摘 要：针对两种品牌盾构在同一地层掘进的施工案例，结合盾构机在北京地铁卵石地层中施工的经验，本文重点讲述了盾构机关键部件刀盘以及螺旋输送机在卵石地层中的实际应用，通过对盾构机施工参数对比、螺旋输送机的选型以及刀盘开口率匹配等的探索性试验，为以后北京地区卵石地层盾构施工提供了参考。

关键词：卵石地层 盾构机 刀盘

土压平衡盾构法施工在我国城市地铁隧道、过江河公路隧道、城市排污管道、过江输水或气管道中使用越来越普遍。而作为施工主机械的盾构机选型工作在施工中直接影响着工程的进度快慢，在北京地区卵石掘进的盾构机经常出现螺旋机卡死、盾构刀盘结泥饼和卵石块无法排出、刀盘卡死、刀盘磨损等地层现象，该地层中刀盘开口率、刀盘大圆环形式、螺旋输送机的形式、使用参数以及螺机土仓内的伸出量都会影响到出渣的连续性与流畅性。本文通过对同地层两种参数进行对比分析，力求寻找出一个适应北京地区卵石地层的刀盘以及螺旋输送机得使用方法，为以后同类地层盾构施工提供参考。

一、地质状况

盾构机通过的地层自上往下主要为：①粉土填土，①1杂填土、④2粉土、④3粉细砂、⑥粉质粘土、⑤2粉细砂、⑤卵石、⑦卵石。盾构穿越地层主要为卵石⑤层、粉质粘土⑥层、卵石⑦层，全段连续分布，局部为粉细砂⑤2层、粉质粘土⑤4层。整个区间各地层比例所占比例如图1。卵石的颗粒物最大粒径不小于390mm，卵石、漂石主要成份为石英砂岩、辉绿岩、安山岩、硅质白云岩等坚硬岩类，且地下水稀少。

二、盾构主要参数对比

刀盘是土压平衡盾构机的重要组成部分，主要功能有：1）挤压、切削刀盘前方地层中的渣土，通过旋转刀盘的方式使其进入土仓；2）刀盘有支撑前方土层的作用；3）通过渣土的搅拌使土仓内及刀盘前方的渣土能够形成有效的搅拌改良。刀盘主要结构由支撑臂、刀盘面板、刀具、搅拌轴及泡沫孔等组成，目前国内土压平衡盾构使用的刀盘主要有面板式和辐条式，我们介绍的为不同开口率的面板式刀盘在该地层中应用。

三、两种开口率的刀盘及螺旋形式在卵石地层中的使用情况对比

在北京地区卵石地层中掘进，刀盘开口率的大小是刀盘重要的参数之一，有效的开口率能及时的将刀盘前方的卵石刮入土仓内进而通过螺旋机输送到土仓外。刀盘开口率过小容易导致刀盘前方的卵石不能及时进入土仓，需要刀具多次滚压至卵石变小后才能重新进入土仓，在掘进速度较快时，大量的卵石堆积至刀盘前方就形成了土塞进而形成泥饼，严重制约了盾构的掘进速度，是掘进能否正常的重要因素之一。下面以两种不同开口率的刀盘及不同形式的螺旋机在相同地层中使用为例，对盾构掘进参数进行对比分析，并得出结论。
1.本标段地层主要以卵石⑤、⑦地层为主，两种盾构采用开口率大小不同的刀盘形式，盾构刀盘开口率为40%的刀盘为了满足大颗类卵石排出采用的为带式螺旋机，该螺旋输送机的叶片间距是540mm，最大通过粒径的轴线距离为560mm，螺旋机钢筒的直径为850mm，螺旋机叶片深入土仓的最大长度为700mm。
盾构刀盘开口率为23%的刀盘采用的为轴式螺旋机。其原因是控制出渣量及喷涌现象的出现易采用轴式螺旋机。该螺旋输送机的叶片间距是650mm，最大通过粒径的轴线距离为300mm，螺旋机钢筒的直径为900mm，螺旋机叶片深入土仓的最大长度为750mm。
2.在本标段卵石地层中掘进，两种刀盘的盾构掘进参数也有所不同，下面对两台盾构不同掘进里程时的主要掘进参数进行对比，参数对比见表2：
在同地层掘进过程中，开口率较大的盾构的总推力在1300-1800T之间，上部土仓压力0.6-0.8bar，掘进速度30-40mm/min，刀盘扭矩波动范围最大为300KNM，扭矩一般为4000-5000KNM之间，出渣量3车以内（41-44方），地表沉降较小。螺旋机排出的最大粒径的卵石为400×500mm，
开口率较小的盾构掘进过程中总推力800-2000T，上部土仓压力0.3-0.4bar，掘进速度15-60 mm/min，刀盘扭矩波动范围较大，最大为1000KNM，扭矩一般为4000-6000KNM之间，出渣量3车（46方）相对偏大，地表沉降值相比开口率较大的带式螺旋盾构较大，螺旋机排出的最大粒径250×250mm，且多次出现螺旋机被卡的现象，由于大块渣土在土仓内集压，刀盘开口堵塞，需要人工进仓清理。
3.通过掘进对比，两种形式的刀盘及螺旋输送机得出以下几点结论：
3.1在卵石地层的掘进过程中，刀盘开口率越大，螺旋机出渣粒径越大、螺旋机脱困扭矩越大，盾构的出渣量、土压力及地层稳定性越容易控制，掘进参数也会更好更有利于施工。
3.2刀盘开口率较大的刀盘可以有效的将大卵石排出刀盘前方，带式螺旋机的出渣粒设计为540×560mm，可以满足较大类型的卵石运出土仓，可以有效的保证掘进的顺利进行刀盘的开口率较小的刀盘容易出现堵仓结泥饼等现象，同时刀盘前方的大卵石无法排出刀盘导致刀具二次磨损刀盘扭矩增大，刀盘卡死等现象。在卵石地层中刀盘开口率起着至关重要的作用，建议设定在40-60%，这样可以有效的改善了渣土的流动性，在出渣过程中能够顺利的将土仓内的大型卵石排除土仓，渣土改良效果较好。
3.3两台盾构的螺旋输送机在土仓内螺旋搅动的范围也只有直径1000mm左右，容易在土仓内下部左右两侧出现集渣，在卵石地层的掘进螺旋机的搅动范围越大，对掘进越有利。刀盘的主动搅拌棒设计与螺旋机的搅动应互相对应。
3.4卵石地层中，卵石的大小不一，而螺旋机通过的粒径只能按照设计的最小数来计算，带式螺旋机为540mm，杆式螺旋机为300mm。当地层中卵石较大时，杆式螺旋机由于设计通过的渣土粒径比较小，所以经常出现螺旋机卡死现象，螺机卡死后需要开仓进行人工处理，刀盘结泥饼和螺旋机卡住的次数也会增加。

四、刀盘大圆环形式探讨

在使用过程中，为了盾构机更好地适应卵石地层的掘进施工，针对几种刀盘在卵石地层中大圆环的磨损情况进行对比分析，已避免刀盘的磨损。在使用过程中，为了盾构机更好地适应卵石地层的掘进施工，针对带式无轴螺旋机盾构的施工情况，目前对两种刀盘的形式进行分析，一种是海瑞克刀盘；一种是中铁号刀盘。
中铁3号理论设计刀盘锲口环位置尺寸：锲口环理论允许通过最大卵石的直径为￠50mm，而在锲口环位置，刀盘与前体之间存在高差45mm，宽100mm的空间，有大量卵石卡在锲口环位置跟随刀盘一直向前推进。
海瑞克盾构理论设计刀盘锲口环尺寸：刀盘锲口环允许通过最大卵石的直径为￠75，而在锲口环位置，刀盘与前体之间存在高差16mm，宽60mm的空间，理论上卵石无法存放在刀盘锲口环处。如下图3所示
通过使用发现两种形式的刀盘大圆环磨损量存在很大区别，中铁号在掘进1000m时磨损量达到100mm，而海瑞克大圆环的磨损量仅有30mm。同时在开仓过程中大圆环位置海瑞克没有卵石的存在而中铁号容易有大量卵石卡在大圆环位置造成刀盘的磨损加剧，同时增大了刀盘的扭矩。

五、结论

通过对两种盾构的对比和探索性试验，得出以下几点建议：1）在卵石地层掘进时，刀盘开口率相比，开口率大能够更好的加快掘进进度，降低刀盘卡卵石的情况出现；2）在北京地区卵石地层盾构的使用中，无中心轴带式螺旋机要优于有中心轴螺杆式螺旋机，带式螺旋机能够及时置换土仓内的渣土，降低刀盘结泥饼和卡螺旋机的风险；在卵石地层的掘进过程中，螺旋机应有两套后舱门一套前仓门，出渣通过两套后仓门的开关可以有效地防止了喷涌现象的出现，且单舱门也会造成土仓压力波动较大，掘进参数变化较大的情况。3）刀盘的大圆环形式能够决定刀盘磨损的速率快慢。另外，由于卵石地层的特性，长时间停机会出现卵石沉淀，易出现卡螺机、卡刀盘的现象，解决此类问题，是否可以通过正反转，提前加入适量的渣土改良剂至刀盘内，顺利疏通螺旋及土仓，及时的将土仓内的渣土排出置换，满足现场的施工需求还要以后进一步讨论验证。

参考文献
[1]王洪新，傅德明.土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究[J].土木工程学报2007，40（5）.
[2] 胡国良，胡绍华，龚国芳.土压平衡盾构螺旋输送机排土控制分析[J].工程机械2008，39（4）.