针对软土地层基岩凸起大直径盾构刀盘选型分析

张开猛

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000）

1 工程概述

1.1 工程概况

某道路提升改造工程是杭州市区规划的双向4 车道城市快速路，隧道内设计时速为80km/h。02 标盾构隧道段从东端3#工作井始发，沿某道路向西依次穿越密渡桥路、湖墅路、古新河、地铁2 号线（下穿）、莫干山路、马塍路、西溪河、保俶路到达2#工作井接收。南、北线隧道长度均为1743m，线路平面最小曲线半径为R35000m，竖曲线半径R4200m，最大坡度40‰。盾构始发端覆土厚度为6m，接收端覆土厚度为13m，隧道最大覆土厚度为24m。

1.2 工程地质

盾构隧道依次穿越地层主要为：④1淤泥质黏土、④2淤泥质粉质粘土夹粉土、⑤1粉质黏土、⑥1淤泥质黏土、⑥2黏土、⑦1黏土、⑦4含黏性土砾砂、⑧2黏土、⑨1含砂粉质粘土、⑨2粉砂、⑩1黏土、⑯1含砾粉质粘土、⑳1全风化晶屑玻屑凝灰岩、⑳2强风化晶屑玻屑凝灰岩、⑳3中等风化晶屑玻屑凝灰岩、1全风化凝灰岩等。主要地质特性如下：

④1层淤泥质黏土：流塑、无摇振反应、韧性和干强度高。该层性质差，高压缩性。

④2层淤泥质粉质黏土夹粉土：流塑、薄层状、层间夹较多粉土、粉砂薄层、条带，含量约占20%。

⑥1层淤泥质黏土：流塑、无摇振反应、韧性和干强度高。该层性质差，高压缩性。

⑥2层黏土：流塑、局部软塑，无摇振反应，干强度和韧性高。该层性质差，高压缩性。

⑦1层粉质黏土：可塑-硬可塑，韧性和干强度高。该层性质较好，中压缩性。

⑨1层含砂粉质黏土：硬可塑为主，厚层状，含较多粉砂，局部夹少量砾石，砂砾含量约占15%～20%，分布不均匀，局部砂土夹层状富集，干强度中等，韧性中等。该层性质较好，中压缩性。

⑳3 中等风化晶屑玻屑凝灰岩：饱和单轴抗压强度值在42.7 ～110.7MPa 之间，平均值为60.7MPa，岩体较完整。南线约550m 的长度存在⑳3 上软下硬地层，进入隧道断面最大高度10.5m。北线约380m 存在⑳3 上软下硬地层，进入隧道断面最大高度5.2m。

2 工程难点分析

（1）浅覆土软弱地层掘进、下穿建构筑物，地表沉降控制困难、盾构姿态控制要求高。隧道顶部覆土6 ～24m，始发段覆土厚度为6m，接收段覆土厚度为13m。顶部主要为④2 淤泥质黏土地层，下穿地铁2 号线、古新河、西溪河，沿线两侧建构筑物密集。

（2）上软下硬、高强度岩石地层掘进，可能存在刀具异常损坏、轴承偏载、异常磨损等问题。北线约380m、南线约550m 长度范围内存在中等风化晶屑玻屑凝灰岩基岩凸起，饱和单轴抗压强度值在42.7 ～110.7MPa。

（3）粉质粘土、淤泥质粘土地层掘进，存在黏土块滞排、泥水分离困难、刀盘结泥饼问题。④1、④2、⑥2 层淤泥质粘土为流塑状，⑦1、⑨1、⑩1 层粉质粘土为硬可塑为主。

3 盾构针对性设计

3.1 刀盘设计

刀盘结构设计采用8 主梁+8 面板复合形式，满足足够的刚性强度，同时需考虑刀具合理布置、渣土在仓内的易流动、易排渣。设计方案见图1，刀盘参数见表1。

图1 刀盘设计

3.2 刀盘刀具配置

（1）刀盘中心设计18 寸滚刀和正面设计20 寸滚刀（滚刀可与撕裂刀、羊角刀互换），可增加滚刀的耐冲击性、耐磨性、更易启动。（2）刀盘正面采用90mm 的较小刀间距设计，周边弧形区域每个轨迹布置2 个刀刃，可提高边源区刀具掘进距离；在正面半径3040mm 以外的滚刀轨迹上向周边布置焊接撕裂刀，保护刀盘结构。（3）在刀盘周边分2 层高差10mm 布置24 把保径刀，增强刀盘保径能力；配置普通超挖刀和滚刀超挖刀各1 把，在需要时满足扩挖需求。

表1 刀盘参数表

3.3 刀盘耐磨及检测

（1）刀盘面板无刀孔区域采用耐磨复合钢板全覆盖，大圆环外侧为合金块加高铬高锰耐磨钢板，大圆环后端面焊接耐磨复合钢板。（2）设置面板磨损监测、刮刀液压式磨损检测传感器对面板和刀具状态进行实时监测，设置滚刀旋转检测传感器，可以监测滚刀在软土地层中掘进是否旋转。

3.4 滚刀选型

区间掘进先后进入软土层、砂砾层、强风化软岩层、中风化硬岩等地层。推进过程中滚刀极易因软土地层不转偏磨、基岩突起段受到强力撞击而损坏。结合滚刀的破岩机理及刀具形式，采用剃度硬度重型光面刀圈、重型加密扁齿刀圈两种刀具配置方案：

（1）方案一：剃度硬度重型光面刀圈。①采用刃厚22mm 圆顶重型刀圈，R8 或者R9 圆弧过渡。刃口截面为斜度不大的梯形,其截面近似于等截面。刀圈在磨损过程中，其宽度及与岩石接触面积变化不大，对推进力的增加和贯入度的影响较小，可以同时兼顾破岩与耐磨性。②采用剃度硬度刀圈，其冲击功相比整体硬度刀圈可提高一倍，可以增强刀圈抗冲击能力。

表2 重型扁齿滚刀与光面滚刀对比案例分析

（2）方案二：重型加密扁齿刀圈。①采用刃厚22mm 刀圈镶入扁齿合金、WC 颗粒熔敷焊耐磨焊层可增大摩擦阻力，对于软土地层易启动，降低偏磨风险。②合金截面形状为楔形、尺寸为φ22×40mm，合金齿埋深为36mm，埋深大不易掉齿，提高合金齿的抗撞击能力，对于硬岩地层刀具切入掌子面时的阻力小，利于连续破岩；③加密重型镶齿刀圈合金数量比不加密重型镶齿刀圈增加约10 颗，合金间隙减小，中碳高合金结构钢刀圈材质为普通光圈韧性的6 ～10 倍，耐磨性大大增强。

（3）重型扁齿滚刀与光面滚刀对比案例分析。

（4）滚刀选型建议。重型加密扁齿滚刀的耐磨性、刀圈抗冲击能力、启动能力都优于光面刀圈滚刀，在其他相似复杂岩层、中微风化砂岩层、中风化石灰岩层及软硬不均的破碎岩层中使用效果良好。延长刀具的使用寿命长，可减少区间换刀次数，建议此区间使用重型加密扁齿滚刀。

3.5 刀盘泥饼处理措施

刀盘开口率31%，中心开口较大便于渣土流动；在刀盘背部中心旋转接头冲刷口，配置P0.1 泥浆泵冲刷系统，最大冲刷流量1000m³/h，可对刀盘中心、背部进行冲刷防止渣土堆积和结泥饼。

4 下一步工程应用

在施工过程中进行掘进参数、刀具磨损检测数据的统计和分析，结合不同地质性能指标进行参数的合理优化。根据盾构隧道地质、现有地面道路条件以及刀具磨损检测数据情况，在掘进过程中预先拟定停机检查刀具位置，避免刀盘、刀具的异常磨损影响施工。