李繼龍

摘要： 本文以廣州地鐵五號線【西場-草暖公園】區(qū)間為例，主要針對困擾盾構(gòu)施工比較常見問題—刀盤結(jié)泥餅，主要研究目的為降低盾構(gòu)施工中刀盤結(jié)泥餅頻率，減少盾構(gòu)施工停工時(shí)間及人工進(jìn)倉頻率以降低施工風(fēng)險(xiǎn)提高施工效率。本文主要以改進(jìn)刀盤設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，采用子母刀盤設(shè)計(jì)，增加中心轉(zhuǎn)速及開口率。該設(shè)計(jì)規(guī)避了原經(jīng)典刀盤設(shè)計(jì)中存在的結(jié)泥餅的誘因，可顯著降低結(jié)泥餅風(fēng)險(xiǎn)。

Abstract： This paper takes the Xichang-Caonuan Park section of the Guangzhou Metro Line 5 as an example to focus on the relatively common mud cake problem of cutterhead plagued in the construction of shields. The main research purpose is to reduce the frequency of mud cake problem of cutterhead during shield construction， reduce the construction time of the shield construction and the frequency of manual entry to warehouse， reduce construction risks and improve construction efficiency. This paper mainly takes the improvement of the cutterhead design as the starting point， adopts the design of the child-mother cutterhead， and increases the center rotation speed and the opening ratio. This design circumvents the incentives for mud cake problem in the original classic cutterhead designs and can significantly reduce the risk of mud cake.

關(guān)鍵詞： 泥餅；開口率；刀盤；貫入度

Key words： mud cake；opening rate；cutterhead；penetration

中圖分類號：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0132-02

0 引言

隨著國內(nèi)人民生活水平的不斷提高，地下軌道交通日益為各城市居民出行的首選交通方式。因此，國內(nèi)各城市也紛紛將地鐵建設(shè)提上日程。在地鐵建設(shè)中，最常用的設(shè)備為盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)在地下施工領(lǐng)域具有安全、高效的特點(diǎn)。但是盾構(gòu)施工中經(jīng)常遇到刀盤結(jié)泥餅這一施工難題，一旦刀盤結(jié)泥餅，最直接的影響就是停機(jī)處理泥餅，處理泥餅過程中往往伴隨著人工進(jìn)倉甚至是人工帶壓進(jìn)倉，不但影響了施工工期的整體安排，還大大增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，降低了工程利潤。

1 泥餅形成原因

刀盤泥餅形成機(jī)理主要是：刀盤在泥巖、泥質(zhì)砂巖、粉質(zhì)黏土等地層中，刀具切削下來的泥土和其它地質(zhì)細(xì)顆粒在刀盤內(nèi)重新集結(jié)并固化，阻塞刀盤渣土導(dǎo)流通道、阻礙刀具旋轉(zhuǎn)及切削土體。半個(gè)多世紀(jì)以來，盾構(gòu)施工領(lǐng)域一直在尋找突破這一盾構(gòu)施工難題的方法，但大多是治標(biāo)不治本，直至今天，刀盤結(jié)泥餅仍為盾構(gòu)施工中的頭號難題。

刀盤結(jié)泥餅后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)不穩(wěn)定、推力大、扭矩高、速度慢、溫度異常等，使盾構(gòu)施工效率大大降低，同時(shí)也嚴(yán)重影響盾構(gòu)機(jī)設(shè)備壽命。

1.1 地質(zhì)因素

盾構(gòu)機(jī)穿越地層中的泥巖、泥質(zhì)砂巖、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖富含礦物質(zhì)元素，這些元素被刀盤切削后形成粉粒狀，在土倉內(nèi)構(gòu)成了形成泥餅的基礎(chǔ)物質(zhì)，當(dāng)形成泥餅條件具備時(shí)，這些顆粒狀物質(zhì)重新集結(jié)并硬化，附著在刀盤或者土倉內(nèi)，從而形成泥餅。

1.2 刀盤設(shè)計(jì)因素

盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)也是刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)主要因素。刀盤中心開口率偏小：在掘進(jìn)過程中刀盤中心轉(zhuǎn)速低（n轉(zhuǎn)速一定，v與r成正比）對切削下來的渣土擾動(dòng)小，如果中心部位刀盤開口率偏小，就會(huì)使低速流動(dòng)的渣土在中心部位集結(jié)，從而形成泥餅；刀盤內(nèi)攪拌棒數(shù)量偏少：現(xiàn)在市場上大多數(shù)盾構(gòu)機(jī)尤其是超大型盾構(gòu)機(jī)為了節(jié)約制造及運(yùn)行成本，大多采用中心支撐主軸承設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)帶來的直接影響就是土倉中心部位缺少被動(dòng)攪拌棒，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越富含礦物質(zhì)地層時(shí)，渣土在中心部位不能被充分?jǐn)嚢?，致使盾?gòu)機(jī)刀盤中心結(jié)泥餅；刀盤刀具布置也是刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)主要因素：刀具布置不合理致使切削下來的渣土塊大小不均、滾刀偏磨，進(jìn)一步降低了掘進(jìn)速度與出渣效率，使土倉內(nèi)渣土集結(jié)形成泥餅。

1.3 施工中控制參數(shù)因素

盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機(jī)操作手對相應(yīng)地層制定的掘進(jìn)參數(shù)也是刀盤結(jié)泥餅的一個(gè)重要因素。在掘進(jìn)過程中，操作手要根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)判斷地層狀況，采用合理的掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良措施（土壓平衡盾構(gòu)機(jī)）、泥漿配合比參數(shù)（泥水平衡盾構(gòu)機(jī)）；盾構(gòu)機(jī)保養(yǎng)也必須跟蹤到位，充分發(fā)揮目前盾構(gòu)機(jī)上具有的防泥餅設(shè)備的功效。

2 子母刀盤防泥餅原理

刀盤結(jié)泥餅最重要的一個(gè)因素就是刀盤中心部位開口率，普通刀盤中心部位開口率受限于中心部位刀具布置，因此刀盤中心開口率低，使得中心部位極易結(jié)泥餅。從結(jié)泥餅原理上分析得知：在盾構(gòu)機(jī)刀盤層面需要解決兩個(gè)問題，第一、刀盤中心部位開口率過低；第二、刀盤中心轉(zhuǎn)速過慢。如果能解決以上兩方面問題，即可大大降低刀盤結(jié)泥餅概率。

新型子母刀盤設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)刀盤在刀盤結(jié)泥餅方面的弊病，中心部位采用兩個(gè)或多個(gè)（依照盾構(gòu)機(jī)大小及內(nèi)部空間而定）子刀盤設(shè)計(jì)，將大部分刀具集成到子刀盤上，為中心部位余出大部分空間用來渣土導(dǎo)流，從而解決了中心開口率的問題；另外，子刀盤擁有自主的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)速方面不受母刀盤的控制，可適當(dāng)提高子刀盤轉(zhuǎn)速，以提高中心渣土導(dǎo)流的流速。

3 結(jié)語

本文結(jié)合廣州地鐵的實(shí)際情況，針對廣州地區(qū)地層情況復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)新型防泥餅刀盤，希望對廣州及全國地下工程盾構(gòu)施工提供借鑒，對未來珠三角大直徑盾構(gòu)施工刀盤設(shè)計(jì)有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋云.盾構(gòu)機(jī)刀盤選型與設(shè)計(jì)理論研究.2009-04.

[2]陳喬松，劉德智.泥水平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤泥餅形成機(jī)理及防治技術(shù).2012-08.

[3]王新，沈奇.土壓盾構(gòu)在砂性土中施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，2013（02）.