摘 要 簡要地總結(jié)了投入到XX地鐵二號(hào)線越～三區(qū)間隧道施工的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)的刀盤特點(diǎn)、適應(yīng)性以及以后施工需要改進(jìn)的主要功能。
1 工程概況
XX地鐵二號(hào)線XX站～XX站區(qū)間隧道盾構(gòu)工程區(qū)間隧道全長3673.566 單線延米。越～火及火～三兩個(gè)區(qū)間左右線共有三組六段曲線, 轉(zhuǎn)彎半徑分別為600m、400m, 曲線合計(jì)長度約1939m, 占線路全長49.4％。兩個(gè)區(qū)間均為“V”形坡, 最大坡度30‰。隧道上覆土厚度最大約28m,最小約9m。整個(gè)區(qū)間隧道的地表建筑物密集, 地面交通繁忙, 地下管線復(fù)雜, 共穿越135 棟建筑物, 其中四層樓以上的建筑物31 棟, 最高為7 層。整個(gè)區(qū)間隧道穿越的各種地下管線達(dá)56 條。越～火區(qū)間的地質(zhì)構(gòu)造主要為廣從斷裂。廣從斷裂總體走向?yàn)?0°～ 30°, 傾向NW, 傾角40°～60°, 屬正斷層, 從東北向西南延伸。主斷裂分布于XX人行天橋至XX市體育館間（YCK15+550～700）, 斷裂帶由構(gòu)造角礫巖、斷層碎塊巖組成。火～三區(qū)間的地質(zhì)構(gòu)造主要為走馬崗斷裂。走馬崗斷裂走向?yàn)榻鼥|西, 傾向NW, 傾角很緩, 在左線ZCK17+120～+150 和右線YCK17+155～+180附近洞身下方通過,通過處呈明顯的風(fēng)化深槽。區(qū)間隧道穿越的地層大部分是強(qiáng)風(fēng)化巖<7>與中風(fēng)化巖<8>, 以及微風(fēng)化巖<9>, 有少部分為全風(fēng)化巖<6>、殘積土層<5-2>和斷裂破碎帶, 巖性以粉砂巖、粗砂巖為主, 巖石的天然單軸極限抗壓強(qiáng)度最高值為78MPa。各種地層所占的比例見表1。地下水主要為第四系空隙水與基巖裂隙水, 地下水位為地表下1m～2m。盾構(gòu)隧道所穿越地層的地質(zhì)復(fù)雜, 均一性差,
巖性變化大, 強(qiáng)度差異大, 隧道主要穿過地層有泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖殘積土, 巖層天然單軸抗壓強(qiáng)度從0.2MPa～78MPa 不等。泥質(zhì)粉砂巖的典型特征就是遇水易于黏結(jié),流動(dòng)性差, 不利于掘進(jìn)。這也是該區(qū)間隧道所有<8>號(hào)泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖地段施工的難點(diǎn),要求所選盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)和系統(tǒng)配置能夠有效的防止泥餅的產(chǎn)生。隧道范圍內(nèi)各地層的體積與長度比例見表1。
2 刀盤選型
2.1 盾構(gòu)機(jī)選型
根據(jù)本合同工程地質(zhì)條件及工期要求, 采用兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)（機(jī)型EPB6300）, 各承擔(dān)左右線隧道的掘進(jìn)任務(wù)。通過對(duì)XX公司、XX公司等的盾構(gòu)進(jìn)行比較, 最后從XX公司引進(jìn)兩臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu), 以適應(yīng)含水的軟、硬巖及混合地層的隧道掘進(jìn)。盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中具有土壓平衡、開敞、半開敞三種掘進(jìn)模式。
2.2 刀盤刀具布置方式
整個(gè)刀盤的刀具布置有兩種不同的方式（滾刀布置、齒刀布置）, 兩種不同刀具布置方式如圖1、圖2 所示。
3 刀盤適應(yīng)性
3.1 總體評(píng)價(jià)
本刀盤是根據(jù)廣州施工現(xiàn)場的具體地質(zhì)條件設(shè)計(jì)、制造的, 刀盤結(jié)構(gòu)具有刀具（滾刀、齒刀）的互換性和可更換性, 通過3673.566m 的掘進(jìn)證明,刀盤較好的滿足了越～三區(qū)間不同地層的掘進(jìn)需要。
3.2 刀盤主要性能評(píng)價(jià)
3.2.1 強(qiáng)大、合理的刀盤結(jié)構(gòu)
先鋒號(hào)盾構(gòu)的刀盤結(jié)構(gòu)形式是一種硬巖刀盤的形式：面板形, 周邊圓弧過度, 均勻滾刀布置。刀盤采用面板形, 有利于布置了滾刀后的刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高, 更能承受大的荷載, 整個(gè)刀盤為不規(guī)則箱式結(jié)構(gòu), 壁板及面板厚度均大于或等于40mm,總重55t, 在施工中經(jīng)歷了中心刀全部損壞時(shí)約3000t 的推力, 刀盤未發(fā)生變形或焊縫開裂。周邊采用圓弧形, 則為硬巖刀盤最典型的特征, 因?yàn)橹苓厛A弧形過度增大了周邊刀盤的面積,可在周邊布置更多的滾刀以適應(yīng)周邊滾刀高線速度快磨損的需要。
3.2.2 合理的排碴口設(shè)計(jì)
為了確保先鋒號(hào)盾構(gòu)能適應(yīng)軟土地層掘進(jìn),在綜合考慮軟土切削及碴土流動(dòng)的基礎(chǔ)上, 先鋒號(hào)盾構(gòu)的刀盤增加了八條進(jìn)碴槽, 同時(shí)八條進(jìn)碴口兩側(cè)各安裝了八把切刀, 切刀刃口面與工作面成約55°夾角以利于碴土能順利流入碴倉。先鋒號(hào)盾構(gòu)刀盤的開口面積占刀盤總面積的30%。八條狹長開口從刀盤中心部位至外側(cè)弧形面中心對(duì)稱分布在刀盤上, 另有八個(gè)小開口在刀盤外端的弧形面上360°均勻分布。
3.2.3 靈活的刀具安裝
先鋒號(hào)盾構(gòu)配置了三種軟土刀具：切刀、齒刀、弧形刮刀, 齒刀與盤型滾刀可以互換安裝。其中切刀64 把, 弧形刮刀16 把, 齒刀14 把。另配置了雙刃盤型滾刀19 把, 用于硬巖段切削（周邊5 把滾刀不能更換為齒刀）。雙刃盤形滾刀的承載力為25t, 刀盤中間部位的刀間距100mm, 刀盤邊緣部位刀間距為60mm～70mm。雙刃盤形滾刀的滾動(dòng)阻力矩小, 在砂層中掘進(jìn)時(shí)就可以滾動(dòng)。
齒刀與盤型滾刀互換安裝進(jìn)一步增大了刀盤的地層適應(yīng)能力。特別是在<8>地層中掘進(jìn)時(shí), 采用齒刀與滾刀混裝方式能有效增加刀盤中心區(qū)域開口。在施工后期, 通過輕型盤形滾刀與中型滾刀的互換, 進(jìn)一步提高了刀盤的適應(yīng)能力, 也進(jìn)一步證明了復(fù)合式盾構(gòu)的成功之處。
3.2.4 良好的碴土改良系統(tǒng)
刀盤前部的中心部位, 裝有一個(gè)用于注入料的旋轉(zhuǎn)接頭, 同時(shí)設(shè)備本身配備了泡沫和膨潤土注入系統(tǒng), 有利于隧道掘進(jìn)過程中的防水與降低掘進(jìn)扭距、提高掘進(jìn)速度。在刀盤的背后裝有四個(gè)攪拌臂, 以用來進(jìn)行充分的碴土改良。每個(gè)攪拌臂都配置有一組泡沫孔, 以利于土倉內(nèi)的碴土性能改良。
3.2.5 合適的刀盤推力與扭距
通過 3673.566m 的掘進(jìn), 證明了刀盤的推力與扭距足以滿足廣州地層需要, 在掘進(jìn)過程中, 推力與扭距一般只達(dá)到額定推力與扭距的70％～80％左右。
3.2.6 強(qiáng)有力的防泥餅措施
為防止在8＃地層中掘進(jìn)時(shí)刀盤中心產(chǎn)生泥餅, 提高碴土的流動(dòng)性, 先鋒號(hào)盾構(gòu)在刀盤上主要采取了如下措施防止泥餅產(chǎn)生。
a. 刀具凸出刀盤較大的間距。盤形滾刀與刀盤
之間的間距為175mm, 齒刀、切刀和齒刀刃距刀盤面板的高度為140mm, 這樣在廣州紅層中盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí),能使刀盤前方切削下來的碴土有較大的流動(dòng)空間,有利于刀盤前方碴土的流動(dòng)。另外由于滾刀高出齒刀和切刀35mm, 在硬巖地段掘進(jìn)時(shí)可以保護(hù)切刀和刮刀不受破壞。
b. 刀盤中心增加了開口率, 以便將刀盤中心雙刃盤形滾刀更換為齒刀。
4 以后施工需要改進(jìn)的地方
在完成的3673.566m 隧道掘進(jìn)過程中, 雖然整個(gè)刀盤能較好的適應(yīng)越三區(qū)間地層的地質(zhì)條件。但在以后施工時(shí), 筆者認(rèn)為有以下方面需要進(jìn)行進(jìn)一步的探討或進(jìn)行改進(jìn)。
a. 刀盤中心刀具布置
刀盤中心開口率相對(duì)來說比較低, 在掘進(jìn)過程曾有泥餅形成（特別是中心部位采用盤形滾刀刀具的情況下, 采用土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)）。在后期中心部位有意使用齒刀后, 中心的泥餅問題基本解決（主要是增加了刀盤中心部位開口率）。
b. 盤形滾刀
輕型雙刃盤形滾刀的滾動(dòng)阻力矩小, 在砂層中掘進(jìn)時(shí)就可以滾動(dòng), 使盤形滾刀能較好的適應(yīng)5－2#、6#、7#、8#、9＃地層。在廣～越區(qū)間掘進(jìn)比較堅(jiān)硬的巖層時(shí), 輕型雙刃盤形滾刀的適應(yīng)性不是很好, 在后期使用中型盤形滾刀后, 使用效果較好（特別是在較為堅(jiān)硬的8＃、9＃地層）。
c. 仿形刀
仿形刀容易出現(xiàn)偏磨現(xiàn)象, 在整個(gè)越三區(qū)間3673.566m 隧道掘進(jìn)過程中, 所有仿形刀都是因偏磨而造成損壞。在以后的施工中, 仿形刀的選擇與使用有待于進(jìn)一步探討。
d. 刀座
刀具 刀座設(shè)計(jì)不合理, 很容易因掘進(jìn)造成刀座變形或刀具脫落及螺旋輸送機(jī)損壞等事故發(fā)生。
e. 刀具降溫
每把盤形滾刀在掘進(jìn)時(shí)沒有專門設(shè)置降溫裝置, 在采用氣壓平衡模式掘進(jìn)時(shí), 盤形滾刀容易被碴土包裹, 極易造成刀具溫度過高而使刀具損壞或形成滾刀偏磨造成刀具損壞。
f. 碴土改良系統(tǒng)
刀盤面板的泡沫、水注入系統(tǒng)有力的改善了碴土的流動(dòng)性, 但由于泡沫注入孔數(shù)量偏少和位置相對(duì)不太合理, 在土壓平衡模式狀態(tài)下掘進(jìn)時(shí),碴土改良效果欠佳, 特別是刀盤中心部位和邊刀位置。
