高水压大直径盾构隧道刀盘配置与刀具更换关键技术

2020-08-01 03:02苏秀婷

隧道建设(中英文) 2020年7期

陈健，薛峰，苏秀婷,陆瑶，刘涛

(1.中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛 266100；2.中铁十四局集团有限公司，山东济南 250014)

0 引言

随着“一带一路”倡议、基础设施建设和路网规划需要，穿江越海水下隧道建设日趋增多，经验日渐成熟。相较于其他施工方法，水下大盾构隧道以其安全、高效等优势已成为水系发达地区交通建设的首选方案[1]。

进入21世纪，一大批水下大盾构隧道的建成与运营，将水下盾构隧道的修建技术推向了又一个高潮。从已建设完成及拟建的大直径盾构隧道来看，盾构隧道的发展主要呈现以下5个方面的特点。1)大断面化，香港屯门隧道[2]盾构直径已达17.6 m。2)大深度化，美国米德湖引水隧道[3]从180 m深的竖井始发，最高水压达到了1.5 MPa，创造了新的世界纪录。3)长距离化，与陆地不同，在无法设置竖井的穿江越海区域，盾构一次掘进距离显著增加。4)断面的多样化，断面利用更加高效。5)高智能化，盾构技术整体呈现更加智能化的趋势。目前，盾构隧道可以用“深”、“大”、“长”、“高”、“广”5个字描述。围绕埋深大、大断面、掘进距离长、高水压、复杂地层等特点、难点，实现了多种地质复合情况下的隧道快速施工，多项关键技术成功应用于公路、铁路、城市轨道交通、给排水、管廊等各个领域。国内外典型大直径盾构隧道工程如表1所示。

表1 国内外典型大直径盾构隧道工程Table 1 Typical large-diameter shield tunnels in China and abroad

水下大直径盾构修建的同时，也出现了大量技术难题，但前人多数研究都是针对单一隧道进行的，并没有系统地对相关技术进行总结。本文结合国内典型水下隧道工程，系统地总结了大直径水下盾构隧道施工的若干关键技术，包括：1)不同地层刀盘刀具的配置问题，如高磨蚀-密实砂卵石地层刀具磨损问题、高黏性地层结泥饼问题及土岩复合地层硬岩掘进等；2)不稳定地层中的常压刀盘刀具更换技术；3)高水压地层的带压开舱换刀技术等。

1 盾构刀盘刀具适应性配置技术

盾构刀具主要起刮松、剥离、引导土体进入土舱的作用，被称为盾构的“牙齿”。随着隧道建设的推进，盾构穿越的地质条件越来越复杂(见表2)，刀具的磨耗、破损已成为困扰盾构施工的难题。盾构刀具的更换像是“拔牙—镶牙手术”，正确配置、及时更换才能使盾构更高效地掘进。

表2 盾构穿越不同地层典型工程Table 2 Strata conditions of typical shield projects

1.1 不同地层刀具切削机制分析

刮刀切削不同地层土体时呈现4种不同的流动状态[13-14]，分别为流水型、剪切型、断裂型和剥落型(见图1)。

(a) 流水型 (b) 剪切型

在高磨蚀-密实砂卵石地层，石英砂等磨蚀性矿物含量较高，极易磨损刀盘刀具，需要经常开舱换刀；且在高磨蚀地层掘进时，刀具一般表现为非正常磨损，大粒径卵石的剥落会直接撞击刮刀刀体，使其合金崩裂(见图2)，磨损量也将大大提高[15]。

图2 卵石坠落导致合金受冲击破坏Fig.2 Impact damage of alloy caused by pebble falling

在上软下硬的土岩复合地层中，主要通过滚刀破碎岩石，刀具配置不当极有可能造成刀圈崩裂和滚刀过度磨损(见图3)等情况。滚刀的磨损原因主要为：1)岩层中岩石的强度高，对刀具受力性能要求极高时，滚刀磨损量明显加大；2)刮刀遇硬岩出现磨损、崩裂甚至脱落，导致滚刀破岩以后不能及时将碎岩正常刮落，无法起到辅助并保护滚刀的作用；3)崩落的刮刀刀具及断裂的滚刀刀圈、刀体等残体在刀盘前方及土舱内反复搅动，不能及时排出，对滚刀造成了很大的撞击、挤压、摩擦作用等。

图3 刀具磨损Fig.3 Cutter wearing

1.2 高磨蚀-密实砂卵石地层刀具配置技术

1.2.1 刀具配置面临的问题

南京长江隧道工程采用2台φ14.93 m泥水加压平衡盾构掘进，刀盘采用辐条-面板式结构，配用6根主幅臂和6根副辐条臂，开口率约35%，侧面宽0.48 m，原配置刀具由189把刮刀(包括118把固定刀和71把常压可更换刀)、16把先行刀、6对周边大铲刀、6对小铲刀和2把仿形刀组成，刮刀高出面板200 mm，先行刀高出面板250 mm。刀盘结构如图4所示。

图4 南京长江隧道刀盘结构Fig.4 Cutterhead structure of Nanjing Yangtze River tunnel

南京长江隧道盾构穿越高磨蚀-密实砂卵石地层，穿越地层石英质量分数极大(约占35%)。盾构既有刀盘刀具在部分断面砾砂层中掘进约270 m后出现刀盘及周边刀严重磨损、刀具合金大面积脱落失效等现象，平均每50 m就需开舱换刀1次，增加了换刀风险。

对南京长江隧道盾构刮刀的失效进行统计后(见表3)不难发现，初装刮刀在掘进过程中，出现了不同程度的合金崩裂、槽内翻转、整体脱落等。类比国内外砾砂-砂卵石地层盾构刀盘刀具掘进情况可知，原刀盘刀具设计并不适应当前地层。

表3 南京长江隧道刮刀失效统计Table 3 Scraper failure statistics of Nanjing Yangtze River tunnel 把

1.2.2 刀盘存在的问题及优化措施

本工程刀盘原配置先行刀，仅在刀体中部镶嵌3排合金柱，两侧刀体磨损后合金柱脱落，导致刀体整体进一步磨损，完全不适应砾砂地层严重磨损特性。实际工程中，先行刀刀头整个上部完全磨损，根据堆焊痕迹估计磨损约90 mm，剩余高度约165 mm，低于刮刀高度，完全失效(在部分断面砾砂层中掘进不到300 m)。因此在先行刀两侧增加合金柱保护设置(如图5所示)，以减少刀具磨损。

图5 先行刀改进示意图Fig.5 Improvement of advance cutter

另外，工程所采用刮刀由于合金截面过小，头部过于尖锐，易受碰撞崩裂[16]。因此将合金布置及尺寸均针对砂卵石地层易撞易损的特性进行了改进。总体思路为：减小前角加大后角、增大合金、钝化刀刃，改进后工程效果、刀具磨损情况大大改善，盾构换刀的距离提升到了300 m。周边刮刀改进如图6所示，可更换刮刀的优化改进如图7所示。

1.3 高黏性地层刀具配置技术

1.3.1 刀盘配置面临的问题

盾构刀盘结泥饼是盾构在硬塑黏土、粉质黏土、强风化泥岩等地层中掘进时经常遇到的工程难题。因高黏性地层具有颗粒细、黏度高的特点，在该类型地层中首先要考虑的问题是如何对盾构刀盘进行改造以防止盾构刀盘结泥饼。

扬州瘦西湖隧道所经过的地层黏粉粒总量高于90%，呈现中等膨胀性，是典型的高黏性地层。计划使用为南京长江隧道工程设计的盾构进行掘进施工，因2个工程项目的地层差异较大，需对盾构进行适应性改造。

1.3.2 刀盘配置优化措施

面对高黏性地层的特点，改造前的中心刀为柱形刀具(见图8(a))，渣土极易附着在刀具之间，形成泥饼。改造后为一体式的鱼尾刀，高出刮刀切削面210 mm，可提前松动土体，增加其流动性(见图8(b))。

(a) 原刀盘配置周边刮刀横截面

(b) 改进后周边刮刀横截面图6 周边刮刀改进示意图(单位：mm)Fig.6 Schematic diagram of peripheral scraper improvement (unit:mm)

(a) 原装刮刀 (b) 优化改进刮刀图7 可更换刮刀优化改进Fig.7 Optimization improvement of replaceable scraper

(a) 改造前的中心刀 (b) 改造后的中心刀图8 改造前、后的中心刀Fig.8 Modification of centre cutter

为解决结泥饼问题，扬州瘦西湖隧道盾构刀盘还采用了增加流量分配系统的方案。在不改造盾构中心回转接头和冲刷流量的前提下，对刀盘冲刷系统进行了改造，采用分时、分步冲刷，刀盘喷口位置如图9所示。选取DN20管道作为喷口直径并开展现场试验，通过高压冲刷与切削作用，可有效使大黏土块变小，解决了高黏性地层泥水盾构刀盘结泥饼的技术难题，且利于泥浆携带。

图9 刀盘喷口位置Fig.9 Nozzle position of cutter

1.4 土岩复合地层盾构刀具配置技术

1.4.1 刀盘配置面临的问题

盾构在高水压土岩复合地层掘进时，面临姿态控制难度大、掘进速度缓慢、刀具磨损严重等多重困难，是目前遇到的最大挑战之一。

武汉地铁8号线穿越地质包括全断面粉细砂层、粉细砂与胶结砾岩地层组成的上软下硬地层等，属于典型的土岩复合地层[17]。因此，既要防止刀盘结泥饼，又要考虑刀具的破岩能力，给盾构刀盘刀具的设计带来了不小的挑战。

1.4.2 刀盘配置优化措施

在南京地铁10号线盾构刀盘设计的基础上，针对高水压条件下土岩复合地层，武汉地铁8号线盾构刀盘配置1/3的常压更换刀具。刀具共347把，采用贝壳型先行刀和刮刀搭配的综合刀具配置体系，其中，可更换先行刀8把、可更换刮刀43把、中心可更换刀10把、固定先行刀8把、固定刮刀123把、边缘刮刀12套(共78把)。刀盘外圈4.5 m高度区域内布置15把常压更换双刃滚刀。刀盘结构如图10所示。各种刀具的高差配置为：滚刀225 mm、刮刀185 mm、先行刀225 mm(固定式205 mm)、滚刀(先行刀)与刮刀的高差为40 mm，有效地避免了刮刀直接与硬岩接触，同时高度差较大，也能保证在磨损较小的情况下仍然避免刮刀与硬岩接触，保证了刮刀的寿命。

图10 武汉地铁8号线刀盘结构图Fig.10 Diagram of shield cutterhead structure used in Wuhan Metro Line 8

2 不稳定地层常压刀盘刀具更换技术

盾构在地层中施工掘进时，刀具的更换是不可避免的。目前高水压大直径盾构隧道刀具更换主要有2种类型：常压刀盘换刀和带压开舱换刀。带压换刀风险高，进度慢，且对人体危害较大[18]。常压刀盘换刀所需的工作空间较大，一般运用在直径12 m以上盾构中。

2.1 丝杠顶推法换刀技术

南京长江隧道盾构刀盘有72把齿刀可进行常压更换，可更换的刀具主要由刀齿、刀座、固定螺栓、刀腔和闸门等组成(见图11)。刀齿和刀座通过固定螺栓连接为整体，固定在刀腔内，刀腔焊接在刀盘上，利于专用螺杆使刀齿和刀座沿刀具轴线方向在刀腔内前后移动。

图11 可更换刀具结构Fig.11 Replaceable cutter structure

盾构掘进期间，刀齿和刀座被推到最前端并固定，此时，刀齿伸出刀盘切削掌子面；检查和更换时，刀齿和刀座整体缩回至位于刀具前端的闸门后部。关闭闸门后，闸门的前部与开挖舱联通为高压腔，闸门的后部与刀盘辐条联通为常压腔，此时，在常压下进行刀齿的检查、更换工作。

采用常压刀盘换刀时，核心是利用丝杠顶推的方法实现常压刮刀的更换，即刀具刀腔抽出及安装是通过2根导向螺栓实现的[19]。第1代丝杠顶推法刀具更换流程见图12。然而在实际施工过程中，由于导向杆过于单薄，当遇到冲击时，端头限位装置极易损坏，导向螺栓也易疲劳破坏且该项技术所需换刀空间较大，有必要进行改进。

2.2 小空间换刀技术

南京地铁10号线掘进时，曾遇到需要在较小的空间里完成换刀的挑战。为解决这一难题，该工程应用了高水压条件下泥水盾构(11 m级)小空间常压刀盘换刀装置及配套技术，突破了高水压条件下小空间泥水盾构常压刀具更换难题，实现了小空间常压刮刀更换技术[20](见图13)。

(a) 安装导向杆 (b) 拆除固定螺栓

(c) 退出刀具 (d) 关闭闸门、更换新刀图12 第1代丝杠顶推法刀具更换流程Fig.12 Technical process of first generation of cutter replacement by screw incremental launching method

(a) 安装换刀装置 (b) 松开刀具

该技术在第1代更换刀具技术的基础上，进行了大量改进。首先，取消导向螺杆的设计，改用更安全的油缸顶推设计；其次，改进了刀头的固定方式和安装方式，设置了定位销适配孔的设计，并重新设计了和换刀套筒相配套的换刀用多级油缸，大大提高工效。

改进后，刀盘由5个主刀臂和5个辅臂组成，其中，主刀臂采用空心体形式。根据刀盘刀具分布位置不同，30把先行刀和42把刮刀的刀座采用背装式。背装式刀具刀腔内设置闸板，人员可在常压下通过刀盘中心体直接进入主刀臂内，完成常压更换刀具。

2.3 整体套筒换刀技术

常压刀盘换刀技术在武汉地铁8号线中又得到了进一步改进。为降低换刀风险，提高换刀效率，采用了第3代整体套筒常压刀盘换刀技术。

为解决高水压条件下土岩复合地层和硬岩盾构掘进施工难题，该工程采用了配备滚刀、齿刀互换技术的刀盘[17]。即在上软下硬复合地层采用滚刀、先行刀、刮刀配合开挖，在全断面软土地层更换所有滚刀为单刃或双刃齿刀(刀高与先行刀一致)，采用齿刀、先行刀、刮刀配合开挖，如图14所示。

图14 滚齿互换技术Fig.14 Interchange technology of disc cutter and serrated cutter

该技术的成功运用大大提高了大直径泥水盾构的掘进效率，合理换用滚刀和齿刀增加了刀具的使用寿命，节约了换刀成本。

常压滚刀、齿刀互换时首先将盾构停机，将刀盘转动到指定位置，并用新制泥浆置换泥水舱中的渣土。换刀过程主要分为刀筒的拆卸和安装。盾构刀盘采用特定的类型——常压进舱式刀盘，利用刀具刀腔前后两端的闸门实现泥水舱高压区域和刀盘中心常压区域的联通和隔离。施工人员可以进入到刀盘中心的中空区域，再经过联通—半抽出—隔离—泄压—抽出等一系列操作后，将抽出的刀筒放置在常压区域进行滚刀和齿刀的磨损检测和更换。

第3代整体套筒换刀流程如图15所示，需要用到的辅助工具有：刀筒托架、刀筒套箍、伸缩油缸、油缸支架、内六角螺栓和压力表。

整体套筒常压刀盘换刀技术适用于复杂的地层环境，可以针对不同地质条件及时选择相应的刀具配置，从而确保盾构掘进的高效率和刀具的低磨损。

3 高水压-强透水地层带压开舱技术

穿江越海盾构隧道中，当盾构停机时，常位于高水压(>0.5 MPa)、强透水(渗透系数>10-2cm/s)的复杂地层，并不具备常压开舱施工条件,无法避免带压进舱作业。带压换刀风险高、进度慢，且对人的健康危害较大[18]。

带压进舱作业可以分为常规压缩空气作业和饱和潜水带压进舱作业2种。前者适用于深度不大、压力不太高、作业时间不太长的条件，后者适用于大深度、高气压、长时间作业的条件。

3.1 常规压缩空气带压进舱作业

南京长江隧道是我国较早采用常规压缩空气开舱-带压换刀技术的典型工程。盾构掘进至江底53.25 m处时，出现刀盘、刀具严重磨损无法继续掘进的情况[21]。

(a) 伸出油缸，松开刀筒螺栓 (b) 收回油缸 (c) 关闭闸门

(d) 将油缸完全收回 (e) 拆除油缸支架 (f) 更换刀具图15 第3代整体套筒换刀流程Fig.15 Technical process of third generation of cutter replacement with overall sleeve

为保证压气作业时地层的闭气性，工程先用密度较小、黏度较低的纯膨润土泥浆向开挖面内大量渗透，再将压力舱内的泥浆置换为膨润土泥浆和黏土泥浆的混合泥浆以形成致密闭气泥膜。形成泥膜后，降低泥浆液面3 m，换以压缩空气[22]。

刀具更换前，换刀作业人员进入人闸加压，随后在泥水舱中进行换刀作业。每次有效作业时间为45～60 min，工作效率约为50%。其作业流程如图16所示，人员退出后恢复泥浆液面[23]。

图16 常规压缩空气带压进舱作业流程Fig.16 Conventional operation flowchart of entering chamber with compressed air pressure

此外，气压条件下作业人员加减压病的防治，也是该技术的另一个关键问题。由于带压开舱换刀作业时，作业人员每次任务都需要经过一个加压程序(一般10～20 min)，完成刀盘、刀具检修和更换作业后，也需要在人舱内经过一个减压流程(一般2～3 h)才能出舱。频繁经历加压和减压过程，易导致作业人员出现加压或者减压病症。因此，常规压缩空气开舱—带压换刀技术并不太适合工作量较大的换刀作业。

3.2 饱和潜水带压进舱作业

饱和潜水带压换刀需在盾构上配备饱和高压生活舱、人员穿梭转运舱等特殊设备。

在换刀工作期间，作业人员只需要通过1次加压过程，在高压生活舱中休息待命以及刀盘作业面前进行工作，作业完后同样只需要通过1次减压过程即可返回常压。因此，相对于常规压缩空气换刀，饱和潜水换刀可适用于较高水土压力的地层，同时无需多次加减压，工效提高较多。采用饱和潜水带压换刀作业时，1次工作时间可达6～8 h，工作效率是常规带压换刀作业的8～10倍；且饱和舱可以供人居住3周左右，有效降低了患减压病的概率。其作业流程如图17所示。

图17 饱和潜水带压进舱作业流程图Fig.17 Operation flowchart of entering chamber with saturated diving pressure

南京扬子江隧道应用该技术时，在0.63 MPa气压条件下，作业人员可1次进舱工作4 h。由于饱和气体带压换刀的适用性及高效性，总计采用该方法进行了240次作业，更换滚刀及刮刀300余把[24]。

4 结论与展望

本文总结了大直径盾构隧道的发展现状及存在的问题，阐述了我国高水压大直径盾构隧道施工时不同地层刀盘刀具的配置和刀具更换。主要得出以下结论：

1)大直径盾构刀盘刀具的合理配置是减少刀具更换的前提。目前，大直径水下盾构在高磨蚀密实砂卵石地层、高黏性地层、高水压土岩复合地层等多种地层中实现了成功穿越，积累了不同地层刀盘刀具配置的经验，可为类似工程提供参考。

2)大直径水下盾构在刀具更换方面实现了小空间常压刀盘换刀等多项技术，并进行了多次改良。带压换刀技术也得到了更好的改进，提高了盾构掘进的效率。

面对穿江、河、湖及越海超大断面水下深埋隧道，盾构隧道修建将面临“三超”施工难题，即超高水压、超长距离和超大直径。在愈加复杂的环境中，如何高效安全地解决上述难题成为研究的方向与重点。

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