張家年

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，隧道及地下空間的建設(shè)迅猛發(fā)展，盾構(gòu)作為隧道機(jī)械化施工裝備以其施工效率高、安全性好的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段約70%的水下隧道采用盾構(gòu)法修建[1]。在以往盾構(gòu)施工過程中，更換刀具需通過人閘進(jìn)入遠(yuǎn)高于大氣壓力的開挖艙進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)，這一過程往往存在以下缺點(diǎn):①帶壓進(jìn)艙更換刀具對(duì)操作人員要求高，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大，對(duì)操作人員健康非常不利;②操作人員在開挖艙內(nèi)工作時(shí)間受限，作業(yè)效率低[2～4]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)武漢地鐵越江隧道復(fù)合地層刀盤刀具配置和磨損刀具的安全更換問題，提出了一種常壓下滾刀、齒刀互換的配置方案，盾構(gòu)直徑為12.53m，采用了一種非全斷面滾刀的復(fù)合式常壓刀盤方案。文獻(xiàn)[6]對(duì)刀盤力學(xué)性能進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，有助于對(duì)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)。文獻(xiàn)[7]對(duì)上軟下硬灰?guī)r地層盾構(gòu)刀具異常崩裂原因進(jìn)行了分析。以上學(xué)者的研究成果對(duì)復(fù)合地層刀盤設(shè)計(jì)、刀具布置及應(yīng)用具有較好的指導(dǎo)作用，但是缺少對(duì)海底隧道穿越灰?guī)r、板巖、溶洞、破碎帶類似地層的盾構(gòu)刀盤刀具選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析。

本文結(jié)合大連地鐵5 號(hào)線跨海隧道工程，通過分析盾構(gòu)穿越地層水文地質(zhì)，比較了帶壓換刀和常壓換刀效率，設(shè)計(jì)了12m 級(jí)全斷面滾刀及刮刀常壓更換復(fù)合刀盤，提高了盾構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性。

1 工程概況

大連海灣地鐵隧道采用單管雙線設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)徑?10 800mm，隧道外徑?11 800mm，隧道總長(zhǎng)2 870m，海域段長(zhǎng)2 310m，最大水壓約5bar，隧道平面及管片如圖1、圖2 所示。

圖1 跨海隧道平面圖

圖2 隧道管片圖

根據(jù)地勘資料，盾構(gòu)隧道穿越中、強(qiáng)風(fēng)化板巖，鈣質(zhì)板巖，白云質(zhì)灰?guī)r及中風(fēng)化輝綠巖。其中白云質(zhì)灰?guī)r天然抗壓強(qiáng)度30.6～82.5MPa，平均強(qiáng)度52.38MPa，局部最大高達(dá)116MPa；板巖天然抗壓強(qiáng)度16.5MPa；鈣質(zhì)板巖飽和抗壓強(qiáng)度17.2～78.1MPa，平均43.1MPa；輝綠巖天然抗壓強(qiáng)度49.5～71.8MPa，平均60.5MPa?；?guī)r地段存在大量溶洞和破碎帶，洞高0.2～11.3m；最小埋深12.2m，最大埋深24.5m，海域段最大埋深23m。

2 盾構(gòu)刀盤選型

根據(jù)該項(xiàng)目盾構(gòu)隧道穿越水文地質(zhì)、隧道長(zhǎng)度及隧道直徑，盾構(gòu)選型采用1 臺(tái)氣墊式泥水平衡盾構(gòu)施工。由于灰?guī)r、巖溶、破碎帶等復(fù)雜地層，刀具容易異常損壞，因此掘進(jìn)過程中避免不了需要經(jīng)常檢查更換刀盤上刀具，如何提高換刀效率成為刀盤選型的主要矛盾。

關(guān)于刀盤選型，可采用常規(guī)換刀復(fù)合式刀盤及常壓換刀復(fù)合式刀盤，如圖3、圖4 所示。根據(jù)高水壓環(huán)境下帶壓換刀效率統(tǒng)計(jì)（表1），水壓越高，換刀效率越低，當(dāng)水壓為6bar 時(shí)，非飽和帶壓進(jìn)倉作業(yè)工作時(shí)間僅能保持60min，且減壓時(shí)間為176min，作業(yè)效率僅為25%；即使采用飽和帶壓進(jìn)倉作業(yè)工作時(shí)間雖為15 850min，但減壓時(shí)間高達(dá)3 330min，作業(yè)效率僅為82%。其次刀盤直徑達(dá)12.26m，刀具數(shù)量多，大大延長(zhǎng)了刀具檢查和刀具更換時(shí)間，人工帶壓進(jìn)倉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大，效率低。同時(shí)穿越地層最大單軸抗壓強(qiáng)度為116MPa，從破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，常壓刀盤采用19 寸單刃滾刀及100mm 刀間距，可以獲得一定貫入度，滿足掘進(jìn)效率。綜合考慮換刀作業(yè)效率、換刀風(fēng)險(xiǎn)和該項(xiàng)目地層巖石強(qiáng)度，刀盤選型為常壓換刀刀盤，可實(shí)現(xiàn)人工在大氣壓環(huán)境下安全順利更換刀具。

圖3 常規(guī)換刀復(fù)合式刀盤 圖4 常壓換刀復(fù)合式刀盤

表1 帶壓作業(yè)工作效率統(tǒng)計(jì)

3 刀盤總體設(shè)計(jì)

刀盤開挖直徑設(shè)計(jì)為?12.26m，刀盤結(jié)構(gòu)形式為6 中空主梁+6 副梁，刀盤與驅(qū)動(dòng)采用中心支撐方式，作業(yè)人員可通過刀盤法蘭中心通道進(jìn)入刀盤主梁內(nèi)部，主梁內(nèi)部為大氣壓環(huán)境；刀盤布置全斷面可常壓更換滾刀及全斷面可常壓更換刮刀，同時(shí)在主梁及副梁側(cè)面布置有常規(guī)更換刮刀，以減緩常壓更換刮刀磨損速率，同時(shí)保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)，共布置62 把常壓更換滾刀，32 把常壓更換刮刀；為增大12m 級(jí)復(fù)合式常壓刀盤開口率，副梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了緊湊設(shè)計(jì)，刀盤整體開口率為23%；同時(shí)由于溶洞及破碎帶地層存在大粒徑石塊，根據(jù)刀盤底部泥水倉破碎機(jī)破碎粒徑能力，刀盤開口進(jìn)行了限制，在刀盤主梁和副梁側(cè)面設(shè)計(jì)有格柵，限制粒徑為?350mm。

3.1 常壓換刀裝置設(shè)計(jì)

常壓換刀裝置是實(shí)現(xiàn)常壓更換刀具的核心部件，主要由刀筒、常壓換刀裝置閘門密封座以及拆裝刀筒的專用工裝等組成。根據(jù)刀盤上不同的位置（中心、正面、邊緣）和刀具類型，分別設(shè)計(jì)有中心滾刀常壓裝置、正面滾刀常壓裝置（圖5）、邊緣滾刀常壓裝置、刮刀常壓裝置（圖6）等。每套常壓裝置在工廠都經(jīng)過嚴(yán)格的密封模擬性能測(cè)試，保證在設(shè)計(jì)最高壓力下，常壓裝置閘門具有良好的密封性能和可靠性。

3.2 刀具選型布置

圖5 正面滾刀常壓換刀裝置

圖6 正面刮刀常壓換刀裝置

1）常壓滾刀 根據(jù)地層巖石強(qiáng)度、刀盤結(jié)構(gòu)形式和常壓換裝置結(jié)構(gòu)尺寸，中心滾刀選用17 寸雙軸雙刃滾刀（圖7），兩把滾刀之間采用同一楔形塊進(jìn)行楔緊，節(jié)省了刀筒內(nèi)部空間，中心滾刀刀間距為120mm，小于國(guó)外及國(guó)內(nèi)其他品牌盾構(gòu)大直徑常壓刀盤中心17 寸滾刀刀間距，提高了中心滾刀破巖效率。正面及弧形區(qū)域選用19 寸雙軸雙刃滾刀（圖8），正面滾刀刀間距為100mm，每把滾刀均為獨(dú)立兩個(gè)圓錐滾子軸承，提高了滾刀破巖載荷能力，最外軌跡選用19 寸單刃滾刀（圖9），并同軌跡布置2 把，提高了刀盤保徑能力。

圖7 中心17寸雙軸雙刃滾刀

圖8 正面19寸雙軸雙刃滾刀

圖9 最外軌跡19寸單刃滾刀

2）刮刀 作為刀盤上第二層刀具，刮刀主要負(fù)責(zé)把刀盤前方渣土主動(dòng)刮入刀盤進(jìn)渣通道，減少滾刀二次磨損。常壓更換刮刀頭通過銷軸固定于刮刀刀筒上，并且隨著所在刀盤位置，刀頭形狀匹配相應(yīng)位置角度設(shè)計(jì)，相領(lǐng)軌跡常壓刮刀實(shí)行部分重疊布置。帶壓更換刮刀所占空間位置相對(duì)較小，與常壓刮刀同軌跡布置，減緩了常壓更換刮刀磨損速率，同時(shí)保護(hù)刀盤結(jié)構(gòu)（圖10）。

圖10 常壓更換刮刀圖

3.3 常壓滾刀刀座加強(qiáng)方案

由于灰?guī)r掌子面凹凸不平、棱角明顯，刀盤周邊滾刀線速度大，滾刀所受沖擊振動(dòng)強(qiáng)烈，頻繁的沖擊振動(dòng)容易導(dǎo)致滾刀刀筒內(nèi)刀座變形或斷裂，根據(jù)模擬和Ansys 有限元分析，如圖11 所示，對(duì)已加工好的常規(guī)19 寸雙軸雙刃刀座，在該刀座后端面中心增加可拆卸連接加強(qiáng)塊，增強(qiáng)了滾刀端蓋支撐V 形面兩邊的抗沖擊性。

圖11 常壓滾刀刀座加強(qiáng)方案

3.4 刀具抗沖擊優(yōu)化

由于常壓換刀裝置及刀筒空間結(jié)構(gòu)原因，常壓更換刀具布置時(shí)，高出刀盤面板較多，常壓更換滾刀刀高為225mm，刮刀刀高設(shè)計(jì)為185mm，因此在常壓滾刀固定座圓周方向兩側(cè)、帶壓更換刮刀后部均設(shè)計(jì)有抗沖擊保護(hù)塊（圖12），同時(shí)為增強(qiáng)抗沖擊保護(hù)塊的耐磨性能，保護(hù)塊由500HB 耐磨鋼板及Q345B 鋼板上下兩部分復(fù)合組成。

圖12 刀具抗沖擊優(yōu)化

3.5 刀盤強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)校核

根據(jù)項(xiàng)目地質(zhì)資料，溶洞、破碎帶和上軟下硬地層刀盤在掘進(jìn)過程中，不僅振動(dòng)強(qiáng)烈，刀盤主結(jié)構(gòu)所受偏載力也較大，因此在設(shè)計(jì)過程中，常壓刀盤主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，并經(jīng)Ansys 有限元分析校核驗(yàn)算。分別分析刀盤結(jié)構(gòu)在均勻載荷和1/3 偏載工況下的最大應(yīng)力和最大變形，經(jīng)計(jì)算，刀盤主結(jié)構(gòu)均載工況下刀盤最大應(yīng)力為161.4MPa，最大變形2.65mm，1/3 偏載工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力164.7MPa，最大變形5.56mm，刀盤結(jié)構(gòu)材料為Q345R，屈服強(qiáng)度為345MPa，針對(duì)最大應(yīng)力164.7MPa，仍具有345/164.7=2.1倍安全系數(shù)，滿足盾構(gòu)設(shè)計(jì)施工要求。

4 應(yīng)用效果

截至2020 年3 月，該項(xiàng)目泥水盾構(gòu)已順利掘進(jìn)1 386m，完成總工程量的48.3%。

1）平均掘進(jìn)速度為6～9mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.3～1.5r/min，刀盤扭矩為3 000～3 500kNm，盾構(gòu)總推力為6 000～6 500t，最高日進(jìn)度14m，最高月進(jìn)度140m。

2）通過刀盤常壓換刀裝置（圖13）累計(jì)拆裝常壓滾刀刀筒和常壓切刀刀筒約500 次，更換滾刀約700 把，平均換一把滾刀時(shí)間為3～5h，提高了換刀和施工效率。

圖13 刀盤內(nèi)常壓換刀照片

3）針對(duì)19 寸雙軸雙刃常壓滾刀刀座加強(qiáng)方案，取得了預(yù)期效果，增強(qiáng)了刀座的抗沖擊性。

4）由于破碎帶和巖溶地層的沖擊作用，刀具主要損壞形式為滾刀刀圈斷裂、滾刀偏磨、刀具固定螺栓脫落斷裂和刮刀合金崩落。

5 結(jié)論與建議

針對(duì)海底隧道灰?guī)r、板巖、破碎帶和巖溶發(fā)育地層，國(guó)內(nèi)首次設(shè)計(jì)了12m 級(jí)全斷面滾刀和刮刀可常壓更換刀盤，大大提高了換刀效率，降低了換刀風(fēng)險(xiǎn)，通過優(yōu)化刀具選型布置、常壓滾刀刀座、刀具抗沖擊和刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度等設(shè)計(jì)，工程應(yīng)用表明，刀盤具有較好的地質(zhì)適應(yīng)性，可為類似地層盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)提供借鑒。

巖溶破碎帶掘進(jìn)過程中，刀盤刀具振動(dòng)明顯，除了實(shí)時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，刀具固定螺栓和常壓換刀裝置固定螺栓等需加強(qiáng)檢查管理，注意系列螺栓打緊工藝，保證螺栓安裝效果和質(zhì)量。

針對(duì)灰?guī)r、破碎帶、巖溶地層，為降低刮刀崩落的風(fēng)險(xiǎn)，宜適當(dāng)降低刮刀高度，增大滾刀與刮刀高差。

為減少巖溶破碎帶地層刀具的異常損壞，需進(jìn)一步加強(qiáng)滾刀刀圈材料、熱處理、滾刀軸承承載力、滾刀裝配和滾刀載荷檢測(cè)技術(shù)的研究。