型建议

3.1 岩溶地层盾构掘进刀具管理

广园新村站～梓元岗站区间洞身地层为灰岩及炭质灰岩，存在不良地质：如上软下硬，风化深槽、断裂带，岩石强度高达129.8MPa，地下水较为丰富，溶洞发育，区间周边环境异常复杂，做好刀具配置可减少换刀频率，降低施工风险，提高施工工效。

根据楔形齿刀及重型光面刀的特性，采用全盘楔形齿刀、全盘重型光面刀及边缘重型光面刀+正面楔形齿刀的三种组合方式进行分析比选。在不同强度地层的刀具磨损量、更换频率、掘进工效和刀具成本进行对比，进行刀具配置方案选择，以达到成本、工效及减少换刀频率等方面最优。

1、左线刀具配置及效果检查

(1) 左线始发时全部使用楔形齿刀，分别掘进至103环、187环、216环、进行了刀具检查，刀具损坏均为掉齿居多、偏磨，更换刀具为楔形齿刀。

(2) 掘进至289环再次进行刀具检查，刀具损坏均为掉齿居多、偏磨，地层明显变化，岩石强度超过100MPa，为了进一步对比分析楔形齿刀与重型光面刀到在在同一地层下适应性，边缘刀楔形齿刀更换为重型光面刀，正面刀更换为楔形齿刀。

(3) 掘进至312环进行刀具检查，边缘刀正常磨损，正面刀掉齿居多、偏磨，全盘更换为光面刀。

2、右线刀具配置及效果检查

(1) 右线初装全部为楔形齿刀，掘进至97环查刀时，刀具磨损正常，根据左线刀具配置经验，进一步优化刀具配制，从97环开始边缘刀更换为重型光面刀，同时整体硬度刀圈可能会因受力不均而发生整体断裂的情况，为了延长刀圈的使用寿命，滚刀由整体硬度刀圈改为梯度硬度刀圈。

(2) 掘进至185环刀具检查，光面刀正常磨损3～6mm，无偏磨及刀圈崩裂及断裂情况，楔形刀掉齿居多，为进一步对比，全盘更换为光面刀。

(3) 掘进至258环刀具检查，边缘刀磨损5～8mm，正面刀磨损3～5mm，无刀圈崩裂及断裂情况。

3.2 选型建议

通过方案选择对比分析及实施效果检查，确定后续在岩溶地层施工刀具配置方案如下：

(1) 岩石强度为40MPa以下及上软下硬地层采用全盘楔形齿刀。

(2) 岩石强度在40～80MPa之间的地层采用边缘重型光面刀+正面楔形齿刀。

(3) 岩石强度为80MPa以上的地层采用重型光面刀，同时根据地层的变化，刃口形式做相对应的调整。根据岩石强度调整刀具刃口大小，小于100MPa的采用刃口为22mm的光面刀，大于100MPa的采用刃口为19mm的光面刀，提高破岩能力及掘进工效。

3.3 刀具更换后注意事项

(1) 因旧刀刀圈磨损，更换新刀高于现旧刀刀高，应在更换刀具位置前侧掌子面凿出凹槽，以方便新刀安装不受影响；

(2) 新刀安装后，其刀高为现刀盘最高点，若采用原推力、刀盘转速及贯入度，会造成所有力作用在这把新刀上，导致刀具轴承超负载，从而直接损坏。建议刀盘退缩，并采用低转速、小贯入（小推力）掘进，以至所有滚刀接触掌子面；

(3) 刀盘若不能退缩，同刀位的旧刀与新刀刀高差应在5mm以内。

四、灰岩地层盾构掘进

灰岩地层强度高、裂隙发育、基岩突起、掌子面凹凸不平、存在溶土洞，地下水较为丰富。易出现喷涌、地层漏气失压、地层沉降、塌陷、盾构机载头及突水风险。针对灰岩地层特性及风险，制度盾构掘进管控措施如下：

4.1 地质勘察

(1) 按照沿线路中线每10m的原则进行布设补勘钻孔，受地下管线及建（构）筑物影响的钻孔位置可适当调整，原则上不能大于30m。

(2) 利用钻孔与钻孔间联系关系进行施做跨孔CT，以推断出地质情况。

(3) 利用地质雷达对地面以下15m范围进行扫描，对异常区域结合钻探及跨孔CT进行核查。

(4)当揭示有溶（土）洞时，按照设计文件要求以揭示溶（土）洞的勘探点为中心按2m间距往外侧沿梅花形布置溶（土）洞探边勘探点，并以此类推，直至溶（土）洞探边勘探钻孔未揭示溶（土）洞时终止。如存在障碍物及管线无法探边时，由设计单位分析工程风险并确定专项处理方案。

4.2 不良地层处理

(1) 按照设计图纸对探明的溶土洞进行处理，并进行抽芯检测。

(2) 对沿线的风化深槽、上软下硬、软基等不良地层进行注浆加固。

(3) 按照沿线路中线每5m的原则对岩层上部松散地层进行注浆加固，确保地层气密性。

(4) 对沿线详勘、补勘孔进行排查，必要时进行二次封堵，避免施工过程中出现漏浆漏气的情况。

(5) 提前对换刀点进行注浆加固。

4.3 盾构掘进过程控制

(1) 根据地层、地下水、监测数据动态调整土仓压力，土仓压力波动不得大于0.3bar。

(2) 刀盘转速波动不大于0.1r/min；

(3) 刀盘扭矩波动不大于500KN.m；。

(4) 严格控制出土量，可利用体积测量及称重测量进行复核。

(5) 做好渣土改良，根据渣土状况调整泡沫、膨润土配合比，及时对渣温进行测量。

(6) 加强同步注浆管控，方量要足，压力要够，穿过不良地层应及时补浆。

(7) 及时施做止水环（ 10-15环），有效阻断后方来水。

(8) 洞内储备足够的膨润土及高分子化学材料。

(9) 可通过在盾尾后方通过管片吊装孔注入水玻璃，加快同步注浆凝结。

4.4 对于出现的喷涌、地层漏气等异常情况

由于灰岩地层裂隙发育、地下水丰富，盾构掘进过程中受地下水影响渣土较稀出现喷涌、漏水、漏泥等现象， 造成掘进速度慢、盾尾清理时间过长，掘进工效低。

采取措施：

(1) 仓内加入高分子化学材料或高粘度膨润土，改良仓内渣土。

(2) 提高仓内渣土位置。

(3) 适当提高土仓压力，将地下水逼退。

(4) 及时施做止水环（ 10-15环）有效隔断后方来水。

(5) 对沿线上方松散地层进行注浆加固。

4.5 仓压异常频繁波动

区间主要为全断面灰岩地层，掘进采用气压辅助模式，由于地层地下水丰富，同步注浆对管片壁后填充不够密实，地下水压力较大，掘进及管片拼装时，发生盾尾漏浆、漏气导致土仓压力波动频繁。

采取措施：

(1) 岩溶发育段掘进过程中要求采用高仓位气压辅助平衡模式掘进。

(2) 掘进过程中控制油脂注入量，确保盾尾密封完好。

(3) 加强同步注浆质量，确保管片壁后填充密实，隔断后方来水。

(4) 及时施做止水环（10-15环），用于阻止后方来水，减小盾尾密封压力，确保无后方来水压力较大造成盾尾漏气。

(5) 若具备条件的盾构机可增加1台剪切泵，出现仓压突变等异常情况时及时向仓内注入膨润土，使土仓压力稳定。

五、总结

针对高强度灰岩地层盾构刀具管理及掘进施工，本文以广州地铁十一号广园新村站～梓元岗站区间灰岩地层刀具配置、盾构掘进实践分析，总结了灰岩地区盾构刀具配置及掘进施工技术，对类似地层盾构掘进施工有重要的指导作用及借鉴意义。

参考文献

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