摘 要 简要地总结了投入到XX地铁二号线越～三区间隧道施工的复合式土压平衡盾构的刀盘特点、适应性以及以后施工需要改进的主要功能。
1 工程概况
XX地铁二号线XX站～XX站区间隧道盾构工程区间隧道全长3673.566 单线延米。越～火及火～三两个区间左右线共有三组六段曲线, 转弯半径分别为600m、400m, 曲线合计长度约1939m, 占线路全长49.4％。两个区间均为“V”形坡, 最大坡度30‰。隧道上覆土厚度最大约28m,最小约9m。整个区间隧道的地表建筑物密集, 地面交通繁忙, 地下管线复杂, 共穿越135 栋建筑物, 其中四层楼以上的建筑物31 栋, 最高为7 层。整个区间隧道穿越的各种地下管线达56 条。越～火区间的地质构造主要为广从断裂。广从断裂总体走向为20°～ 30°, 倾向NW, 倾角40°～60°, 属正断层, 从东北向西南延伸。主断裂分布于XX人行天桥至XX市体育馆间（YCK15+550～700）, 断裂带由构造角砾岩、断层碎块岩组成。火～三区间的地质构造主要为走马岗断裂。走马岗断裂走向为近东西, 倾向NW, 倾角很缓, 在左线ZCK17+120～+150 和右线YCK17+155～+180附近洞身下方通过,通过处呈明显的风化深槽。区间隧道穿越的地层大部分是强风化岩<7>与中风化岩<8>, 以及微风化岩<9>, 有少部分为全风化岩<6>、残积土层<5-2>和断裂破碎带, 岩性以粉砂岩、粗砂岩为主, 岩石的天然单轴极限抗压强度最高值为78MPa。各种地层所占的比例见表1。地下水主要为第四系空隙水与基岩裂隙水, 地下水位为地表下1m～2m。盾构隧道所穿越地层的地质复杂, 均一性差,
岩性变化大, 强度差异大, 隧道主要穿过地层有泥质粉砂岩、泥质粉砂岩残积土, 岩层天然单轴抗压强度从0.2MPa～78MPa 不等。泥质粉砂岩的典型特征就是遇水易于黏结,流动性差, 不利于掘进。这也是该区间隧道所有<8>号泥质粉砂岩及粉砂质泥岩地段施工的难点,要求所选盾构机刀盘设计和系统配置能够有效的防止泥饼的产生。隧道范围内各地层的体积与长度比例见表1。
2 刀盘选型
2.1 盾构机选型
根据本合同工程地质条件及工期要求, 采用两台土压平衡盾构（机型EPB6300）, 各承担左右线隧道的掘进任务。通过对XX公司、XX公司等的盾构进行比较, 最后从XX公司引进两台复合式土压平衡盾构, 以适应含水的软、硬岩及混合地层的隧道掘进。盾构在掘进施工过程中具有土压平衡、开敞、半开敞三种掘进模式。
2.2 刀盘刀具布置方式
整个刀盘的刀具布置有两种不同的方式（滚刀布置、齿刀布置）, 两种不同刀具布置方式如图1、图2 所示。
3 刀盘适应性
3.1 总体评价
本刀盘是根据广州施工现场的具体地质条件设计、制造的, 刀盘结构具有刀具（滚刀、齿刀）的互换性和可更换性, 通过3673.566m 的掘进证明,刀盘较好的满足了越～三区间不同地层的掘进需要。
3.2 刀盘主要性能评价
3.2.1 强大、合理的刀盘结构
先锋号盾构的刀盘结构形式是一种硬岩刀盘的形式：面板形, 周边圆弧过度, 均匀滚刀布置。刀盘采用面板形, 有利于布置了滚刀后的刀盘结构强度更高, 更能承受大的荷载, 整个刀盘为不规则箱式结构, 壁板及面板厚度均大于或等于40mm,总重55t, 在施工中经历了中心刀全部损坏时约3000t 的推力, 刀盘未发生变形或焊缝开裂。周边采用圆弧形, 则为硬岩刀盘最典型的特征, 因为周边圆弧形过度增大了周边刀盘的面积,可在周边布置更多的滚刀以适应周边滚刀高线速度快磨损的需要。
3.2.2 合理的排碴口设计
为了确保先锋号盾构能适应软土地层掘进,在综合考虑软土切削及碴土流动的基础上, 先锋号盾构的刀盘增加了八条进碴槽, 同时八条进碴口两侧各安装了八把切刀, 切刀刃口面与工作面成约55°夹角以利于碴土能顺利流入碴仓。先锋号盾构刀盘的开口面积占刀盘总面积的30%。八条狭长开口从刀盘中心部位至外侧弧形面中心对称分布在刀盘上, 另有八个小开口在刀盘外端的弧形面上360°均匀分布。
3.2.3 灵活的刀具安装
先锋号盾构配置了三种软土刀具：切刀、齿刀、弧形刮刀, 齿刀与盘型滚刀可以互换安装。其中切刀64 把, 弧形刮刀16 把, 齿刀14 把。另配置了双刃盘型滚刀19 把, 用于硬岩段切削（周边5 把滚刀不能更换为齿刀）。双刃盘形滚刀的承载力为25t, 刀盘中间部位的刀间距100mm, 刀盘边缘部位刀间距为60mm～70mm。双刃盘形滚刀的滚动阻力矩小, 在砂层中掘进时就可以滚动。
齿刀与盘型滚刀互换安装进一步增大了刀盘的地层适应能力。特别是在<8>地层中掘进时, 采用齿刀与滚刀混装方式能有效增加刀盘中心区域开口。在施工后期, 通过轻型盘形滚刀与中型滚刀的互换, 进一步提高了刀盘的适应能力, 也进一步证明了复合式盾构的成功之处。
3.2.4 良好的碴土改良系统
刀盘前部的中心部位, 装有一个用于注入料的旋转接头, 同时设备本身配备了泡沫和膨润土注入系统, 有利于隧道掘进过程中的防水与降低掘进扭距、提高掘进速度。在刀盘的背后装有四个搅拌臂, 以用来进行充分的碴土改良。每个搅拌臂都配置有一组泡沫孔, 以利于土仓内的碴土性能改良。
3.2.5 合适的刀盘推力与扭距
通过 3673.566m 的掘进, 证明了刀盘的推力与扭距足以满足广州地层需要, 在掘进过程中, 推力与扭距一般只达到额定推力与扭距的70％～80％左右。
3.2.6 强有力的防泥饼措施
为防止在8＃地层中掘进时刀盘中心产生泥饼, 提高碴土的流动性, 先锋号盾构在刀盘上主要采取了如下措施防止泥饼产生。
a. 刀具凸出刀盘较大的间距。盘形滚刀与刀盘
之间的间距为175mm, 齿刀、切刀和齿刀刃距刀盘面板的高度为140mm, 这样在广州红层中盾构掘进时,能使刀盘前方切削下来的碴土有较大的流动空间,有利于刀盘前方碴土的流动。另外由于滚刀高出齿刀和切刀35mm, 在硬岩地段掘进时可以保护切刀和刮刀不受破坏。
b. 刀盘中心增加了开口率, 以便将刀盘中心双刃盘形滚刀更换为齿刀。
4 以后施工需要改进的地方
在完成的3673.566m 隧道掘进过程中, 虽然整个刀盘能较好的适应越三区间地层的地质条件。但在以后施工时, 笔者认为有以下方面需要进行进一步的探讨或进行改进。
a. 刀盘中心刀具布置
刀盘中心开口率相对来说比较低, 在掘进过程曾有泥饼形成（特别是中心部位采用盘形滚刀刀具的情况下, 采用土压平衡模式掘进时）。在后期中心部位有意使用齿刀后, 中心的泥饼问题基本解决（主要是增加了刀盘中心部位开口率）。
b. 盘形滚刀
轻型双刃盘形滚刀的滚动阻力矩小, 在砂层中掘进时就可以滚动, 使盘形滚刀能较好的适应5－2#、6#、7#、8#、9＃地层。在广～越区间掘进比较坚硬的岩层时, 轻型双刃盘形滚刀的适应性不是很好, 在后期使用中型盘形滚刀后, 使用效果较好（特别是在较为坚硬的8＃、9＃地层）。
c. 仿形刀
仿形刀容易出现偏磨现象, 在整个越三区间3673.566m 隧道掘进过程中, 所有仿形刀都是因偏磨而造成损坏。在以后的施工中, 仿形刀的选择与使用有待于进一步探讨。
d. 刀座
刀具 刀座设计不合理, 很容易因掘进造成刀座变形或刀具脱落及螺旋输送机损坏等事故发生。
e. 刀具降温
每把盘形滚刀在掘进时没有专门设置降温装置, 在采用气压平衡模式掘进时, 盘形滚刀容易被碴土包裹, 极易造成刀具温度过高而使刀具损坏或形成滚刀偏磨造成刀具损坏。
f. 碴土改良系统
刀盘面板的泡沫、水注入系统有力的改善了碴土的流动性, 但由于泡沫注入孔数量偏少和位置相对不太合理, 在土压平衡模式状态下掘进时,碴土改良效果欠佳, 特别是刀盘中心部位和边刀位置。
