0 引言

　　盾构掘进过程中，由于各种原因会造成刀盘卡死，尤其在砂卵石地层中刀盘卡死现象尤为严重，国内对这类刀盘卡死脱困技术研究很多。黄平华^[1]在盾构被困实例分析及脱困措施中介绍刀盘卡死主要原因:盾构参数不合理造成的塌方堵仓，在掘进过程中碰到异物或穿越地层为膨胀土等特殊地层;汪辉武等^[2]介绍大粒径富水砂卵石地层泥水盾构刀盘脱困技术，结合刀盘卡死现象的实例介绍解决脱困措施;董化瑞^[3]在漂卵石地层盾构机刀盘卡停原因分析及脱困技术中提出刀盘卡停原因可能由地质、设备、人员等多种因素造成并概述刀盘卡死预防措施。这些课题对刀盘卡死原因都有涉及，但结合刀盘、刀具及机械性能提出预防措施涉及较少。本文通过对无水砂卵石地层中出现刀盘卡死现象的分析，提出一些针对机械性能的改进措施，为类似工程提供借鉴。

　　1 工程概况

　　1.1 项目概况

　　北京地铁14号线菜户营站—西铁营站区间采用土压平衡盾构施工，右线为日立6 150，左线为奥村6 140,2台盾构先后从西铁营站始发，在菜户营站接收。沿线途经河流、桥梁、大学实验楼、平房群、高速公路、泵站、铁路、各种形式建(构)筑物，风险源众多。里程K15+010.600—K16+285.299，总长1 274.699m，线路平面存在400,360m半径曲线各1处，线间距13～18m，区间结构覆土厚度14.0～16.6m。整个区间呈人字坡，坡度为0.3%。

　　1.2 工程地质及水文条件

　　区间全断面穿越卵石、圆砾(7)层，潜水水位位于底板以下。根据地质勘察资料，卵石、圆砾(7)层密实，标准贯入击数为50～150(补勘资料局部勘察孔达300)，最大粒径13cm，一般粒径4～6cm，亚圆形，级配良好，含中砂30%，黏土10%～15%，偶见漂石。但从实际施工揭露的地层来看，卵石粒径超过地质勘察报告描述，15～20cm直径卵石占比达30%。检修井揭露的卵石情况如图1所示，地质剖面如图2所示。

　　

　　图1 检修井揭露的卵石情况 

　　 

　　

　　图2 地质剖面  

　　 

　　2 刀盘检修

　　右线盾构穿越河流后，掘进至265环因机械设备的原因在医科大操场内停机，吊出刀盘检修，外周先行刀磨损严重，且合金和刀体一同磨损至楔形，中心刀仅两端合金有磨损;同时，外边刮刀磨损严重，合金多处脱落，内周齿刀合金断裂和脱落情况较少。整个刀盘被砂卵石充填密实，停机前掘进扭矩最高能达80%额定扭矩。

　　2.1 刀具磨损及掘进扭矩较大原因分析

　　土压平衡盾构刀盘驱动扭矩主要为刀盘前表面、圆周面及刀盘背面上的摩擦力矩M₁,M₂,M₃，刀盘切削土体扭矩M₄，刀盘开口槽剪切力矩M₅，土仓内搅动力矩M₆，所占比例约为99%^[4]。根据地层特性和盾构埋深，经估算在此类砂卵石地层中刀盘力矩M为3 417.3～3 963.6kN·m，本日立盾构额定驱动扭矩为5 730 kN·m，约为所需最大扭矩的1.4倍;脱困扭矩为7 449kN·m，约为所需最大扭矩的1.9倍。

　　由外周先行刀的磨损情况可知，砂卵石地层中摩阻系数较大，刀盘前表面摩擦力矩M₁较大，因外周线速度比内周大，所以外圈刀磨损严重;由刀盘外周刀具可知，由于每根辐条外边缘弧度大，刮刀外缘低，外周切削刀轨迹较少，造成切削扭矩M₄大;贯入度相同条件下，面板接触土体的直径减少，不利于外边刀具切削土体，无切刀保护，刮刀磨损大^[5]，切削刀盘圆周面上的摩擦反力矩M₂增大，增大到一定程度后很可能造成盾构刀盘卡死;从土仓内清理出的卵石情况可知，卵石由于重力作用未随渣土排出，增大了刀盘背面摩擦力矩M₃和土仓内搅动力矩M₆。

　　刀盘被泥饼糊住，使刀具无切削能力，造成无法推进，进而导致刀盘整体扭矩增大。刀盘被泥糊住是由于长时间停机造成^[6];另外，有可能由于刀具较密，卵石卡住空隙产生泥饼，长时间推进会造成刀盘卡死。

　　综上所述，第1处检修井之前产生扭矩大，有产生刀盘卡死风险，原因为:刀盘辐条外周弧度太大、刀高和轨迹安排不合理、施工管理中避免长时间停机、刀具过于密集。针对以上分析对刀盘、刀具进行改造。

　　2.2 刀具改进措施

　　刀圈上可拆卸先行刀数量及轨迹按原有设计布置，内周先行刀轨迹及高度等重新排布。刀盘轨迹重排后共18条轨迹线，每条轨迹线保证至少2把先行刀。

　　1)鱼尾中心刀两侧尖角轨迹内长条形先行刀改为2个圆柱形先行刀，使内周空隙小，圆形刀具减少卡住卵石的风险，同时保护中心刀。

　　2)靠近刀盘中心的几条先行刀轨迹线施工过程中线速度较小，同轨迹先行刀数量由原来3把减少为2把。

　　3)外边刮刀位置增加先行刀轨迹，保证先行刀轨迹可完全覆盖边缘刮刀。调整先行刀轨迹主要覆盖刮刀两侧，保护刮刀两侧棱边。

　　4)更换刀盘最外周先行刀，由于辐条形状不能更改，增加外周刀刀高及2条外周先行刀轨迹线，弥补刀盘设计的不足，增加其切削能力。

　　5)焊接式先行刀高度统一调整为170mm，与刮刀间保留充足空间，中心鱼尾刀、刮刀保持原来的轨迹及数量。

　　总计更换圆柱形先行刀共2把，刀圈焊接式外周先行刀6把、可拆卸外周先行刀12把，其他磨损严重的先行刀18把、边刮刀12把。首次更换刀具前后对比如图3所示。

　　3 刀盘卡死

　　3.1 刀盘卡死经过及采取的脱困措施

　　第1次刀具改造后，掘进保持持续推进状态，推进速度30m/s左右，推力18 000kN，直至574环。

　　

　　图3 首次更换刀具前后对比 

　　 

　　1)盾构推进至574～577环，刀盘扭矩变大，在4 000～5 500kN·m。中间采用膨润土置换土仓内泥浆^[3]，置换出仓内土约28m³，刀盘前后注入高浓度膨润土以减少M₁～M₆，但扭矩降低效果不明显。

　　2)自第578环开始，扭矩升高，跳跃性较大，为摆脱困境，开启脱困模式，拉动主动铰接，增加主动力矩，扭矩最高达7 000kN·m以上，推进速度明显降低，刀盘卡住未得到缓解。

　　3)第580环开始刀盘频繁出现卡死现象，采用小幅度正、反转刀盘减小刀盘圆周面上的摩擦力矩M₂^[3]，在没有推进速度的情况下，短时间迅速升高至额定扭矩的140%(额定扭矩5 730kN·m)，无法继续推进。地面未出现塌方等异常现象。

　　4)580环停机后，共配置20t分散剂溶液通过2处膨润土注入口打入刀盘前方^[2]，浸泡刀盘约43h，定期转动刀盘，扭矩为(20%～30%)额定扭矩。恢复推进至582环，推进至行程1 020mm时，刀盘再次出现卡死现象，刀盘启动后扭矩迅速升高至140%的额定扭矩，无法继续推进。

　　以上技术均不能使刀盘脱困，因地面情况较好，项目采取刀盘前开挖2.5m圆形竖井进行盾构刀盘、刀具检修。第1次检修井显示刀具磨损及结泥饼情况如图4所示。

　　3.2 开仓出土情况及卡死原因分析

　　出土情况观察:土体分离严重，上方有水，下方堆积卵石。

　　通过缓慢转动刀盘辐条至竖井内观察到:(1)周边刮刀仍然磨损严重;(2)面板前、开口处、土仓内出现大量大直径卵石;(3)刀盘前出现压密泥饼，肋板中心处泥饼密实度尤为严重。

　　经分析:(1)由于渣土改良不好，卵石和水离析，黏土和卵石无法形成裹挟排出，刀盘前表面摩擦力矩M₁较大，外周刀具磨损严重，土仓内大粒径卵石沉积，未排出仓外，使刀盘背面摩擦力矩M₃和刀盘土腔室内的搅动力矩M₆增大。肋板离中心太近及有弧度肋板均易卡泥。(2)周边刀和中心刀磨损在第1次开仓已经分析，同时由于渣土改良不好，也增加其磨损。(3)大直径卵石卡住刀盘开口处，一半在内、一半在外，切削扭矩M₄较大。渣土改良及大直径卵石卡住是刀盘卡死的主要原因。

　　3.3 刀具改良措施

　　增加刀体合金块尺寸及刀具切削能力。在中心刀刀体上方嵌入1排合金刀头，提高中心刀整体切削能力。外周先行刀刀体外侧增加4枚合金块，提高刀体外侧耐磨性和切削能力。中心刀改造如图5所示。

　　

　　图5 中心刀改造  

　　 

　　3.4 渣土改良措施

　　将掘进的控制重点放在渣土改良上，砂卵石地层渣土改良主要通过刀盘辐条和中心注入孔向待开挖的掌子面注入泥浆和泡沫，使刀盘能容易地切削土体，在改良剂作用下，切削下的土体能呈流塑状，顺利排出。

　　3.4.1 泥浆改进措施

　　1)选用优质膨润土，根据地层情况做泥浆配合比试验。膨润土采用钠基膨润土，每2.5m³土中加入200～250kg膨润土，黏度控制在35Pa·s左右。

　　2)制备泥浆发酵池膨润土在搅拌罐充分搅拌后，放入发酵池中发酵，静置24h，再注入台车膨润土罐。发酵罐的作用是使膨润土在水中酵化，呈黏稠状。

　　

　　图4 第1次检修井显示刀具磨损及结泥饼情况  

　　 

　　3.4.2 泡沫系统改造

　　右线使用日立盾构，设备配备2台泡沫泵。泡沫系统存在发泡效果差的现状。

　　1)1号泡沫基本无法发泡，气量及混合液流量均极不稳定。原因:水路水压过大，达0.8MPa，原有水路调压阀拆卸后未补充。措施:加装调压阀(见图6a)。

　　

　　图6 泡沫发生器修理 

　　 

　　2)2号泡沫发泡时断时续，不连续。原因:气动阀故障，无气路控制动作。措施:更换气动阀(见图6b)，使2号气路工作与混合液同步。

　　同时，采取主控室内控制原液与膨胀率的按钮(见图6c)，调整至膨胀60倍以上，实现连续平稳发泡，降低了泡沫使用量大(高达6%)，避免发泡效果不好现象。

　　3.5 效果检测

　　1)从台车泥浆罐中取出的泥浆，测试黏度值为35Pa·s，能较好地将大块卵石裹挟排出，渣土流塑性明显得到改善。渣土改良优化后出渣情况对比如图7所示。

　　

　　图7 渣土改良优化前后出渣情况对比  

　　 

　　2)通过改进泡沫系统，泡沫发泡效果明显(见图8)，消泡时间延长，泡沫配合比由5%～6%调整至3%～4%，在保证低扭矩掘进的同时泡沫使用量降低，节约了成本;同时，也起到降温保护刀具的作用。

　　3)膨润土和泡沫采用分区注入形式，刀盘泥浆和泡沫注入口要错开布置，中心鱼尾刀注入口加泥浆，使膨润土和泥浆充分融合，中心刀处的泥浆能起到有效保护中心刀降温、减少摩阻力的作用。原先有1个注浆泵带2个管的现象，易造成串浆，增加泵数量实现单阀、单管、单泵，分开泡沫和膨润土的注入孔，保持泡沫管纯净不串浆。

　　

　　图8 发泡良好  

　　 

　　4)采用土压0.06MPa、转速≤1.0r/min的低转速参数施工。

　　5)掘进参数得到有效改善，扭矩降至(60%～70%)额定扭矩，推力由25 000kN降至18 000kN左右，推进速度由25mm/min提升至35mm/min，且能连续不间断推进。

　　6)根据右线施工遇到刀盘卡死问题，左线刀盘在构造上辐条外端采用弧度小的刀盘，刀具采用圆柱形先行刀相间隔的刀具分布形式，减少刀具数量;同时，对发泡系统检测，加强塑流化改造工作。为防止被动换刀，每隔400～500m提前修建刀盘检修井，实际施工中在第2个检修井才更换刀具。保障施工顺利进行，扭矩约4 000kN·m，推力17 000kN，速度达35～40mm/min。防卡死措施如表1所示。

　　4 结语

　　1)刀盘辐条形状，尤其是外圈不宜设置较大弧度，改成直角平面有利于防止刀盘卡死。

　　2)刀盘后背肋板近中心且呈现内弧状易造成渣土板结，增加刀盘后背摩擦力，在保证刀盘强度条件下改成圆柱状及远离中心刀位置。

　　3)刀具选用不宜较多，宜采用2种高差先行刀，每条轨迹上先行刀需覆盖刮刀轨迹，圆柱形先行刀具有很强切削和防止刀盘卡死、防止撞击的能力，中心刀刀头形式的刀具具有很好的切削能力，可大力推广。

　　4)渣土塑流化改造是防止刀盘卡死的关键，其不仅与材料本身性能有关，还要保证发泡及注浆设备良好，为防止膨润土和泡沫串浆，宜采用单阀、单管、单泵。

　　5)做好提前刀具检修工作，主动修建盾构检修井，在粒径15～20cm占比30%的卵石地层中，如果渣土改良较好，刀盘、刀具及机械性能良好的前提下，600～700m换一次刀可行。

　　  

　　表1 防卡死措施