行业要闻

 

摘　要：本文介绍了北京地铁十号线二期17标火器营站～终点站区间及长春桥站～火器营站区间无水砂卵石地层盾构施工采取的措施。展示了无水砂卵石地层对盾构刀具的磨损情况，并讨论了刀具磨损的规律及刀具磨损与施工参数的关系。施工前对刀盘进行合理改进，施工中严格控制掘进参数，有效控制地表沉降、维持开挖面稳定，减小刀具磨损。最终使盾构顺利完成无水砂卵石地层施工，并对今后盾构在此类地层中施工提供借鉴。

关键词：盾构　无水砂卵石地层　切口添加材料　施工参数　刀具磨损状态　刀具磨损规律

 

      北京地铁10号线二期17标段，长春桥站（远大路站）～火器营站区间和火器营站～终点区间，隧道穿越的主要地层为粒径在 20～60 mm 之间的卵石层，最大粒径不小于 380 mm，且粒径大于 20 mm 的卵石占总质量的 50%～70%，土体自稳能力一般。

      盾构在此地层中掘进，刀具磨损严重，开舱换刀频繁，经常导致工程事故的发生，加大了施工风险和工程费用，成为制约盾构工法广泛使用的一个重要因素。如何控制地表沉降、维持开挖面的稳定，减小刀具磨损，对盾构在此类地层中施工有非常重要的作用。根据火～终区间盾构刀具的磨损情况，严格控制切口添加材料的注入量及施工参数，并对刀盘进行合理改进，有效减小了长～火区间盾构刀具的磨损。

      针对此类地层，本标段采用两台日立土压平衡盾构机，盾构机外径 6 150 mm，刀盘最大开挖直径6 180 mm，刀盘为辐条式并采用中部支撑方式。

 

      长春桥站～火器营站区间隧道长约 617.548 m，隧道顶板覆土厚度 7.20～10.00 m，隧道结构顶板标高为41.490 ～ 43.916 m。本区间位于北京城区西北部，北京平原区永定河冲洪积扇内，沿线地形基本平坦。按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地土层分为人工堆积层，第四纪新近沉积层，第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层四个大层。区间结构位于卵石⑤层中。

      火器营站～终点区间盾构隧道总长约 938 m，下穿京密引水渠长度约为 70 m。本区间地面标高为 48.52（京密引水渠底）～51.50 m。本区间位于北京城区西部，北京平原区永定河冲洪积扇内，沿线地形基本平坦，地面略有起伏。除表层人工填土外，岩土以第四纪沉积物为主。按地层沉积年代、成因类型，将本工程场地土层划分为人工堆积层、新近沉积地、第四纪全新世冲洪积层和第四纪晚更新世冲洪积层四个大层。区间结构位于卵石⑤层中。

 

      火～终区间各阶段盾构主要掘进参数的平均值如表 1 所示 ：

      盾构始发前，盾构机刀盘为原装刀盘未经过任何改进。如图 2 所示 ：

      由于盾构机在掘进阶段出现了膨润土管路堵塞的情况，使膨润土注入量不足，虽然经过疏通后膨润土注入量得以提升，但是不能保证所有注入口都能正常工作，且刀盘布局存在一定的不合理情况，造成刀盘及刀具磨损严重。

      刀盘盘体直径应为 6 100 mm， 出洞时为6 070 m m， 磨损 30m m（ 图 3）；刀盘厚 度 应为350 m m，出洞时为 235 m m，磨损 115 m m（图 4）边刮刀原始高度为 230 mm，出洞时为 210 mm，磨损20 m m（图 5）；齿刀原始高度为 230 m m，出洞时为210 ～ 215 m m，磨损 15 ～ 20 m m（图 6）；内周先行刀原始高度为 150 mm，出洞时为 125～130 mm，磨损20 ～ 25 m m（图 7）；外周先行刀原始高度为 150 m m，出洞时为 110 mm，磨损 40 mm（图 8）。

      根据以上图片显示盾构刀盘盘体及刀具磨损严重，部分刀具完全磨损，对正常推进产生严重影响，存在区间中途换刀的风险。针对刀具磨损情况，采取改进刀具布局与严格确保切口添加材料（膨润土）正常注入两种方式，减少刀具磨损，回避换刀风险。

 

      根据刀盘及刀具的磨损情况对刀具布局进行改进，在磨损严重的刀盘钢环及外周先行刀等部位进行强化处理。具体处理措施如下：

      （1）增加 6 把外周先行刀。原刀盘外周先行刀磨损严重，有的甚至完全磨掉。因此将外周先行刀由原来的6 把，增加为 12 把，由每两根辐条中间 1 把变为 2 把。通过增加同一轨迹上刀具数量的办法，减小对刀具的磨损（图 9）。

      （2）增加保径刀12 把。针对刀盘钢环磨损严重现象，增加保径刀 12 把，保径刀母材嵌入刀盘钢环内，合金块比刀盘钢环高 20 mm，长 350 mm，12 把保径刀均与分布于刀盘钢环上，能有效减少砂卵石对刀盘钢环的磨损（图10）。

      （3）增加 6 把背后保护刀并在前盾开口。刀盘背后磨损 115 mm，磨损严重，需要重点保护。通过分析刀盘背面的磨损应为土仓内的土体造成，且刀盘与盾壳的距离仅为 20 mm，卵石卡在其中无法排出使刀盘磨损严重。因此在前盾土仓位置开 4 个豁口，使卡在刀盘与盾壳之间的卵石能够排出，并增加背后保护刀 6 把，均匀分布在刀盘钢环上，保护刀嵌于钢环内，合金部分高出刀盘 15 mm（图11、12）。

      （4）外周端面增加耐磨网格。针对刀盘钢环磨损严重，在刀盘外周端面以网格形式堆焊耐磨层，耐磨焊材使用日本神钢 HF-800K 耐磨焊丝，堆焊高度 5 mm（图 13）。

      （5）增加保护快。为对刀盘钢环进行加强，增加保护块（300 mm）36 块，保护块（155 mm）24 块。保护快高 20 m m，下半部分为母材厚 10 m m 材质为 Q235，上半部分为碳 - 铬合金耐磨堆焊，厚10 m m（图 14）。

      在推进过程中膨润土管路堵塞严重曾一度无法正常注入，造成土体改良能力下降，同等推力下盾构贯入度由 26 mm/ram 降低至 13 mm/ram，且刀盘扭矩始终维持在 3 500 ～4 000 kN m，使刀盘及刀具磨损严重。图 15 所示为中心回转体内膨润土管路的堵塞情况。

      在推进过程中，中心回转体及刀盘内膨润土管路堵塞后，其疏通工作极为复杂、困难，且不能保证疏通后膨润土的注入量能达到堵塞前的效果，所以应尽量避免石子等杂物进入膨润土注入系统，故采取以下措施降低膨润土系统进入杂物的可能。

      （1）膨润土使用独立的搅拌与运输设备并安装滤网。增加一台卧式搅拌机专门搅拌膨润土，不再与砂浆共用搅拌罐，同时膨润土在运输过程中也使用专有的运输车，通过这些手段避免砂浆内混有的水泥块、小石子等物进入膨润土。

      （2）膨润土车及膨润土罐内安装滤网。在膨润土车上加盖，避免膨润土车在盾构机内停放时，皮带上的渣土掉入车内，并在盾构机膨润土罐内增加滤网，同事在 4 号搅拌电机后加装过滤隔断，以挡住已进入罐内的石子等杂物，使其不会进入加泥管路，并定期安排人员清理膨润土罐。通过这些手段减少进入膨润土管路内的杂物，使膨润土注入量始终满足推进需求，对土体进行有效改良，从而降低刀盘扭矩。

      经过一定的改进措施后长～火区间各阶段盾构主要掘进参数的平均值如表 2 所示 ：

      经过一系列改进措施后，刀盘及刀具磨损明显减小。以下数据为出洞时刀盘及刀具的尺寸。

      刀盘盘体直径应为 6 100 mm， 出 洞 时 为6 100 m m，磨损 0 m m ；刀盘厚度应为 350m m，出洞时为 340 mm，磨损 10 mm（图 17）；边刮刀原始高度为 230 mm，出洞时为 220 mm，磨损 10 mm（图18）；齿刀原始高度为 230 mm，出洞时为 225～235 mm，磨 损 5～15 mm（ 图 19）；内周先 行刀原始高度 为150 m m，出洞时为 125 ～140 m m，磨损 10 ～ 25 m m（图 20）；外周先行刀原始高度为 150 mm，出洞时为120 mm，磨损 30 mm（图 21）。

      经过本工程段的施工情况证明了，无水砂卵石地层对盾构刀盘及刀具的磨损严重，尤其是对刀盘钢环及外周刀具的磨损很大，当切口添加材料的注入不理想时会对刀盘造成更严重的磨损。但是通过改进刀具布局和保证切口添加材料（膨润土）正常注入的措施，可以有效减小此地层对刀盘及刀具的磨损，有效降低中途换刀的风险。通过本工程的顺利完成，探索了此类地层中土压平衡盾构机刀盘及刀具的磨损规律，对以后类似地层盾构施工提供了可借鉴的工程实例。