0 引言

　　地铁修建过程中，所遇复杂工程地质和水文地质条件层出不穷，成都地铁工程常遇到大规模穿越富水砂卵石地层的问题。该地层具有地下水位高、卵漂石含量高和卵石强度高等“三高”特点。晏启祥等^[1]等通过对成都地铁1号线工程进行总结，提出“排出为主，破碎为辅”的地层处治理念。曹智等^[2]针对成都地铁3号线设计“中铁盾构”，并对其设计参数进行详细说明，通过实践得出“中铁盾构”能够在全断面富水砂卵石地层长距离持续掘进，具有良好的适应性和可靠性。李雪等^[3]分析了南京某越江泥水盾构隧道施工过程中8次换刀刀具磨损情况，得出砂卵石地层中刀具磨损的包络线。吴俊等^[4]对盾构隧道掘进过程中的刀具磨损机理和磨损预测模型进行分析研究，得出模型预测值与实测磨损数据的误差<15%。但在盾构掘进过程中，砂卵石地层对刀盘刀具的磨损或者在穿越重大风险源时，不可避免要对刀盘刀具进行不断优化、改良，以适应当下地层条件，减少磨损量从而减少换刀次数，提高掘进效率。本文以成都地铁17号线为例，在总结其他线盾构刀盘设计的基础上，提出富水砂卵石地层刀盘设计方案，针对17号线的工程地质情况，在掘进过程中通过现场实测数据对刀盘磨损原因进行深入剖析，对刀盘布局进行优化，提出了刀盘设计应遵循“前期针对设计、中期调整优化、后期总结凝练”的原则。

　　1 工程概况

　　1.1 线路特征

　　成都地铁17号线一期工程其范围为易园站(含)—机投镇站(含)。线路主要沿灌温路、凤溪大道、凤翔大道、香榭大道、永康路，自西向东敷设。线路全长约25.76km，其中高架段长约5.5km，路基过渡段长约0.5km，地下段长约19.76km;共设置车站9座，其中高架站2座，地下站7座。最大站间距6 721m(凤翔站—九江北站)，最小站间距1 397m(永康森林公园站—机投镇站)，平均站间距3 159m，换乘站5座。

　　1.2 工程与水文地质条件

　　1.2.1 岩土分层及特征

　　国色天香至来凤路盾构区间位于川西成都平原岷江水系Ⅰ级阶地，地貌上属于岷江冲洪积扇状平原Ⅰ级阶地，为侵蚀～堆积地貌，地形开阔、平坦。全线盾构穿越的主要地层为卵石土层。以黄石站—市五医院站为例，其地质剖面如图1所示。

　　

　　图1 黄石站—市五医院站地质剖面  

　　 

　　1.2.2 漂石分布特征

　　根据17号线一期工程温江区段卵石探坑专项勘察以及引用地铁4号线二期工程与17号线换乘站凤溪站位置进行卵石探坑专项勘察，共4个探坑，勘察结果如下。

　　1)探坑漂石沿平面和深度分布

　　17号线温江区段向大里程端凤溪大道南站漂石含量呈由高至低的趋势。通过统计分析，该段漂石粒径多集中在20～40cm，占漂石总量90%～97%，粒径>40cm的漂石较少，占漂石总量的3%～7%。探坑漂石沿平面和深度分布特征如图2所示。

　　2)探坑漂石深度分布及粒径平均分布

　　通过统计分析，该线漂石粒径多集中在20～40cm，平均体积含量7.4%，粒径>40cm的漂石平均体积含量占0.99%，其中埋深10～20m较其他埋深漂石含量稍高，漂石分布有较大的随机性，局部地段富集。根据漂石的深度分布变化特征，建议设计专业对线路埋深进行细化。本次4个探坑漂石深度分布及粒径的平均分布特征如图3所示。

　　1.2.3 水文地质条件

　　17号线地下水主要有3种类型:(1)赋存于填土层的上层滞水;(2)第四系砂卵石层的孔隙水;(3)基岩裂隙水。对拟建区间隧道影响最大的是砂卵石层的孔隙水，富水性强，渗透系数最大可达35m/d以上。各区间水位埋深如图4所示。

　　

　　图2 探坑漂石沿平面分布和深度分布特征  

　　 

　　

　　图3 探坑不同粒径漂石沿深度分布  

　　 

　　

　　图4 各区间水位埋深  

　　 

　　2 砂卵石地层盾构施工难点分析及针对性设计研究

　　2.1 砂卵石地层盾构施工难点

　　成都、北京、贵州、南京都是典型的砂卵石地层，从以往施工经验来看，砂卵石地层在盾构掘进过程施工过程中出现的主要问题如下。

　　1)刀具磨损严重，换刀频率高^[5]造成刀盘刀具磨损严重主要有两个因素，一是地质条件因素，砂卵石地层中卵石自身强度较大，单轴抗压强度高达132MPa，难以压碎，容易出现卡刀盘现象。且掘进过程中卵石的不均匀冲击导致刀盘和刀具除了正常磨损外，还有部分刀具存在偏磨现象;二是刀盘刀具设计原因，如果带盘的开口率设置过低，导致大量卵石无法及时进仓排出，聚在刀盘前方，持续性地对刀具刀盘造成磨损。

　　2)刀盘结泥饼现象严重成都地区除了砂卵石地层外，局部地段存在粉细砂地层，在掘进过程之中由于该地层稳定性差、松散容易坍塌且流动性差的特点，受到大推力的挤压和扭矩作用容易在刀盘上形成坚硬的泥饼，封堵刀盘开口，导致渣土无法顺利入仓排出、掘进效率降低。

　　3)盾构换刀风险大由于城市地铁埋深比较浅，且砂卵石地层透气性高，地层相对松散，保气性差，难以形成泥膜，渣土改良后用气体加压然后再保压十分困难，所以难以实现带压换刀。常规的常压换刀由于富水砂卵石地层自稳性差，无法直接开仓换刀，必须采取必要的加固措施才能开仓换刀，所以换刀周期长，且具有施工环境恶劣、施工空间狭小、操作难度大等难点，长时间停机换刀风险大，容易造成坍塌。

　　4)地表沉降难以控制在掘进过程中土压控制较为困难，土仓压力与螺旋输送机排土的匹配性差，超挖容易对周围道路、房屋造成不同程度的影响。尤其是在盾构掘进过程中不可避免地会下穿建筑物、高速公路、河道等重大风险源，如果地表沉降过大，容易造成不可估量的损失。

　　2.2 针对性设计研究方案

　　1)针对砂卵石地层强度大、不易破碎、容易出现卡刀盘的现象，盾构机在驱动部选用大扭矩的配置。

　　2)针对盾构机在砂卵石地层掘进时刀盘和螺旋输送机等磨损严重的情况，盾构机在刀盘、螺旋输送机等部件强化耐磨层的设计。

　　3)针对成都地区富水砂卵石地层地下水含量丰富、地层渗透性强的特点，螺旋输送机采取防喷涌设计，并对土仓内富水渣土改良设计，以减缓喷涌压力。

　　4)穿越上述风险源时盾构机需减小地层扰动、控制好地层沉降。盾构机配置微速推进系统配合螺旋输送机的PID(proportion integral derivative)控制，设计在穿越重要风险源时能有效控制盾构机掘进时对土壤的扰动及地层沉降。盾构机考虑配置二次补浆系统，控制管片拼装完后的地面二次沉降。

　　5)针对砂卵石地层摩擦系数较大、对盾构机盾体摩擦阻力大的特点，为提高盾构掘进效率，盾构机推进系统采用了大推力设计，并且在盾构机壳体外周布置径向注入管，必要时向盾体外周注入膨润土，减小盾体外周摩擦阻力。

　　6)管片外径为8.3m，属于大断面盾构开挖，需改良的土体面积大。盾构机在刀盘和土仓隔板上设计多个注入口，加强土体改良效果、延长刀具使用寿命、减少换刀次数。

　　3 刀盘刀具磨损情况分析及改良措施

　　3.1 砂卵石地层盾构机参数

　　盾构主驱动转轴设计应满足盾构掘进过程各穿越地层对扭矩的要求。盾构掘进所需扭矩为:

　　

　　 

　　式中:T为刀盘装备的扭矩(k N·m);α为扭矩系数;D为刀盘的外径。

　　根据以往成都地铁施工经验，结合本线路地质条件，以黄石站—市五医院站为例，所选盾构设备配置如表1所示。

　　3.2 刀具磨损情况统计分析

　　以黄石站—市五医院站盾构区间左线为例，对盾构掘进至354环(531m)开仓刀具磨损情况进行统计分析，从统计结果来看，刀具出现了不同程度的磨损，具体磨损量如图5～7所示。

　　从图5可以看出10把中心双联、双刃滚刀有1把(13,15号)出现偏磨，偏磨率10%，其余大部分刀圈磨损量在5mm以内，均控制在允许值之内。

　　从图6可以看出外边缘的单轴滚刀出现了挡圈磨完、缺失、轻微偏磨以及刀箱固结偏磨的情况，刀具最大磨损量为25.5mm，外边缘滚刀的平均磨损量高达19.31mm。边缘滚刀的最大容许磨损量为(8 634-8 610)mm/2=12mm，一旦磨损量超过12mm，边缘刮刀就会作为第1层刀具，直接参与对岩层的切削，而刮刀不适合在成都这种高强度大粒径卵石地层直接参与切削，极易造成硬质合金崩裂和脱落。因而边缘滚刀的磨损量必须严格控制在12mm以内，但边缘滚刀磨损量超过12mm，则刮刀和滚刀共同作用于掌子面切削砂卵石，造成刮刀合金块崩缺脱落，由于刮刀的刀座耐磨性相对较差，以致后期刮刀刀座磨损严重，最严重的情况会造成刮刀刀箱乃至刀盘磨损。

　　结合图6,7可以看出36把单刃滚刀中有8把滚刀的挡圈脱落，单刀挡圈脱落率为22.2%，参照成都类似地层的掘进经验，此脱落率相对较高。36把单刃滚刀和10把中心双联滚刀其中有5把刀圈偏磨，偏磨率10.9%，参考6 280mm盾构机在成都类似地层的掘进经验，此次掘进里程条件下偏磨率正常。其中1把(54号)为刀箱固结导致刀具无法正常转动而偏磨，其余4把为正常磨损后刀具密封失效导致刀具内部进泥而偏磨。此次偏磨的刀箱位置为:49和54号，13,15号双联刀箱位和26号单刀刀箱位。

　　  

　　表1 盾构设备配置 

　　 

　　 

　　

　　表1 盾构设备配置

　　

　　图5 刀盘中心双联、双刃滚刀磨损量  

　　 

　　3.3 刀具磨损原因分析

　　

　　图6 内盘单轴滚刀磨损量 

　　 

　　

　　图7 外边缘单轴滚刀磨损量  

　　 

　　1)边缘滚刀磨损过大^[6]，边缘刮刀实际高度高于边缘滚刀，边缘刮刀直接作用于掌子面的大粒径卵石上，导致刮刀的负荷加大，造成硬质合金的崩裂和焊缝拉裂合金脱落，同时边缘刮刀作为实际的第1排刀具，首当其冲受到来自刀盘上部大粒径卵石的强大冲击，进而造成边缘刮刀提前发生损坏。

　　2)挡圈脱落的刀箱位置大部分集中在刀盘次边缘一圈轨迹线位置，说明此轨迹线上地层对挡圈和刀毂的冲击最大，由于掘进里程长而挡圈的耐磨性不足导致挡圈磨掉;其次挡圈在刀毂上的焊点位明显存在缺陷。

　　3)36把单刀将近70%的滚刀都存在刀毂和端盖磨损严重。主要原因是掘进里程长，在砂卵石地层中砂卵石对刀毂和端盖的冲击力大，刀毂和端盖相应的加强耐磨措施不够完善。

　　4)刀盘小面板引起刀盘周边卵石进出入土仓内部不顺畅，进而导致大量卵石无法及时进仓排出，聚在刀盘前方，持续性地对刀具刀盘造成磨损。

　　4 刀具优化措施

　　4.1 滚刀配置优化

　　盾构机边缘滚刀50～55号刀具由原来的单刃滚刀变为双刃滚刀，可以增强刀盘的抵抗磨损能力，且双刃滚刀能使滚刀轨迹线尽可能靠近刀盘外周圆磨损位置。针对刀盘边缘滚刀刀轴磨损以及刀箱严重情况采取以下措施。

　　1)将耐磨层更换为WC硬质合金涂层或者在刀体上镶嵌若干硬质合金钉，WC合金耐磨性远远高出普通耐磨层，可提高刀体的使用寿命，边缘滚刀加强前后对比及双刃滚刀耐磨加强图纸如图8,9所示。

　　

　　图8 边缘滚刀加强前后对比  

　　 

　　

　　图9 双刃滚刀耐磨加强图纸  

　　 

　　2)采用导流刀加固替换刀盘原有刀座保护刀，如图10所示。

　　

　　图1 0 原有刀盘保护刀与导流式刀座保护刀 

　　 

　　3)不具备焊接导流式刀座保护刀的刀箱，采用合金块保护，如图11所示。

　　

　　图1 1 刀箱保护合金块  

　　 

　　4.2 边刮刀优化

　　周边刮刀与刀盘耐磨环存在约90mm的间隙，添加两孔刮刀补齐间隙。针对刀盘原装边刮刀合金不足且边刮刀背面五合金保护，采取以下措施改进。

　　1)补齐刀盘耐磨环与耐磨环之间的间隙，焊接两孔刮刀刀座，安装两孔刮刀，提高刀盘外周渣土进入土仓内效率。

　　2)加大边缘刮刀前排主合金厚度，并采用大圆角形式，增强合金的耐撞击能力。在主合金前增加母材保护，在刀具受强力撞击时可以起到一定的缓冲作用，减少合金受撞击破碎情况，同时增大合金焊接面积可以增强合金的焊接强度，保证合金焊接更加牢固。顶部小合金的设计增加刀具的耐磨性，可以防止刀盘反转时对刀具的磨损。主合金和侧合金的相互配合，使刀具工作过程中能承受更大的撞击和磨损，因此刀具主要对前排主合金形式进行优化。

　　4.3 刀盘周边改进措施

　　1)对刀盘外周磨损区域清理、打磨，面板磨损区域截面尺寸测绘如图12所示。

　　

　　图1 2 刀盘磨损区域截面  

　　 

　　2)根据测绘尺寸制作、安装圆周封板，对磨损区域不规整的地方进行碳刨、打磨，以便封板安装、施焊。补板区域为外周面板+两侧筋板位置，如图13中60°范围内，其他磨损位置补板均参照此制作。在外侧筋板与圈板的位置增加端头封板。

　　

　　图1 3 刀盘磨损区域补焊 

　　 

　　3)安装面板处的圆环保护刀，在上一条补板区域圆周方向上安装。刀盘外周圆弧段采用100mm×100mm的合金块代替刀盘原有的HARDOX600，厚度为1cm。不具备焊接合金保护的地方，采用焊接耐磨焊丝网格(10mm×10mm，焊接高度5mm)保护。

　　4.4 小面板优化

　　刀盘周边小面板降低了刀盘周边渣土进入土仓的效率，造成刀盘外周磨损加剧，根据盾构机螺旋输送机通过尺寸，将12号处刀盘小面板割除150mm。

　　5 刀盘刀具优化效果分析

　　盾构掘进至646环进行开仓换刀，对其上的滚刀磨损情况进行现场测量，如图14～16所示。

　　

　　图1 4 优化后内盘单轴滚刀磨损量  

　　 

　　从图14可以看出经过刀盘刀具改良之后中心双联双刃滚刀未出现偏磨的情况，刀具平均磨损值为3.5mm，比之前降低2.7mm，降低了43.5%。刀具磨损量均控制在6.5mm之内，满足控制指标的要求。

　　

　　图1 5 优化后内盘单轴滚刀磨损量  

　　 

　　从图15可以看出优化后内盘单轴滚刀平均磨损量为7.7mm，比之前降低4.53mm，降低比率为37.0%。个别刀具出现偏磨、挡圈磨完缺失的情况。

　　从图16可以看出优化后内盘单轴滚刀平均磨损量为10.3mm，比之前降低了9.0mm，降低比率为46.6%。

　　结合来看，36把单刃滚刀之中偏磨率为8.3%，挡圈磨完缺失率为2.8%，刀盘磨耗超过允许值的只占16.7%，相比之前大大降低，可在掘进过程中减少换刀次数，大大提高掘进效率。从此次开仓情况来看，可对刀盘刀具进行二次优化，以便能适应更长的掘进里程。

　　

　　图1 6 优化后外边缘单轴滚刀磨损量  

　　 

　　6 结语

　　针对富水砂卵石地层大直径盾构刀盘磨损控制应遵循“前期针对设计、中期调整优化、后期总结凝练”的原则，在掘进过程中严格把控，延长刀盘刀具盾构掘进适应性里程，减少换刀个数和频率。从本文提出的盾构刀盘布置及优化措施来看，能有效控制富水砂卵石地层刀盘磨损量，为盾构选型及刀盘设计提供经验。