太原地铁盾构施工刀盘地质适应性分析

刘 建 文

(山西省太原市市政池渠设施管理处，山西 太原 030012)

0 引言

为了缓解太原市交通运输压力，太原地铁一号线一期工程于2018年3月正式开工建设，预计2023年建成运营。太原地铁一号线全线采用地下盾构施工技术，最大程度降低对地面交通的影响和干扰，且盾构机在地下运行，同明挖法等施工方式相比施工噪声低，工程振动影响较小，具备高效、快速、质量稳定的优势。刀盘结构是盾构机的核心部件之一，是盾构机推进过程中开挖、破碎岩层、加固掌子面并搅拌粉碎渣的主要工具，因此，刀盘在施工过程中的地质适应性直接决定了施工效率和质量，也直接影响刀盘使用寿命，一旦刀盘与地质力学参数不匹配非但不能正常施工，如遇地质岩层硬度过大，将导致刀盘严重磨损甚至断裂，造成严重的经济损失。本文以太原地铁一号线盾构施工为研究案例，就盾构刀盘的地质适应性进行分析，为后续的地铁盾构施工提供参考和借鉴。

1 太原地铁一号线工程地质特点分析

太原地铁一号线，东西向横跨汾河，衔接迎泽区商圈和武宿机场南站等交通枢纽，是太原火车站和南站的重要交通联络线，与在建的二号线共同组成“力”字型地铁线路骨架。线路西起西山矿务局，东至武宿机场，全线里程28.95 km，地下部分21.49 km，地上7.7 km。地下隧道埋深介于9.5 m～10.5 m之间，线路呈L形分布，以直线平交为主要路线布置形式。施工区间高层建筑分布密集，穿越人流密集商业区，地下既有管线线路众多，路上交通量较大。埋深隧道底板位于中砂层以上，仅有少部分底板位于粉砂土层以上。盾构机施工截面穿越的地层主要为质密的中砂层和质地稍密的粉砂层，分析地质勘察报告可知，部分区间层间分布有含水层，且含水层渗透系数较高，平均值为55 m/d，属于中强透水层。其水含量丰富主要与横穿汾河河道相关。总体分析，一号线全线地质结构稳定，除部分区间稳定性欠佳，且渗透性高，存在一定的透水、沉降等事故风险；此外，在盾构掘进过程中，由于地下水利管网密集，存在废弃的水井，存在一定的管涌和流砂风险。

2 原有盾构机刀盘存在的问题分析

经过前期试掘进过程可看出，前期使用的刀盘及道具构造不适用于中砂岩层掘进。主要不匹配出现在盾构机刀盘的开口率不足，由于岩层土体的流塑性较低，流塑性较低是砂土的典型特点，导致岩层土体不能顺利通过刀盘进入土仓内，由于进土效率较低，导致盾构机掘进过程中的出土率不足，前方待盾构土体承压过大。由于压力影响，导致盾构机刀盘与前方土体的挤压力持续增加，若不在土体中添加润滑料，将导致刀盘扭转力矩增加，一旦超过设备扭矩上限，将出现严重的“卡顿”问题，严重情况下将直接停机，且经挤压后的土体形成“饼状”物。在盾构施工过程中，为了保证盾构刀盘前端土体的疏松性，一般在刀盘结构上加设搅拌棒，搅拌棒设置数量为三套，长度均为500 mm，搅拌棒直径为250 mm，三套主动式搅拌棒的运行轨迹为同心圆。这种分布及轨迹形式不太适用于砂土层掘进施工，尤其是盾构刀盘截面底部的碎渣土不能及时搅拌清理，导致底部渣土日益密实，最终影响出渣效率，增加了渣土成饼的几率。上述施工问题在跨汾河盾构施工过程中最为常见。

3 改造后盾构机刀盘地质适应性分析

3.1 盾构刀盘结构改造

根据具体的地质条件及相关特点，对盾构机刀盘结构进行了改进，将刀盘结构改为面板、辐条复合式刀盘结构，且刀盘的开口形式为对称分布的长条孔形，且刀盘开口临近刀盘中心，便于中心位置的岩层碎渣清理。刀盘的开口率主要取决于安装的刀具类型，全部采用硬质岩时，且对应的开口率为30%；其中刀盘表面分布有六块面板，且至少1/2比例的板面焊接搅拌棒设备。为了在提高刀盘开口率的前提下还能够保证刀盘主体结构的强度，对其余未安装搅拌棒的面板进行分割，以提高整体的开口率。在刀盘开口位置增加加劲肋。经过模拟试算及工程实践表明，改造后的刀盘结构满足施工工况。改造后的刀盘结构见图1。

3.2 刀盘搅拌棒改造分析

由于原有盾构机刀盘结构的背面分布有三套轨迹为同心圆的搅拌设备，由于搅拌棒工作的局限性，导致刀盘底部的岩层碎屑难以及时清理，进而增加了岩层碎屑成为“泥饼”的可能性。为了进一步改善刀盘搅拌棒的搅拌效率，可以在原有刀盘背面加设两套主式搅拌棒，且搅拌棒的焊接位置分布在两根对称的辐条结构上。其中一根后加搅拌棒的运行轨迹必须保证距离土仓底部150 mm，另外一套后加主动搅拌棒的轨迹分布距离应与土仓底部距离为500 mm,主动式的搅拌棒制造材料为圆柱形锰钢。为了降低锰钢主动式搅拌棒的磨损情况，必须在搅拌棒的表面增设耐磨焊接条或者增设耐磨花纹。增加主动式搅拌棒后，在设备掘进过程中，必须将对应的螺旋机绑定在固定区域，并进一步稳固螺旋伸缩设备，防止主动式搅拌棒触及螺旋杆。通过搅拌棒改造后，能够保证主动式搅拌棒充分搅拌岩层及土仓内的碎屑，确保盾构后的土体始终处于疏松状态，确保出渣率。搅拌棒加设情况具体如图2所示。

3.3 盾构机刀盘中心区域刀盘改造分析

为了通过盾构机刀盘中心区域的工作效率，可以在刀盘中心部位安装鱼尾型刀片，在盾构开挖前，中心区域的鱼尾型刀片率先触及盾构截面，通过定位盾构实现了开挖前的精准定位，从一定程度上降低了由于盾构机整体波动引起的盾构土体扰动，减小了由于盾构施工作用影响下的地面不均匀沉降。除此以外，在盾构机中心区域配套中心鱼尾刀盘，能够最大程度缓解盾构后碎渣结块成饼的情况出现，通过工程实践发现，在盾构机刀盘的中心区域是最容易出现“泥饼”现象的区域。在鱼尾刀盘设置过程中，应处理好以下技术部分。

1)通过盾构机设备对待盾构土体进行分层分布盾构切削，并充分利用好鱼尾刀，先切削中心区域的圆柱形土体，再进一步扩大至全截面切削，即将鱼尾刀设计与其他切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体。

2)将前端的盾构机鱼尾型刀盘端部设计成锥形，能够保证刀盘结构在旋转过程中鱼尾刀盘优先切削土体，确保在截面切向及截面径向方向实现翻转运动，这样分布既可以解决盾构截面中心土体的切削不到位问题，还能进一步改善中心区域土体的切削土体流动性，保证断面整体的盾构施工效果和质量。

4 刀盘改造后的地质适应性总结

表1 刀盘改造参数

通过刀盘改造后，经多次调整后，对盾构土进行改良，并选取了若干施工参数进行对比。经过多次设备优化，建议确定的盾构机推进力为13 000 kN，盾构机刀盘转速为1.3 rpm～1.5 rpm，推进速率为25 cm/min左右，保证渣土流畅出土，且出土温度介于24 ℃～27 ℃之间，保证施工区域地表沉陷处于可控范围内。表1为某标段盾构刀盘改造后推进相关参数。