富水砂卵石地层盾构刀具配置探讨

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1、富水砂卵石地层盾构刀具配置探讨段浩1李博2（1.中煤邯郸中原建设监理咨询有限公司河北邯郸056031；2.西南科技大学四川绵阳621000）摘要：成都属富水砂卵石地层，盾构施工难度大，刀具磨损情况严重，一直是制约地铁施工进度的一大难点，而盾构刀具的配置决定了地铁开挖速度。本文根据成都地铁几种刀具配置实例，通过技术经济等方面比较，得出适合成都地层的刀具配置情况。关键词：盾构刀盘刀具配置开口率1引言成都地质条件以高富水、高含量卵砾石著称，使用何种配置的盾构刀具更能适合成都这种地质，一直是大家争论和研究的焦点。根据成都地铁1号线施工过程中存在刀盘消耗成本大、换刀困难、地表易坍塌及刀盘和

2、螺旋输送机磨损严重等实际问题，分析盾构设备的优缺点，提出将刀盘的开口率增大、螺旋输送机由轴式改变为带式、对卵石的处理方式由破碎为主变为排出为主，可以大大降低刀具成本，同时刀盘和前盾进行适当改动，解决换刀困难和地表易坍塌的问题。改进后的盾构可以有效提高盾构施工进度，加速成都地铁建设。2成都地质条件成都地铁主要穿越砂卵石地层，粒径30～100mm的颗粒的卵石含量约65～75%，粒径100～130mm的大约占10%。地层岩体松散，无胶结，自稳能力差，单个石块强度高，卵石块在地层中起骨架作用。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，颗粒之间的空隙大，没有粘聚力，砂卵石地层在无水状态下，颗粒

3、之间点对点传力，地层反应灵敏。地层很易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。成都的地层富水，成都地下水枯水期埋深一般在3-5m之间，丰水期埋深一般在1-3m之间，最小埋深为0.2m。据成都前期基坑施工经验，在开挖之前进行降水之后的开挖，基坑壁自立性较好，而且由于卵石的骨架作用，降水引起的变形相对较小。但在地下水的情况下，盾构在掘进过程中，局部水压会很大，会对盾构造成一定的影响，特别是开挖面的稳定。砂卵石地层，围岩体整体强度较低，但单个岩块块体强度非常高。3盾构施工过程中刀具存在的问题成都地铁施工选用的盾构为海瑞克生产的泥水平衡盾构机和土压平衡盾构机

4、两种型式，这两种型式盾构机刀盘面板结构及刀具配置基本相同。结合成都地铁施工实例，盾构机刀具主要存在以下问题：（1）刀具磨损严重（见图2）：砂卵石地层磨啄性大，同时还存在包裹性大的问题，造成对滚刀、齿刀刀具磨损和刀盘的严重磨损；图1典型刀具磨损情况（2）刀具磨损需要频繁换刀，换刀作业给盾构施工带来了很大的问题，特别是换刀时的换刀地点的选择，换刀方式的选择，换刀时的加固措施。使得换刀人员的安全风险高，降低施工效率，增加施工成本。（3）刀盘中心的四幅臂结构存在着渣土流动不畅，在地质变化含泥量较大的情况下存在着易结泥饼的问题；（4）砂卵石地层即使在降水的条件下，当刀盘搅动时也存在着自稳性

5、差，拱顶部塌落严重的问题，这就给更换刀具造成了困难；（5）刀盘严重磨损（见图3）；图2刀盘磨损情况（6）清仓时，需在刀盘开口处焊接挡板，但挡板一转刀盘极易脱离。4刀具磨损情况成都地铁开工至今，已成功进行多次换刀作业，本文仅选取几次具有代表性的换刀情况进行说明。盾构始发时刀具配置情况：刀盘为面板形结构（见图1），焊有Hards400耐磨钢板，开挖直径Φ6.28m，开口率28%，刀盘开口能通过的卵砾石粒径240mm，8个泡沬（膨润土）喷口；配有32把单刃滚刀、4把双刃中心刀、28把正面铲刀、8把边部刮刀，刀盘最大扭矩5980kN·m，刀盘脱困扭矩7150kN·m。盾构始发至第一次换刀

6、，实际掘进距离103m。图3刀盘正面结构图4现有刀具配置情况（1）在YDK8+407换刀。从刀具检查及换刀情况看，刮刀磨损量小，滚刀磨损量大，其中刀盘中心位置及刀盘外圈刀具磨损严重，最大磨损量达15mm，部分滚刀严重偏磨，呈七棱角状。从此次磨损情况可以看出，在砂卵地层中，刀具普遍磨损严重，一般掘进150m左右就需更换一次刀具；滚刀主要功能为破除卵石，磨损严重；部分滚刀安装后，不能转动，或受大粒径卵石影响，产生偏磨；在砂卵地层中，刮刀主要作用为刮落滚刀松散后的土体，磨损量较小。此次换刀作业后实际掘进距离144m，并未更改刀具布置，只是将磨损严重刀具进行了更换。（2）在YDK8+55

7、0换刀。此次换刀时共有10把边滚刀发生偏磨，其中6把磨损严重，整把刀基本报废。中心滚刀大部分均为均磨。刮刀磨损也比较严重，刮刀耐磨层全部磨光，16把刮刀全部报废。上次更换的中心双刃齿刀的耐磨层已经全部磨完。刀盘背板磨损严重，平均磨损量达40mm，整盘滚刀刀鼓磨损严重。此次换刀作业后实际掘进距离220m，更换了磨损量大于8mm和发生偏磨的刀具，在中心双刃齿刀加焊耐磨焊条，将其中四把单刃滚刀分别更换成两把双刃滚刀和两把正面齿刀。（3）盾构掘进220.3m后，在YDK14+077处换刀