盾构隧道无水砂卵石地层刀盘刀具改造技术——以北京地铁房山北延线四首区间工程为例论文_贺冲

中铁十二局集团第二工程有限公司山西太原 030000

摘要：无水砂卵石地层由于结构松散，受盾构掘进影响自稳性较差，土压失稳时容易产生超排现象，造成较大的地面沉降，严重的甚至导致地面塌陷。刀盘开口率及刀具的合理选用对土压稳定起着至关重要的作用，北京地铁房山北延线四首区间盾构隧道施工采用刀盘及刀具优化改造，实用效果显著，现将刀盘刀具改造的关键技术等阐述，为今后类似工程提供参考。

关键词：无水砂卵石地层；盾构施工；刀盘刀具改造

1 工程概况

北京地铁房山北延线，四环路站～首经贸站盾构区间出四环路站后下穿四环路，沿规划张新路向北延伸，至首都经贸大学东门处竖井吊出。沿线设置R=1500m、R=2000m平面曲线以躲避新房子村机井等建构筑物。张新路现状道路狭窄，道路西侧为刚建成国家法官学院，道路东侧为新房子村平房区；康辛路以北至看丹路两侧为首经贸大学校区及万年花城住宅区。区间下穿南四环路、新房子棚户区部分平房、瓦房、马草河故道及新建桥梁等。沿线重要地下管线有电力管沟、上水管、雨水管、污水管，盾构主要穿越地层为⑤层卵石、⑥层卵石、⑥3层圆砾，局部为⑤2层细砂、⑥2层粉细砂。卵石层的密实度高，母岩成份以石英岩、砂岩及花岗岩等为主，其中粒径200mm～300mm约占20～28%，粒径300～400mm约占15～19%，粒径大于400mm约占11～15%。

2 盾构机刀盘及刀具的适应性改造

2.1 刀盘优化改造

本工程投入的盾构机是由小松（中国）投资有限公司生产土压式平衡盾构机（TM625PMM-14），在北京有丰富的施工履历，该盾构机出厂时，开口率为42%的幅板式刀盘，根据以往在类似地层的掘进经验，若盾构机采用开口率较小的幅板式刀盘在此种地层中掘进时，刀盘及刀具磨损非常严重，影响设备的合理使用寿命；刀盘掘进掌子面土体不易顺畅进入土仓，会使得前方的土体由于长时间挤压而使掌子面土体失稳，造成较大的地面沉降或隆起；刀盘扭矩过大，PLC控制保护系统启停过于频繁，尤其在通过风险源时，可能会产生更为严重的后果；刀盘中心位置易结泥饼，渣土改良会更加的不易控制而造成土压不稳的恶性循环。

综上所述，结合北京丰台区附近盾构机在无水砂卵层中掘进的成功案例，将原刀盘面6块小面板割除（图中标红部分），改变为6辐条式，开口率由原来的42%增加至60%，刀盘改造示意图如图1、图2所示。

图1 原刀盘开口率42%

图2 改造后刀盘开口率60%

6块小面板割除后，刀盘外侧圈板撑强度降低，圈板易发生变形；40公分以上的大粒径卵石易进入土仓，造成螺旋机进渣口堵塞，出渣不顺畅。

为此，在辐条与辐条之间的连接圈板内侧增加一道厚度为2cm的钢板（材质为Q345B钢），使得外侧圈板厚度由原来的7cm增加至9cm；在刀盘背部（土仓侧）6点钟位置增加3根长短适中的搅拌棒，用来搅动堵塞在螺旋机进渣口的大粒径卵石；增加刀盘、土舱的耐磨性，进行堆焊，表面硬化采用高铬堆焊焊条，堆焊层硬度高于HRC60。刀盘结构强化示意图如图3所示。刀盘表面堆焊图如图4所示。

图3 刀盘结构强化示意图图4 刀盘表面堆焊图

2.2 刀具优化配置

根据北京类似地层下的成功案例，边缘刮刀的耐磨性能低及缺乏有效保护，先行刀合金块小且耐磨性较差，是影响盾构施工的主要问题。通过对先行刀、切削刀、边缘刮刀等刀具的改进，增加了其耐磨性；分层掘削降低刀盘扭矩。更利于盾构掘进中刀具的充分利用；另外，在各刀具母材上焊接耐磨合金条以保护刀具母材。有效增加长距离掘进下盾构机的适应性。本项目改良后刀盘刀具特点为：

A、刀具原轨迹半径不变；

B、刀具形式不变，高度不变；

C、在原有刀具形式的基础上对刀具加强化，耐磨化。

（1）中心刀优化改良

中心刀超前350mm布置，采用三棱合金鱼尾中心刀。利用中心刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体。

针对本工程长距离掘进，更改中心刀形式，将原装一条合金的中心刀形式，改为三条合金的中心刀形式，这样鱼尾刀切削轨迹就如同先行刀一样，分层切削。改进优点：原刀盘设计结构在实际施工时容易受到较大阻力摩擦，刀头两侧容易磨蚀，改进后，在三条合金的作用下，缓解对刀具自身的磨损，有效延长刀具使用寿命。中心刀优化改良示意图如图5、图6所示。

图5 改良前中心刀形式（一条合金）

图6 改良后中心刀形式（三条合金）

（2）正面主切削刀及边缘刮刀优化改良

改良后的主切削刀及周边刮刀在保证其工作高度和安装尺寸不变的情况下，改变传统固有的合金形状及合金排布方式。将合金加大并将前端改为钝形，在受到突然的冲击时能够起到一个缓冲的作用，故能承受较高的冲击而不损坏合金。超大合金还增加了刀具工作面合金的覆盖面积，大大提高了刀具的耐磨程度，相应增加了整盘刀具的使用寿命。（背部增加小合金，确保背部耐磨力度，从而达到延长刀具使用寿命）

改良后主切削刀形式见图7，改良后周边刮刀形式见图8。

图7 改良后主切削刀形式

图8 改良后周边刮刀（正孔、斜孔）形式

（3）可更换式先行刀优化改良

先行刀与主切削刀组合协同工作。在主切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为主切削刀创造良好的切削条件。先行刀的切削宽度比主切削刀窄，切削效率较高。采用先行刀可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高切削刀的切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是无水砂卵石地层和钙质结核地层，先行刀的使用效果十分明显。

针对本工程长距离无水砂卵石地层，盾构刀盘上设置了强化先行刀，刀具的两端为较大的硬质合金，其独特的设计，使其在使用过程中能够有效的提高刀具的抗冲击能力，可以将较大的卵石进行破碎，而不会失效。可更换式先行刀优化改良示意图如图9、图10所示。