浅谈盾构刀具破除地连墙的配置方法

李书鹏

(洛阳九久科技股份有限公司，河南洛阳471000)

1 工程概况

福州地铁4号线一期鳌峰路站—江边村站区间长度为1625.619 m，下穿闽江（里程为YAK23+225～YAK23+721）与跃进河（里程为YAK23+950～YAK24+115），隧道与闽江地表水存在密切的水力联系，区间采用2台φ6 460 mm泥水平衡盾构机掘进。原刀盘刀具配置见表1。隧道管片结构的洞径外径尺寸为6.0 m，上下行均使用单线盾构。

表1 原刀盘刀具配置

区间隧道主要穿越地层为＜2-4-2＞淤泥质土、＜2-4-4＞淤泥夹砂、＜2-4-6＞中细砂（含泥）、＜3-1＞粉质黏土、＜3-2＞粉细砂、＜3-4＞淤泥质土。区间岩土层的类别、性质、物理力学性质差别较大，且厚度埋深变化较大，隧道综合围岩等级为VI级。区间穿越的地面为万达广场、闽江、市区道路、跃进河、居民区。区间地质断面图（局部）如图1所示。

图1 区间地质断面图（局部）

由于区间地层非常软，为了解决盾构机进出隧道人工凿地连墙安全风险大、工期长的问题，经综合考虑，项目部决定采用钢套筒的方式始发和接收，由盾构刀具直接对地连墙进行破除。进出隧道两端的地连墙采用的是玻璃纤维筋加C35混凝土，厚度800 mm，经现场检测混凝土强度最大达到46 MPa，区间没有合适的开仓检查或更换刀具的位置。

2 难点分析

对于该项目来说，盾构机的性能参数完全可以满足盾构施工的要求，最可能出现的问题是刀盘刀具的适应性，所以刀盘刀具如何配置是直接影响盾构施工是否顺利的重要因素，既要满足在软土地层中一次性顺利贯通区间的要求，又要具备进出隧道洞门破除地连墙的能力，同时还要尽可能降低刀具的消耗成本。

在刀具选型方面，如果采用切削岩层或高强度混凝土的主流刀具——球齿滚刀，虽然区间整体掘进施工没有问题，但刀具成本太高，据实际测算球齿滚刀的费用是合金类软土刀具费用的3～5倍。如果采用合金类软土刀具，虽然其具有磨损储量大、区间掘进效率高、综合成本低等诸多优势，但因为合金类软土刀具在岩层中的破岩能力较弱，仅适用于破碎天然单轴抗压强度在30 MPa以下的岩石和软土[1]。另外，混凝土和岩层不同，毫无纹理可言，在磨削地连墙高强度混凝土时极有可能出现合金崩裂或脱落的情况，不能完全保证隧道后续施工的安全。

合金类软土刀具破除地连墙的过程几乎没有贯入度可言，纯粹以磨削为主，效率非常低，对隧道地连墙周围的土体扰动较大，在实施过程中存在诸多安全隐患。

所以，项目施工的难点就在于如何保证盾构刀具在安全高效破除地连墙的前提下，顺利经济地一次性贯通区间隧道。

3 刀盘刀具配置

经综合考虑各方因素，最终决定刀盘刀具的配置采取以下几点措施：

1）采取球齿滚刀和可更换撕裂刀间隔布置的方式，将球齿滚刀作为破除隧道地连墙混凝土的主要力量，并且球齿滚刀在软土地层中也不易偏磨，而在软土地层中施工则主要靠可更换撕裂刀刮削掌子面，从而使不同种类刀具在相应的工况下发挥各自优势。

2）在设计刀具高度时，保证滚刀高度比可更换撕裂刀高10～15 mm，这样在破除地连墙时，滚刀在刀盘推力作用下先接触掌子面并贯入一定深度，在刀圈刃口和侧面形成高应力压碎区和放射状裂纹，随着滚刀持续滚压，裂纹逐渐扩展[2]，从而最大限度减小撕裂刀的破碎体积，缓解撕裂刀接触掌子面后破碎混凝土时的受力状况，减小或避免撕裂刀合金的损坏，保证其在后续软土地层中的顺利长距离掘进和出洞时破除地连墙的可靠性。刀具破除地连墙示意图如图2所示。

图2 刀具破除地连墙示意图

3）在破除地连墙的过程中，刀盘中心1#轨迹刀具的受力状况比较复杂，撕裂刀在该位置破岩效果最差。为避免在破除地连墙时刀盘中心出现岩脊的情况，刀盘1#轨迹要布置球齿滚刀。

4）刀盘41#和42#轨迹上各有2把刀，为了避免破除洞门时由于刀具磨损或异常损坏出现“卡盾”的情况，同时为保证在区间软土地层中的顺利掘进，在这两个轨迹上都分别布置1把球齿滚刀和1把可更换撕裂刀。

5）为了降低刀具综合成本，在满足施工要求的情况下，保持刀盘其他既有刀具的结构及数量不变。

改进后刀具轨迹图如图3所示，改进后刀盘刀具配置如表2所示。

表2 改进后刀盘刀具配置

图3 改进后刀具轨迹图

4 使用效果

福州地铁4号线一期鳌峰路站—江边村站区间左右线刀盘的刀具配置采用上述方法后，刀盘进出隧道洞门时均安全高效的破除地连墙，并一次性贯通区间隧道。出洞后，刀盘刀具使用情况良好，几乎没有出现异常损坏的情况，使用效果完全符合预期，说明了这种刀具配置方法的正确性。

另外，这种刀具配置方法不仅可应用于对地连墙的破除，对侵入隧道的建筑桩基和地铁车站围护桩的破除同样适用，具有一定的借鉴意义。