卵石含量高、粒径大的富水砂卵石地层中盾构机选型研究

（中国铁建十三局集团有限公司，深圳

518083）

卵石含量高、粒径大的富水砂卵石地层中

盾构机选型研究

摘要根据成都地铁一号线盾构机所选机型在施工过程中的经验和教训，通过对盾构机的掘进机理深入分

析，提出了在富水砂卵石地层盾构机刀盘的合理结构形式。要求刀盘结构强、材质好、面板少、开口率大、开口尺寸适当，用网格结构控制；中心安装超前撕裂刀；滚刀刃间距根据所配置的螺旋输送机的排除卵石尺寸确定；以及刀盘的正、侧面备有耐磨保护装置措施等。

关键词

砂卵石地层

掘进机理

盾构

选型研究

中图分类号：U455.3+1

文献标识码：A

文章编号：1009-6582（2009）01-0057-07

修改稿返回日期：2008-11-16

作者简介：李海峰（１９７０－），男，高级工程师，主要从事隧道、地铁盾构机械方面的施工和研究，Ｅ－ｍａｉｌ：９２４９３３０２５＠ｑｑ．ｃｏｍ．

１基本概况

地铁线路区域地处成都平原岷江冲洪积扇状平原的南东边缘，区内地形较平坦，地势受扇状平原的控制，总体上西高东低，北高南低。区域地层为第四系全新统（Ｑ４）、上更新统（Ｑ３）和中更新统（Ｑ２）的砂、卵石土沉积层，无胶结，沉积密实，砂卵石级配较好。三层砂卵石层含水极其丰富。隧道埋深为１５～２０ｍ。

1.1工程地质特性

成都地铁隧道洞身主要位于卵石土〈２－８〉、

〈３－７〉、〈４－４〉夹砂层中，卵石含量分别是（６８￣７５）％、（７０￣８５）％、（７５￣８５）％，围岩基本级别为Ⅴ级。

1.2盾构区间隧道穿越〈3－7〉、〈2－8〉、〈4－4〉卵石地层的特点

（１）卵砾石多、粒径大

卵砾石含量约占５０％～７０％，粒径达３０～５５０ｍｍ，

卵石硬，最大强度可达２００ＭＰａ以上（图１，图２）。

（２）水压高和水量大

隧道顶面最大埋深为２０ｍ，地下水位线埋深２ｍ。卵石土综合含水层渗透系数Ｋ为１２．５３～２７．４ｍ／ｄ，平均值为１６．３２ｍ／ｄ，为强透水层。

图１卵石含量高

Fig.1High percentage of cobble content

图２卵石粒径大

Fig.2Large-grain cobbles

（３）地层透气性和磨损性大、流动性和稳定性差

在盾构机掘进时对刀盘、刀具、螺旋输送机的磨损性非常大，且存在掌子面和拱顶地层不稳的问题。

（４）有粘性砂土，粘粒含量超过６０％，盾构施工时易结泥饼。

1.3水文地质特性

地下水主要是松散土层孔隙水和基岩裂隙水，其中第四系孔隙水主要赋存于各个时期沉积的卵石土及砂层中，土体透水性强、渗透系数大，地下水丰富。

孔隙水主要都赋存于第四系全新统（Ｑ４）、上更新统（Ｑ３）和中更新统（Ｑ２）的砂卵石土中，形成一个整体含水层，卵石土综合含水层渗透系数Ｋ＝２５．４１￣４８．３９ｍ／ｄ，为强透水层。区间隧道基本位于该层砂卵石土中，受地下水影响较大。地下水位埋深一般３～５ｍ，水位变化较小，隧道洞身范围的地下水水压力为７２．５～２３０ｋＰａ。

基岩裂隙水主要赋存于岩石裂隙中，基岩岩性为泥岩，透水性、富水性较差，水量小。

2工程地质特点及盾构施工问题

通过明挖对地层的揭露和盾构实际掘进情况分析，成都地层有以下几个特点及问题，对盾构机选型和掘进具有非常重要的意义。

2.1工程地质特点

（１）无水状态下可成拱，但成拱强度不高，成拱有时效性。

（２）主动降水下施工时地层稳定，被动降水施工时地层易坍塌。

（３）施工对水和大卵石的处理是关键。

（４）大卵石分布是有区域性、层次性的，即在成都地区西北多东南少；〈２－８〉、〈４－４〉地层中含量少，〈３－７〉地层中含量多；粒径３０ｃｍ以上的大卵石含量较少。

（５）无水状态下壁立稳定性较好，有水状态下极易坍塌。

（６）地层中密，无胶结或泥质胶结，级配好，钳制稳定，弹塑性很小。

（７）有透镜体粘性砂土层和卵石堆积夹砂地层存在。

2.2盾构施工主要问题和状况

从成都地铁一号线的施工情况看，目前土压平衡盾构法施工遇到的主要工程问题和状况有：（１）卵石对盾构机刀盘、刀具、螺旋出土器的磨损非常厉害。

（２）掘进速度慢，无法形成连续、快速、均衡的掘进速度。

（３）碴土改良代价高，且难以达到土压平衡掘进的预期效果。

（４）盾构开舱换刀作业困难，风险高，对地面有很大的破坏性。

（５）在粘性砂土中掘进，盾构机刀盘中心及土舱内易结泥饼。

（６）盾构机掘进参数不协调，进尺不稳定。

（７）盾构掘进中没有产生经常性的喷水涌砂状况。

（８）暂没遇到特大卵石阻碍盾构机掘进。

（９）正常掘进下地面沉降量可以控制。

3砂卵石地层盾构机选型研究存在分歧

3.1砂卵石地层盾构机选型概述

砂卵石地层盾构机选型历来分歧很大，各有各的道理，实际分歧主要还是集中在盾构机刀盘的结构形式和刀具配置上。

（１）刀盘采用面板式，设置滚刀，开口不宜太大，理由是面板可有效稳定掌子面地层，滚刀可将螺旋输送机出不去的大卵石切碎，以便排出。

（２）刀盘采用辐条式，不设置滚刀，开口率加大，中心设先行撕裂刀，排不出去的大卵石可开舱破除或用带式螺旋机提高排大卵石的能力。

土压平衡盾构机适应地层范围如图３所示，图的左面是适合土压平衡盾构施工的区域，图上右面是适合混合盾构施工的区域。

从对砂卵石地层的性能及图３分类可知，首先，该种地层总体应属软弱地层，由沉积形成，因此选型的总体概念应以软弱地层为主；其次，该地层又含有大量的高强度的卵石，必须有对付高强度卵石的办法，也就是机器细部结构及强度、耐磨性上又不可完全遵循软弱地层配置，也不可能遵循硬岩掘进机理来配置，因为滚刀无法在掌子面形成连续的掘进轨迹。所以，在细部配置上要根据砂卵石自身独特的性质及施工要求而综合考虑配置。这样，就应该选择混合式土压平衡盾构机作为原型，再辅以特殊需要的施工配置，以便于使用相应的技术手段实现砂卵石地层的盾构顺利掘进。

3.2砂卵石地层盾构机选型研究

3.2.1砂卵石地层盾构机选型中的问题

在对成都的砂卵石地层进行盾构施工时，有几个问题必须在盾构机结构设计上有解决方案，否则很难达到盾构施工的好效果。

（１）在盾构机刀盘、螺旋输送机的材质上解决高磨损问题。

（２）对刀盘内外的超大卵石有简便的破碎办法。

（３）在盾构机上需设有防止高水压下的喷涌设备。

（４）设计有不从地面处理即可开舱的方法。

（５）有可达到连续掘进的刀盘结构设计。从成都地铁一号线施工的情况看，砂卵石碴土对刀盘、土舱和螺旋输送机的高磨损是不可避免的。

3.2.2砂卵石地层现有盾构机刀盘效果分析

要想解决砂卵石地层盾构机选型中的前述问题，盾构机就需有相应的结构配置来达到解决问题的目的。

这些问题如何解决？我们先从一号线各盾构区间普遍刀盘结构的使用效果来分析。

如图４所示，这是海瑞克给成都地层配置的刀盘结构和刀具布置图，其结构为面板式，配置４把中心双刃滚刀、３２把单刃滚刀、２８把宽刮刀、８把边刮刀，开口率为２８％，开口处设有齿形网格，中心无开口率，面板焊有耐磨网格。

图４现有盾构刀盘配置

Fig.4Routine arrangement of cutter head

通过在成都地铁一号线的使用，可以肯定其配置对成都的砂卵石地层是有一定的适应性，曾创下日掘进１６环２４ｍ的速度、月掘进２９０ｍ的进度。

图３土压平衡盾构机的适应范围

Fig.3Adaptable range of earth pressure balanced shieldTECHNOLOGY

（１）现有刀盘的配置优点

①采用滚刀和宽刮刀混合的刀具布置结构，可有效地对地层中的大卵石进行挤压破碎，使得碴土顺利排出。

②开口处加设齿形网格，有效防止超大卵石进入土舱卡螺旋输送机。

③刀盘侧面及面板加密焊有耐磨钢板和耐磨网格，防止碴土对刀盘的过度磨损。

④刀盘面板上设置八个泡沫注射孔，可保证改良碴土添加剂的加注，并降低刀具温度和减小摩擦。

（２）现有刀盘的配置主要问题

①刀盘开口率较小，尤其是中心开口小，带来了碴土进土舱慢，磨耗大，中心易结泥饼，推进速度慢。

②刀盘上安装的滚刀轨迹较密，为１００ｍｍ左右，使得很多小卵石被切割破碎，做了无用功，磨耗刀具，增大成本。

③刀盘外缘与盾壳切口处的耐磨保护不够，使得切口越来越大，极易被卵石楔进卡刀盘。

④刀盘结构设计的掘进原理理论依据不足。

（３）滚刀破岩机理

为了有效地解决以上问题，我们必须首先从掘进机理上进行分析，上述刀盘结构及刀具布置主要是基于硬岩的破岩机理而设计。

盾构机掘进时的滚刀破岩机理属于挤压剪切破岩。挤压剪切破岩是一种破碎量大、速度快的机械破岩方法，滚刀尖切入岩石过程中，滚刀两侧面挤压剪切破坏两侧岩石达到破碎岩石的目的。图５是滚刀挤压破碎的示意图，轴力Ｐ使滚刀压入岩石，滚动力矩Ｍ使滚刀挤压岩石，两者的共同作用使岩石得到连续的破碎，这是挤压破碎所独有的特点。

图５滚刀挤压破岩示意

Fig.5Mechanism of squeezing-splitting rock by a cutteｒ

一般情况下，在挤压破碎中推力是主要的参数，因为它决定了扭矩（滚动力）以及其它参数；但是在决定挤压破碎的功率中扭矩是最主要的参数，因为它占破碎功的绝大部分。

但是这种机理不能符合砂卵石地层的结构性质，滚刀无法在砂卵石地层的掌子面形成连续的切割轨迹，不可能达到象在岩层中的掘进状态。前面我们分析过，这种砂卵石地层属无胶结或强度极低的泥质胶结，分类当属软弱地层，但又含有强度极高的大小不等的卵砾石，是真正的柔中带刚、软中带硬的地层。据此，我们既不能用纯粹的硬岩掘进机理去套，也不能完全依照软弱地层掘进机理选型。

那么，我们必须建立一种新的掘进机理来适应这种砂卵石地层的掘进，称之谓砂卵石地层掘进机理。

4砂卵石地层盾构机刀盘论证

4.1刀盘布刀总体规划

（１）砂卵石地层是软弱地层，属沉积形成，掘进刀盘必须采用中心先行撕裂刀，首先对掌子面中心地层破坏，形成中心软弱临空面。

（２）接着滚刀挤压松散其余范围的地层，然后其他刀具即可很容易刮开掌子面，从而实现掘进。

（３）中心先行撕裂刀应采用鱼尾式或十字式，在刀盘面板上刃尖高最多不能超过其他刀具刃高１００ｍｍ，理由是：

①太高虽有利于掘进，但对该刀尖的强度要求太高，也易损毁。

②太低则起不到先行撕裂地层的作用。

③盾构机设计的每分钟进尺度最大为８０ｍｍ左右，所以确定该刀先行１００ｍｍ是准确的。

4.2砂卵石地层盾构机刀盘结构论证

如何对待地层中含有强度很高、粒径大小不一的卵石？这也是争论的焦点。一种说法是不理会卵石，将其一并收入土舱，采用大直径的带式螺旋输送机输出，实在输不出去的采用人工进舱破除；另一种说法采用全刀盘滚刀，用滚刀直接切碎卵石后将其收入土舱，用中等直径的杆式螺旋输送机输出。

上述两种方法均存在不足之处。第一种说法直接带来三点害处：①极大的开口降低刀盘强度，直接刮挖地层也使得扭矩非常高，减少主轴承寿命；

②当判断出有无法输出的大卵石时，卵石对设备已产生一定的破坏，这种地层也无法随时开舱，且开舱破石代价很高；③对带式螺旋输送机强度要求太高，且易发生卵石推挤卡死螺旋机的状态发生，极难处理。第二种说法也有三点直接害处：①盘刀的刀具磨损量太多，掘进成本极大；②滚刀做的无用功太多、有用功少，不值得；③刀盘的开口小，造成掘进速度慢。

对于砂卵石地层，上述两种说法均较极端，不具有针对性。砂卵石地层掘进机理认为：滚刀必须用，但数量不可过多；采用常规的直径φ７００～φ９００的杆式螺旋输送机可输出的最大卵石粒径为２４～３５ｃｍ。由此该机理掘进卵石地层的原则是：将含量较多的一般直径卵石直接排出，将含量较少的超大直径卵石用滚刀破碎后排出。即将滚刀的刃间距根据螺旋输送机的最大直径卵石输出尺寸（２００～３００ｍｍ），使得小卵石极少被滚刀切到就可进入土舱排出，而输不出去的大卵石一定会被滚刀切碎在刀盘之外再进入土舱排出。这样，既减少了滚刀的用量，降低成本，也大大降低滚刀做的无用功。而且，滚刀能有效降低刀盘的扭矩，也起到先破坏地层，对刮刀起到至关重要的保护作用。

滚刀对卵石的破碎，也不是硬岩破碎的机理，而是纯粹的滚刀对卵石的挤压应力集中而产生的剪切破坏，这种破碎卵石机理并不需要多大的顶推力，破起来也比较容易（图６）。

4.3砂卵石地层盾构机刀盘结构

根据土压平衡原理和砂卵石地层的特性，刀盘结构宜采用中心开口率稍大的辐条加小面板结构。其理由是：中心开口率大，则降低中心结泥饼的几率；砂卵石地层在无水状态下稳定，在有水状态下不稳定，采用辐条式显然对掌子面的支撑太少，无论何种方式开舱都是有危险的；采用大面板既保证不了开口率，也使得面板和掌子面接触面积过大，无益磨耗过多，还增大了刀盘的摩擦阻力，从而增加了刀盘扭矩。

（１）开口尺寸和开口率设计

砂卵石地层掘进机理强调，刀盘结构既讲究开口率，更要讲究开口尺寸。开口尺寸是该机理重要概念。根据对砂卵石地层的分析，及以往工程经验

图６滚刀对卵石的破碎照片

Fig.6Photo showing a cobble splitted by a cutteｒTECHNOLOGY

类比，认为在这种地层中施工刀盘开口率应在３５％左右为宜。为了实现排小卵石碎大卵石的掘进机理原则，则必须确定合理的开口尺寸。实现开口尺寸的最好办法是使用网格，即在刀盘开口处加设网格，以超大卵石未经滚刀切碎就进入土舱。

（２）降低磨耗处理

在砂卵石地层中盾构机掘进施工，磨损是不可避免的。为保证刀盘不至于在区间内就磨损过大需修补的问题，盾构机降低磨耗的设置是必须要考虑的。可采用几个办法综合使用，如在刀盘面板上加焊耐磨钢板或耐磨网纹；在刀盘侧面切口附近加设高强耐磨块；在刀盘上加设保护性的抗磨导流刀等。但降低磨耗不仅在机器结构上充分考虑，在施工中也应采取各种辅助措施来降低磨耗，如改良碴土，增加其流动性；加注泡沫剂或泥浆，以增加刀盘润滑，降低磨耗等。

（３）根据以上的分析及砂卵石地层掘进机理原则，大致可形成一个近似形象的刀盘形状（图７），但也不完全拘泥于此。

5结束语

从以上的分析和经验总结，富水、大卵石高含量砂卵石地层盾构掘进机理，对刀盘的结构要求是：（１）结构强、材质好。

（２）面板少、开口率大、开口尺寸适当，用网格结构控制。

（３）中心安装超前撕裂刀。

（４）滚刀，滚刀刃间距根据所配置的螺旋输送机的排除卵石尺寸确定。

（５）刀盘的正面、侧面有耐磨保护装置。

对盾构机的推力及扭矩参数要求：

（１）总推力应不低于４５０００ｋＮ。

（２）最大扭矩不低于５０００ｋＮ·ｍ。

据此富水、大卵石高含量砂卵石地层盾构掘进机理选型的盾构机，有望能有效解决富水地层中的大卵石、难掘进、高磨损和开舱问题，由此可有效降低成本消耗，提高掘进效率。

可以肯定，任何一种盾构机只是对一定地层有其特定的适应性，决不是包打天下的，机器本身不能解决的问题就必须辅以相应的其他技术措施来加以解决。

图７刀盘形状及卵石地层剖面

Fig.7Configuration of the cutter head and longitudinal section of cobble strutum

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Design of a Shield Driving in Water-saturated Cobble and Sand Stratum

with High Content of Large-grain Cobbles

Li Haifeng

（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１３ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｅｎ５１８０８３）

Abstract ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅａｎｄｌｅｓｓｏｎｓｌｅａｒｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｈｉｅｌｄｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒｄｒｉｖｉｎｇＣｈｅｎｇｄｕｍｅｔｒｏＬｉｎｅ１，ａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｉｎ－ｄｅｐｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｈｅｎｇｄｕｇｅｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＴＢＭ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｂｒｉｎｇｓｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｏｆＴＢＭｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｂｏｒｉｎｇｗａｔｅｒ－ｓａｔｕｒａｔｅｄｃｏｂｂｌｅａｎｄｓａｎｄｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｓｈｏｕｌｄｂｅｏｆｃｏｍｐｅｔｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍａｄｅｏｆｇｏｏｄｍａｔｅｒｉａｌ．Ａｆｅｗｆａｃｅｐｌａｔｅｓａｒｅｎｅｃｅｓｓａｒｙｗｉｔｈｈｉｇｈｐｅｒｃｅｎｔａｇｅｏｆｏｐｅｎｉｎｇａｎｄｓｕｉｔａｂｌｅｏｐｅｎｉｎｇｓｉｅｚｅ．Ｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙａｎｅｔｗｏｒｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｓｐｌｉｔｔｉｎｇｃｕｔｔｅｒｉｓｓｅｔｏｎｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ．Ｓｐａｃｉｎｇｏｆｃｕｔｔｅｒｓｉｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｔｈｅｓｉｅｚｅｓｏｆｃｏｂｂｌｅｓｔｏｂｅｍｕｃｋｅｄｂｙｔｈｅｓｐｉｒａｌｃｏｎｖｅｙｅｒ．Ａｂｒａｓｉｖｅ－ｒｅｓｉｓｔａｎｔｍｅａｓｕｒｅｓａｒｅａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｔｈｅｆｒｏｎｔａｎｄｌａｔｅｒａｌｓｉｄｅｓｏｆｃｕｔｔｅｒｓ．

Key words Ｃｏｂｂｌｅａｎｄｓａｎｄｓｔｒａｔｕｍ；Ｄｒｉｖｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ；Ｓｈｉｅｌｄ；Ｓｅｌｅｔｉｏｎｓｔｕｄｙ

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