大开口刀盘盾构机的施工优劣与问题分析

李腾

（中交天和机械设备制造有限公司南京分公司，南京211800）

1 工程概况

1.1 地质概况

成都轨道交通17号线一期线路主要沿灌温路、凤溪大道、凤翔大道、香榭大道、永康路、自西向东敷设。线路全长约26.145 km，其中，地下段盾构区间长约20.785 km，共9个盾构区间，拟定使用20台盾构机同时进行掘进。

全线盾构区间隧道主要穿越地层为2-9-2中密砂卵石、2-9-3密实砂卵石、3-8-2中密砂卵石、3-8-3密实砂卵石。温江段卵石含量超过75%、漂石粒径20～70 cm较多、漂石天然抗压强度一般为41～200MPa，个别漂石强度达到299MPa。武侯及双流段卵石含量约占75%～80%，粒径一般2～20 cm，卵石含量约占10%～15%，其余为细、中沙填充。

1.2 施工重难点分析

1）需穿越卵石最大含量可能超过75%、漂石粒径20～70 cm、卵石单轴抗压强度可能超过132MPa的大粒径、高强度、富水砂卵石地层。

2）漂石粒径大、漂石含量高、部分地段卵石层密实程度差等特点。

在掘进过程中，会造成卵石破碎困难，超过刀盘开口的卵石无法进入刀盘，并且国内现有轴式螺旋输送机无法排出直径40 cm以上的卵石。

2 盾构机刀盘设计与其掘进数据分析

2.1 2种盾构刀盘的设计

针对部分大直径漂石地段，盾构厂家（中交天和）特别设计了大开口刀盘，并配套无轴式螺旋机（后文统称大开口盾构机，见图1），而在中心城区卵石相对不密集的区域，采用普通开口刀盘配套有轴式螺旋机的盾构机（以下统称“普通盾构机”，见图2）。具体刀盘对比设计见表1。

2.2 掘进数据与分析

盾构掘进时的状态并非一成不变，所以，仅采集掘进状态正常、连续的数据。在数据采集的过程中，发现各普通盾构机与各大开口盾构机的数据之间相差微毫，所以，在普通盾构机与大开口盾构机中各随机抽取1台，作为数据分析的样本。

普通盾构机的掘进数据见表2。大开口盾构机的掘进数据见表3。表中所有数据，泡沫发泡率均为10～15倍。

图1 大开口盾构机刀盘

图2 普通盾构机刀盘

2.3 掘进数据分析对比

从表2和表3中可以发现，正常掘进的各项数据中，大开口盾构机均占有优势。以下一一进行分析：

1）推进速度快。虽然对于单环来说，整体节省时间不多，但从整条隧道来看，经过日积月累，可以加快施工速度。

2）刀盘扭矩小。扭矩小，不仅对于刀具的摩擦更小，可以延长刀具的使用寿命，而且还能减少换刀次数，明显加快施工速度。

3）渣土改良剂用量小。物资的用量小，经济方面可以节省很多费用；其次，侧面反映了渣土更容易改良，掘进状态更容易控制。

4）推力小。推力小说明机器负载小，能够有效提高机器使用寿命，提高机器的容错率，侧面反映了盾构机持续施工的能力更强。

表1 2种盾构机的刀盘对比设计

表2 普通盾构机的掘进数据

表3 大开口盾构机的掘进数据

3 2 种盾构对施工的优劣分析

3.1 劣势分析

3.1.1 螺旋机相对难以控制

大开口盾构机配套的螺旋机是无轴螺旋机，虽然它有着出渣快速、不易卡住的优点，但是在出渣上比较难以控制，初次使用经常会出现喷涌、超方。但是，使用熟练后，这些现象都能得以控制。

3.1.2 掌子面稳定性相对较差

因为大开口盾构机开口率大，且其面板设计为辐条式，相对于小开口盾构机，对于掌子面稳定性的作用相对小，所以，对土压要求相对较高。

3.2 优势分析

大开口刀盘盾构机与小开口盾构机数据差距不大，即优势不太明显，需要长年累月的观察才能发现。但是从地层方面来看，大开口盾构机所处地层卵石的密度与粒径更大，这种情况下，掘进数据还能与小开口盾构机一较长短，其作用可想而知。然后，再放开视角，从单个标段上来看，将各个标段进行对比可以发现，大开口盾构机的施工进度要比要开口的快很多。以下对其原因进行一一分析。

3.2.1 刀盘结饼率低

大开口刀盘采用6主辐条+6辅辐条式设计，开口率高达45%；小开口则采用6辐条+6面板式设计，开口率仅有36%。大开口盾构机刀盘不仅面积小，且各喷水口的受力点集中，刀盘更容易被冲洗，所以，其结饼率更低。

3.2.2 推进故障率低

盾构机在推进时，不可能一帆风顺，总有一些问题导致推进数据异常，使盾构机不能正常掘进，从而影响施工进度。

大开口盾构机，因为刀盘开口率高，这就使其进渣比小开口快，且大开口盾构配有无轴螺旋机，不仅出渣快，而且不会因为卵石粒径过大而卡住螺旋机。这样的结构，如果土仓内渣土有改良不到位的地方，也会被快速排出，不会在土仓内沉结，所以，掘进时，大开口盾构机的持续稳定性非常可观。

3.2.3 推进故障的修正效率快

在3.2.2 节中提到，大开口盾构土仓内渣土的置换速度非常快，所以，在盾构机推进数据异常后，不必像小开口一样研究土仓内剩余的改良不到位的渣土应该怎样改良，可以直接将其快速排出，只需要将新进的渣土改良到位即可。所以，当盾构机出现“推死”的情况时，大开口盾构机重新恢复正常速度不仅要比小开口的快，而且方法更简单。

3.2.4 螺旋机、刀盘不易卡停

因为采用大开口盾构机，遇到大粒径卵石时，不必将其破碎就可直接进入土舱，减少了刀具的磨损；而且大开口盾构机配套的螺旋机是无轴螺旋机，能够有效地输送大粒径卵石而不会被卡停。

综上可以发现，大开口盾构机在卵石密集、粒径大的地层中优势更加明显一些，也更适用一些。普通盾构机这些劣势都可以通过提高盾构操作者的个人水平来解决。总体来说，大开口盾构机瑕不掩瑜，更适合成都砂卵石地层，特别是在卵石粒径大，颗粒密集的地方，大开口盾构机是不二之选。

4 大开口盾构机常见问题及解决办法

4.1 喷涌现象及解决办法

大刀盘盾构机因为配套无轴螺旋机，在初期推进过程中，都出现过不可控的喷涌现象。

4.1.1 原因分析

1）渣土改良不好，土仓内积渣严重、板结使土仓容积变小，渣土不能在土仓内得到充分的搅拌造成喷涌；

2）有超方现象，空洞跟着盾构向前延伸；

3）由于土舱压力低，造成地层中水的倒灌；

4）地层含水量多变，操作手改良不及时，加水过多造成喷涌。

4.1.2 解决办法

1）利用高压水向土仓隔板上的预留球阀对土仓中心区域进行冲洗，使土仓容积变大渣土能够充分得到搅拌；

2）及时在地面寻找空洞，同时，做好土仓保压措施，待回填初凝后推进；

3）做好渣土改良提高实土仓位，在盾尾后注封堵环或打开盾尾后方管片吊装孔排水；

4）在判断不了地层中水含量时，可以适当让渣土干一些；

5）及时清理皮带下掉落的渣土，避免喷涌时渣土过多，直接压死皮带。

4.2 超方现象及解决办法

成都属于富水砂卵石地层，超方是一个常见问题。

4.2.1 造成此状况的原因

1）同步注浆、二次注浆量不够，或者不够及时；

2）地层本身较别处更加松散，操作手怕积仓，加快出渣，造成了多出渣；

3）地层含水量大，出渣时喷涌，造成多出渣；

4）上土压较低，造成压力不平衡，地层坍塌，导致多出渣。

4.2.2 现场处置办法

1）及时打探孔，找空洞，并进行回填；

2）通知盾构司机，控制出渣量，按照正常模式掘进，不为了出渣而出渣；

3）及时关闭螺旋机闸门，减少注水量，降低螺旋机转速；

4）提高上土压，在掘进参数正常的情况下，再次提高上土压。

4.2.3 防范措施

1）及时足量的注入浆液，不为了施工进度而忽视注浆量；

2）提早通知盾构司机地层状况；

3）在即将进入富水地层时，提前减少注水量，加大泡沫发泡率；

4）精确计算土压，并严格实施；

5）加强地表巡查，准备好应急物资，以便能够第一时间发现并进行补救。

5 结语

成都地区地铁施工因为各种原因导致停机，严重影响了施工进度而成为各施工单位施工难度较大的区域。大开口盾构机的试验优点十分明显，对于加快施工进度有积极的作用，其最大日掘进距离为15环（1.5 m/环），得到了施工单位的一致称赞。可以大胆预测，在以后的成都盾构施工中，特别是在卵石更为密集、粒径更大的地层中，大开口盾构机将会逐步取代普通盾构机，成为被市场接受并喜欢的新型盾构机械设备。