摘 要：針對兩種品牌盾構在同一地層掘進的施工案例，結合盾構機在北京地鐵卵石地層中施工的經驗，本文重點講述了盾構機關鍵部件刀盤以及螺旋輸送機在卵石地層中的實際應用，通過對盾構機施工參數對比、螺旋輸送機的選型以及刀盤開口率匹配等的探索性試驗，為以后北京地區(qū)卵石地層盾構施工提供了參考。
關鍵詞：卵石地層 盾構機 刀盤
土壓平衡盾構法施工在我國城市地鐵隧道、過江河公路隧道、城市排污管道、過江輸水或氣管道中使用越來越普遍。而作為施工主機械的盾構機選型工作在施工中直接影響著工程的進度快慢，在北京地區(qū)卵石掘進的盾構機經常出現螺旋機卡死、盾構刀盤結泥餅和卵石塊無法排出、刀盤卡死、刀盤磨損等地層現象，該地層中刀盤開口率、刀盤大圓環(huán)形式、螺旋輸送機的形式、使用參數以及螺機土倉內的伸出量都會影響到出渣的連續(xù)性與流暢性。本文通過對同地層兩種參數進行對比分析，力求尋找出一個適應北京地區(qū)卵石地層的刀盤以及螺旋輸送機得使用方法，為以后同類地層盾構施工提供參考。
一、地質狀況
盾構機通過的地層自上往下主要為：①粉土填土，①1雜填土、④2粉土、④3粉細砂、⑥粉質粘土、⑤2粉細砂、⑤卵石、⑦卵石。盾構穿越地層主要為卵石⑤層、粉質粘土⑥層、卵石⑦層，全段連續(xù)分布，局部為粉細砂⑤2層、粉質粘土⑤4層。整個區(qū)間各地層比例所占比例如圖1。卵石的顆粒物最大粒徑不小于390mm，卵石、漂石主要成份為石英砂巖、輝綠巖、安山巖、硅質白云巖等堅硬巖類，且地下水稀少。
二、盾構主要參數對比
刀盤是土壓平衡盾構機的重要組成部分，主要功能有：1）擠壓、切削刀盤前方地層中的渣土，通過旋轉刀盤的方式使其進入土倉；2）刀盤有支撐前方土層的作用；3）通過渣土的攪拌使土倉內及刀盤前方的渣土能夠形成有效的攪拌改良。刀盤主要結構由支撐臂、刀盤面板、刀具、攪拌軸及泡沫孔等組成，目前國內土壓平衡盾構使用的刀盤主要有面板式和輻條式，我們介紹的為不同開口率的面板式刀盤在該地層中應用。
三、兩種開口率的刀盤及螺旋形式在卵石地層中的使用情況對比
在北京地區(qū)卵石地層中掘進，刀盤開口率的大小是刀盤重要的參數之一，有效的開口率能及時的將刀盤前方的卵石刮入土倉內進而通過螺旋機輸送到土倉外。刀盤開口率過小容易導致刀盤前方的卵石不能及時進入土倉，需要刀具多次滾壓至卵石變小后才能重新進入土倉，在掘進速度較快時，大量的卵石堆積至刀盤前方就形成了土塞進而形成泥餅，嚴重制約了盾構的掘進速度，是掘進能否正常的重要因素之一。下面以兩種不同開口率的刀盤及不同形式的螺旋機在相同地層中使用為例，對盾構掘進參數進行對比分析，并得出結論。
1.本標段地層主要以卵石⑤、⑦地層為主，兩種盾構采用開口率大小不同的刀盤形式，盾構刀盤開口率為40%的刀盤為了滿足大顆類卵石排出采用的為帶式螺旋機，該螺旋輸送機的葉片間距是540mm，最大通過粒徑的軸線距離為560mm，螺旋機鋼筒的直徑為850mm，螺旋機葉片深入土倉的最大長度為700mm。
盾構刀盤開口率為23%的刀盤采用的為軸式螺旋機。其原因是控制出渣量及噴涌現象的出現易采用軸式螺旋機。該螺旋輸送機的葉片間距是650mm，最大通過粒徑的軸線距離為300mm，螺旋機鋼筒的直徑為900mm，螺旋機葉片深入土倉的最大長度為750mm。
2.在本標段卵石地層中掘進，兩種刀盤的盾構掘進參數也有所不同，下面對兩臺盾構不同掘進里程時的主要掘進參數進行對比，參數對比見表2：
在同地層掘進過程中，開口率較大的盾構的總推力在1300-1800T之間，上部土倉壓力0.6-0.8bar，掘進速度30-40mm/min，刀盤扭矩波動范圍最大為300KNM，扭矩一般為4000-5000KNM之間，出渣量3車以內（41-44方），地表沉降較小。螺旋機排出的最大粒徑的卵石為400×500mm，
開口率較小的盾構掘進過程中總推力800-2000T，上部土倉壓力0.3-0.4bar，掘進速度15-60 mm/min，刀盤扭矩波動范圍較大，最大為1000KNM，扭矩一般為4000-6000KNM之間，出渣量3車（46方）相對偏大，地表沉降值相比開口率較大的帶式螺旋盾構較大，螺旋機排出的最大粒徑250×250mm，且多次出現螺旋機被卡的現象，由于大塊渣土在土倉內集壓，刀盤開口堵塞，需要人工進倉清理。
3.通過掘進對比，兩種形式的刀盤及螺旋輸送機得出以下幾點結論：
3.1在卵石地層的掘進過程中，刀盤開口率越大，螺旋機出渣粒徑越大、螺旋機脫困扭矩越大，盾構的出渣量、土壓力及地層穩(wěn)定性越容易控制，掘進參數也會更好更有利于施工。
3.2刀盤開口率較大的刀盤可以有效的將大卵石排出刀盤前方，帶式螺旋機的出渣粒設計為540×560mm，可以滿足較大類型的卵石運出土倉，可以有效的保證掘進的順利進行刀盤的開口率較小的刀盤容易出現堵倉結泥餅等現象，同時刀盤前方的大卵石無法排出刀盤導致刀具二次磨損刀盤扭矩增大，刀盤卡死等現象。在卵石地層中刀盤開口率起著至關重要的作用，建議設定在40-60%，這樣可以有效的改善了渣土的流動性，在出渣過程中能夠順利的將土倉內的大型卵石排除土倉，渣土改良效果較好。
3.3兩臺盾構的螺旋輸送機在土倉內螺旋攪動的范圍也只有直徑1000mm左右，容易在土倉內下部左右兩側出現集渣，在卵石地層的掘進螺旋機的攪動范圍越大，對掘進越有利。刀盤的主動攪拌棒設計與螺旋機的攪動應互相對應。
3.4卵石地層中，卵石的大小不一，而螺旋機通過的粒徑只能按照設計的最小數來計算，帶式螺旋機為540mm，桿式螺旋機為300mm。當地層中卵石較大時，桿式螺旋機由于設計通過的渣土粒徑比較小，所以經常出現螺旋機卡死現象，螺機卡死后需要開倉進行人工處理，刀盤結泥餅和螺旋機卡住的次數也會增加。
四、刀盤大圓環(huán)形式探討
在使用過程中，為了盾構機更好地適應卵石地層的掘進施工，針對幾種刀盤在卵石地層中大圓環(huán)的磨損情況進行對比分析，已避免刀盤的磨損。在使用過程中，為了盾構機更好地適應卵石地層的掘進施工，針對帶式無軸螺旋機盾構的施工情況，目前對兩種刀盤的形式進行分析，一種是海瑞克刀盤；一種是中鐵號刀盤。
中鐵3號理論設計刀盤鍥口環(huán)位置尺寸：鍥口環(huán)理論允許通過最大卵石的直徑為￠50mm，而在鍥口環(huán)位置，刀盤與前體之間存在高差45mm，寬100mm的空間，有大量卵石卡在鍥口環(huán)位置跟隨刀盤一直向前推進。
海瑞克盾構理論設計刀盤鍥口環(huán)尺寸：刀盤鍥口環(huán)允許通過最大卵石的直徑為￠75，而在鍥口環(huán)位置，刀盤與前體之間存在高差16mm，寬60mm的空間，理論上卵石無法存放在刀盤鍥口環(huán)處。如下圖3所示
通過使用發(fā)現兩種形式的刀盤大圓環(huán)磨損量存在很大區(qū)別，中鐵號在掘進1000m時磨損量達到100mm，而海瑞克大圓環(huán)的磨損量僅有30mm。同時在開倉過程中大圓環(huán)位置海瑞克沒有卵石的存在而中鐵號容易有大量卵石卡在大圓環(huán)位置造成刀盤的磨損加劇，同時增大了刀盤的扭矩。
五、結論
通過對兩種盾構的對比和探索性試驗，得出以下幾點建議：1）在卵石地層掘進時，刀盤開口率相比，開口率大能夠更好的加快掘進進度，降低刀盤卡卵石的情況出現；2）在北京地區(qū)卵石地層盾構的使用中，無中心軸帶式螺旋機要優(yōu)于有中心軸螺桿式螺旋機，帶式螺旋機能夠及時置換土倉內的渣土，降低刀盤結泥餅和卡螺旋機的風險；在卵石地層的掘進過程中，螺旋機應有兩套后艙門一套前倉門，出渣通過兩套后倉門的開關可以有效地防止了噴涌現象的出現，且單艙門也會造成土倉壓力波動較大，掘進參數變化較大的情況。3）刀盤的大圓環(huán)形式能夠決定刀盤磨損的速率快慢。另外，由于卵石地層的特性，長時間停機會出現卵石沉淀，易出現卡螺機、卡刀盤的現象，解決此類問題，是否可以通過正反轉，提前加入適量的渣土改良劑至刀盤內，順利疏通螺旋及土倉，及時的將土倉內的渣土排出置換，滿足現場的施工需求還要以后進一步討論驗證。
參考文獻
[1]王洪新，傅德明.土壓平衡盾構平衡控制理論及試驗研究[J].土木工程學報2007，40（5）.
[2] 胡國良，胡紹華，龔國芳.土壓平衡盾構螺旋輸送機排土控制分析[J].工程機械2008，39（4）.
