贾会森
（ 中铁十二局集团有限公司， 太原 030024)
 

摘    要： 针对沈阳地铁 9 号线一期土建工程泥水平衡盾构在砂卵石及结土地层中下穿 500  m宽浑河隧道工 程，对可能遇到的刀盘刀具严重磨损及结泥饼现象进行了预判，通过对地质颗粒成分组成及浑河水位变化情 况进行分析研究，优化创新了刀盘结构形式和刀盘刀具耐磨设计，增强了环流系统泵送能力，改进了防结泥饼 冲刷管路设计，再辅以施工辅助技术，不但实现了泥水盾构在该工况下不结泥饼和不换刀，还节约了施工成 本。 该技术的成功运用可为今后类似工程提供参考。
关键词： 轨道交通; 泥水盾构; 砂卵石; 穿河; 不换刀
中图分类号： U231      文献标志码： A    文章编号： 1672-6073(2017)06-0069 -05
 

TechnoIogy forNotRepIacing theCutteroftheSIurry ShieIdMachine Crossing theRiverintheLong  DistanceSandandGraveIStratum
JIAHuisen
（ ChinaRai1way12th Bureau Group Co.， Ltd.， Taiyuan 030024)

Abstract： Forthetunnelengineering  by  slurry  shield  machinecrossing  the500  meter-wideHun  Riverin  thesand-graveland clay stratum， thephenomenaofseriouscutterwearand mud cakesarepredicted and analyzed in advance; through analysisand study on thechangesofthegeologicalparticlecomposition and thewaterleveloftheHun River， structuretypeand wear-resis- ting design ofthecutterareoptimized and innovated; thecirculation pumping capacity isenhanced， and thepipelinedesign for mud cakesproofing isimproved; and someassistantconstruction  measuresareputforward.Thusno  mud  cakesareproduced and thereisno need to replacethecutterfortheslurry shield machine.Asaresult， theconstruction costsarereduced.
Keywords： railtransit; slurry shield machine; sand and gravel; crossriver; notreplacing cutter
 
 
1  工程概述
       沈阳地铁 9 号线汪河路站一曹仲站区间单线全长 2 237  m，管片外径为 6 000  mm，内径为 5 400  mm，宽度 为 1 200  mm。 区间设联络通道 3 座和 1 口风井，其中 风井两段分别为 1 464  m和 773  m（ 盾构穿越风井段采 用的是砂浆回填风井法［1J ，即盾构通过风井前将风井 结构施工完成，采用砂浆回填到风井内，待盾构穿越风 井且整个区间施工完成后再把砂浆挖出恢复风井结 构)。 隧道结构断面主要穿越中粗砂、圆砾土地层，局 部含有粉质结土层，地层富含水，中间穿越 500  m宽浑河。 本区间采用直径为 φ6 300  mm的间接式泥水平衡 式盾构进行施工， 盾构由汪河路站始发， 曹仲站进行 接收。


2   工程地质情况
       区间以 一19o的坡度从汪河路站始发，途经 一3o、 18.2o、3o、17.6o、2o的坡度到达汪河路站，隧道断面 在始发段和出洞段为全断面圆砾土，主要由变质岩组 成，亚圆形，坚硬，一般粒径为 2 ～20  mm，最 大粒径为 80 mm，充填约 20%的泪粒砂和结性土，局部为卵石层， 地下水类型为孔隙潜水，赋存于圆砾强透水层中，渗透 系数在 85 ～120 mId 之间，且掌子面自稳性差。
       隧道断面（ 见图 1 ) 在中间段为粗砂、砾砂、中砂、局部圆砾土和局部 180  m隧顶处含粉质结土，地层中含石英颗粒，呈亚圆形，其中圆砾最大颗粒为 100  mm， 粉质结土为硬塑，中段 500  m宽浑河水位受季节影响 较大，一般最大水深约为 6  m（ 同时浑河下游水坝不定 期蓄水，影响盾构掘进水土压力控制），整个地层渗透 系数高，掌子面自稳性差，对刀盘及刀具磨损较大。

3   该工程对刀盘租刀具的不利因素
       1）  盾构始发与接收端头围护结构为钻孔灌注桩， 围护结构钢筋采用玻璃纤维筋［2］ ，钻孔灌注桩强度达 到 30  MPa，加固范围强度达到 10  MPa，刀具选型配置 需考虑软岩和硬岩施工因素。
       2）  该工程主要地质为粗砂、砾石及圆砾层，且石 英含量高，对刀盘和刀具磨损较大，因此刀盘的耐磨性 需要重点考虑［3］ 。
       3）  该工程部分地段含粉质结土地层，粉质结土地 层颗粒度小于 20  µm，目前泥水分离 设备技术无法处 理 20  µm以下的颗粒，将引起泥浆比重上升，致使环流 携渣困难，易形成泥饼，使刀盘刀具无法起到切削掘进 的作用，甚至导致滚刀等刀具严重偏磨而无法继续掘 进施工［4］ 。
       4）  该工程将从浑河底部穿越，地层渗透系数高， 且掘进距离长，必须控制好掘进参数，有效预防刀具的 磨损情况，避免因刀具损坏而进行带压进仓换刀作业， 引起施工风险。
       5）  该工程穿越风井时，采用的是回填方式，穿越 强度为 30  MPa的风井洞门围护结构及回填材料，将加 剧对刀盘和刀具的磨损程度。
 

4   不换刀技术
4.1  刀盘及刀具的设计
       根据工程特点分析，刀盘设计理念为：渣土开挖主 要应以剥离为主；开口率要大，使开挖下来的渣土充分 搅拌后可快速流入开挖仓内，通过排浆泵及时排出，从 而降低刀盘扭矩；同时应加强刀盘和刀具的耐磨性设 计，尽可能地满足长距离施工不换刀的要求［5］ 。


4.1.1  刀盘结构设计及刀具类型选择
       刀盘设计见图 2。

       1）  刀盘结构采用 Q345C材质，耐磨性增强，辐条 式布置，开口率为 48%。
       2）  进渣口采用锥形设计，进渣口部位的支撑筋板 采用 Z字形设计，这种特殊的设计有利于泥浆顺畅地 流入开挖仓，避免进渣口堵塞。
       3）  刀盘搅拌棒采用十字形设计，且外圈搅拌棒尽 量靠近前盾壳体，对底部渣土起到搅动、撞击的作用。
       4）  刀盘牛腿采用铸造式牛腿，减少型钢结构的棱角，利于渣土流动，减少结泥饼现象。
       5）  刀盘中心采用大流量冲刷设计，防止渣土在刀 盘中心区域堆积，同时加快泥浆在开挖仓中心部位的 混合，增强泥浆的流动性， 极大降低中心结泥饼的可 能性。
       6）  刀具布置原则：本工程管片用的常规盾构机刀盘 开挖直径设计尺寸（一般不大于 6 280 mm），实际用于本 工程的刀盘开挖直径增加了 20  mm（ 达到 6  300  mm）。 盾体的 直 径 设 计 不 变 （ 与 常 规 盾 体 直 径 保 持 一 致， 6 250  mm） ，这种设计可增加边刀理论可磨损量，确保 了开挖直径，使同种地质条件下可掘进有效里程增加； 增加保证周边开挖直径的刀具数量，均分刀具磨损速 度，使单个刀具的转换磨损量增加，有利于增加盾构的 掘进里程数；因主切刀全为焊接刀具，一旦施工复杂情 况超过预期，将导致主切刀损坏而无法掘进施工（ 带压 补焊主切刀属于高风险作业），设计中将周边刮刀开挖 直径增加为 6 280  mm，当开挖直径主切刀磨损刀不能 满足要求时，可采用更换周边刮刀进行辅助掘进；主切 刀贝壳刀采用双层设计，形成刀高差，达到阶梯磨损的效果，以延长盾构掘进距离。
       7）  刀具采用贝壳刀为主切刀， 齿刀、 超挖刀、 刮 刀、鱼尾刀和保径刀等进行辅助开挖，刀具数量及功能 见表 1。

4.1.2  刀盘及刀具耐磨性设计
       1）  改进刀盘面板耐磨焊材，刀盘面板焊有 12.5  mm 厚的耐磨复合钢板（ 美国进口的信铭钢，性能远优于原 盾构常用的 Hardox板） 。
       2）  根据沈阳以往项目砂卵石地层中使用的盾构 刀盘周圈焊接镶嵌合金的新型耐磨防护措施［6］ ，本工 程刀盘设计结合刀具的耐磨设计，在采用优质钢板的 刀盘周圈上镶嵌特殊耐磨合金块，性能接近于耐磨刀 具，除具有耐磨功能外，还能保证刀盘体的直径。
       3）  刀盘边缘过渡区、刀盘进渣口以及刀盘背面加 焊致密耐磨网格，使与渣土有较大摩擦力接触的部位 得以防护，从而提高刀盘整体的耐磨性能。
       4）  刀盘上外周设有 2 个磨损检测装置，用于检测 刀具磨损情况，从而防护好刀盘整体结构，便于施工风 险控制。
       5）  贝壳刀刀头采用大块合金，延长使用寿命。
       6）  切刀、边缘刮刀布置有 3 道硬质合金，且刀体 侧面加焊耐磨网格，在增强耐磨性的同时，可提高其抗 冲击性。

4.2  盾构机辅助装置设计
       刀盘刀具的设计是不能保障长距离复杂地层不换 刀施工的，必须通过设计合理的盾构配套设备辅助完 成。  从该工程地质特点来看，辅助装置重点需要解决 的是：防止泥饼的形成和形成泥饼后的处理，开挖仓内 渣土的堆积使刀盘刀具摩擦面积增大而加快磨损以及 粉质结土等微细颗粒引起的环流携渣等问题。
 

4.2.1  搅拌装置
       原盾构气垫仓排浆管路设计方案为碎石机，主要 考虑因地质勘探不明而存在的孤石和大粒径卵石等对 盾构施工的影响，后根据车站施工开挖渣土实际情况 及随机补勘抽样结果显示，区间隧道内大颗粒卵石不 超过 100  mm。
       为解决小粒径砂卵石和粉质结土在排渣口堆积导 致环流携渣不畅的现象，将搅拌装置替代碎石机设置， 主要解决底部沉渣搅拌问题，同时由于搅拌装置负荷 比碎石机小，不但降低了设备的故障率，还减少了设备 的维修风险。


4.2.2  冲刷管路
       该工程冲刷管路设计主要是便于渣土流动、防止 泥饼的形成、泥饼形成后的处理、气垫仓和开挖仓（ 安 全门处） 底部沉渣的稀释等，但砂卵石地层管路冲刷应 减少对掌子面的冲刷影响，避免掌子面因冲刷过度导 致拥塌现象。
       根据以上分析，开挖仓内共设置 6 路泥浆冲刷管 路，分别为顶部 2 路冲刷刀盘用，中部 1 路冲刷刀盘中 心部位，底部 2 路冲刷安全门，1 路反冲洗管路；气垫内 底部布置 2 路冲刷搅拌装置。  全方位的冲刷管路解决 了渣土搅拌的和易性和刀盘结泥饼等问题，减少了渣 土对刀盘刀具的磨损［7］ 。

4.2.3  环流系统
       该工程的粉质结土细微颗粒是泥水盾构施工的克 星，因此环流系统的设计必须重点考虑携渣能力，避免 渣土堆积在开挖仓内，加速刀盘和刀具的磨损。
通过加大进排浆泵的功率和管路直径，确保环流 系统携渣顺畅和提高整体施工效率。  该工程环流系统 泵站功率设计是同规格类似盾构的 1.2 ～2 倍，中继泵 由 1 台进浆泵和 2 台排浆泵组成，进排浆管径由常规的 250  mm变更为 300  mm［8］ 。

4.3  施工技术措施
4.3.1  掘进参数控制
       盾构施工掘进必须合理控制相关施工参数，尤其 是刀盘扭矩（ 在不超过额定扭矩的 60%前提下提高推 进速度，贯人度不超过 30  mm，转速为 1.6  rImin 左右） 和泥水指标（ 根据掘进地层不断做出调整，在粉质结土 地层需增加高分子材料防止泥饼的形成）。  通过掘进 参数的控制，减少了意外情况的发生（ 刀具受力状况及 环流携渣匹配等问题），达到延长刀盘刀具使用寿命的 效果［9］ 。


4.3.2  压滤设备
       该工 程 地 质 含 有 粉 质 秸 土 地 层， 颗 粒 直 径 小 于20  µm，泥水分离系统是无法处理的，易造成泥浆比重 上升，携渣能力减弱，从而使渣土堆积在开挖仓内，增 加刀盘刀具摩擦面积和摩擦力，因此额外增加压滤设 备对泥浆进行秸土分离，确保了泥浆的相关指标，保证 了环流携渣能力［10］ 。


4.3.3  凤井回填处理方法
       经过推算，该工程盾构穿越风井时，风井主体结构（ 设计为两层） 只能完成底层的施工任务，且风井距离 军河较近，施工降水困难，盾构到达风井后需长时间停 机，施工风险巨大，决定对风井采用先回填处理，待盾 构通过后再恢复的方案。  此方案最终导致盾构需长距 离掘进，而风井围护结构与回填材料将可能加剧盾构 刀盘和刀具的磨损。
       为减小风井围护结构与回填材料对刀盘刀具的影 响，综合风井施工中的降水风险，决定对风井围护结构 采用边凿除边回填的方式，并确定回填材料为塑性水 泥砂浆，将整个风井回填材料最高强度控制到 5  MPa 以内［11］ 。


5   施工效果
       以上刀盘刀具等设计及施工技术保障措施满足了 盾构在长距离砂卵石穿河施工中不换刀要求。  整个隧 道贯通后，发现刀盘整体结构良好，周圈磨损约 2  mm（ 面板耐磨网格），刀具磨损比较严重，贝壳刀最大磨损 量达 10  cm（ 属于完全报废状态），周边刮刀部分刀座 由于刀具布置轨迹未全断面覆盖而磨损（ 见图 3）。

5.1  施工安全和进度
       该区间不换刀技术的实现，不但为正常掘进提供 了更多有效时间，达到日掘进记录 21 环（25.2  m） ，实 现不足 6 个月时间完成单线隧道贯通的目标，同时还 消除了带压进仓换刀的重大风险，实现安全和进度的 双丰收。
 
5.2  经济效果
       按照以往沈阳泥水盾构在砂卵石地层穿河施工过 程中的经验，至少需进行 5 次带压换刀方能实现该长度的区间贯通，每次带压进仓换刀至少耗时 5  d，每次带压 进仓费用（含泥浆护壁、刀具、带压换刀劳务及工期延误等费用）不低于 60 万元，间接节约资金约 300 万元。
 

6 结语
       从以上盾构施工不换刀技术措施来看，提前做好 盾构刀盘刀具设计优化和配套施工技术辅助措施，将 为实际施工带来巨大的安全、进度和经济效益。


收稿日期， 2017 01 21 修回日期， 2017 02 28
作者简介， 贾会森，男，大学本科，工程师，主要从事城市轨道交通盾构施工管理工作，278819903@qq com