中交二航局成都城市建设工程有限公司 四川成都 610000
摘要：盾构机型的选择合不合适、配置的合不合理直接影响到整个地铁隧道施工的成败。“富水砂卵石地层”对于地铁盾构施工来说是一块难啃的“硬骨头”，本文以成都地铁17号线盾构工程为实验背景，开展大开口刀盘、带式螺旋机配置的土压平衡盾构与富水砂卵石地层适应性研究，通过理论与工程实践有机结合，收集大量现场掘进实测数据、资料，对采用不同配置的盾构设备在富水砂卵石地层的盾构掘进效能、关键参数地层适应性、刀具磨损情况及螺旋机排土效果等进行了综合性对比研究，为富水砂卵石地层盾构机选型提供技术参考。
关键词：富水砂卵石；土压平衡；大开口刀盘；带式螺旋机
1工程概述
1.1工程概况
凤溪河站～温泉大道站区间位于成都市温江区域，区间长度1419m，隧道覆土厚度9.8～19.3m，地下水位埋深4.8～10.3m。线路南起温泉大道站，沿凤溪大道向北掘进至凤溪河站，区间沿线依次下穿五洞桥路、永兴路、南江路及南熏大道4个交叉路口，而凤溪大道为温江区主干道，地面车流量较大。
1.2穿越地层情况
凤溪河站～温泉大道站区间位于岷江水系Ⅰ级阶地，大部分地段上覆第四系全新统人工填筑杂填土（Q4ml），厚0.8～4.0m；其下依次为全新统冰水沉积、冲积层（Q4al）粉质黏土，厚1.2～2.4m，硬塑状，局部可塑状；上更新统冰水沉积、冲积层（Q3fgl+al）卵石土，厚度较大，未见底，卵石成份主要为中等风化～强风化花岗岩、石英砂岩、石灰岩，磨圆度较好，以亚圆形为主，少量圆形，分选性差；夹透镜状砂土，厚0.3～0.7m，松散～稍密。卵石含量约占75%以上，卵石粒径为20～70cm之间，卵石单轴抗压强度超过132MPa。
1.3盾构选型情况
凤溪河站～温泉大道站区间采用了φ8580mm复合式土压平衡盾构机，开挖直径φ8634mm，设备总长105.471m，盾体总长10.848m，刀盘驱动方式为变频电机驱动，推进油缸38个，最大行程2.2m，采用的创新型45%开口率刀盘配备带式螺旋盾构机（简称带式盾构）。“以排为主，排破结合”为设计理念，是成都地铁首次尝试使用如此大开口率刀盘和带式螺旋盾构机。而相邻盾构区间采用常规盾构36%开口率配备轴式螺旋盾构机（以下简称轴式盾构），具体盾构选型参数详见表1。
表1盾构机机型配置主要参数
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2盾构掘进效能对比研究
在富水砂卵石地层尤其是大粒径卵漂石地层盾构掘进时，因为刀盘开口率较小的缘故，刀盘掌子面前的大粒径卵漂石很难进入土舱，不容易通过螺旋输送机排出或者排土不顺畅，此时，阻挡在刀盘掌子面前和土舱内的大粒径卵漂石就会对刀盘刀具、搅拌装置进行磨损，同时也加大了盾构掘进的负荷，使盾构挖掘效率大打折扣。反映盾构掘进效能及盾构设备的地层适应性特征的两个重要指标即为盾构掘进速度与贯入度，其中贯入度为掘进速度与刀盘转速的比值。因此，分别采取盾构掘进时的实测掘进速度与贯入度数据进行对比分析，带式盾构整个掘进过程中控制较为稳定，波动较小，平均掘进速度为71.8mm/min，平均贯入度为45.5mm/rpm。而轴式盾构在掘进过程中掘进评平均速度约为40mm/min，平均贯入度为27.8mm/rpm，且波动较大。带式盾构平均日尺进度7.2环/天；而轴式盾构平均日尺进度5.6环/天。
综上所述，现场研究结果表明，带式盾构的掘进效率比轴式盾构要高，在富水砂卵石地层盾构施工，带式盾构的适应性更好。
3盾构掘进关键参数及地层适应性对比研究
3.1盾构总推力对比分析
盾构机推力在正常掘进时由刀盘切削土体的推力、土舱压力对盾体的阻力、盾体与土体的摩擦力以及后配套设备拉力组成，也是判断盾构设备主要性能指标之一。同时，盾构总推力也是盾构选型中的主要考虑点。
盾构掘进时的总推力不仅受地层条件影响，同时还与掘进速度和贯入度密切相关，为了消除掘进速度和贯入度对盾构总推力的影响，将盾构总推力进行归一化处理，即盾构总推力与贯入度的比值，得到地层识别参数场切深指数FPI，用以判断盾构设备的地层适应性。轴式盾构的场切深指数FPI均高于带式盾构，也就说明在相同密实度和软硬程度的砂卵石地层下，面板式小开口率刀盘盾构单位贯入度要比辐条式大开口率刀盘盾构消耗更大的盾构总推力。
3.2刀盘扭矩对比分析
盾构掘进过程中刀盘切削土体时需要刀盘驱动系统提供的作用力即为刀盘扭矩，由土体切削转矩、土体搅拌需要的转矩组成。刀盘扭矩是土压平衡盾构在砂卵石地层掘进过程中的重要控制性参数之一，也是最能反映盾构设备适应性的一个重要指标。在富水砂卵石地层盾构掘进，最怕遇到刀盘扭矩过大导致盾构掘进异常，而刀盘扭矩过大往往主要是由于土舱环境较差即大粒径卵石较多、积土较多、排土不顺畅等缘故。因此，刀盘扭矩控制的合不合理，对大粒径卵漂石地层盾构适应性至关重要。
分别采取不同盾构区间400环盾构掘进时的实测扭矩数据进行对比分析，带式盾构平均扭矩为11093kN.m，而轴式盾构平均扭矩分别为12400kN.m，说明带式盾构机扭矩控制更好，比轴式盾构机在砂卵石地层的适应性要好。
4刀具磨损情况对比研究
4.1滚刀磨损情况
经对带式盾构和轴式盾构查刀换刀作业，并对滚刀磨损情况进行了统计。带式盾构换刀情况统计：损坏0把，偏磨8把，正常磨损38把，分别占比0%、18%和82%。而式盾构换刀情况统计：刀圈损坏2把，偏磨23把，正常磨损21把，分别占比4%、50%和46%。根据刀盘磨损情况研究表明，带式盾构在砂卵石地层掘进过程中的磨损情况要好于轴式盾构机。
4.2滚刀磨损系数
经实际掘进分析计算带式盾构刀盘刀具磨损系数平均值为0.04mm/km，而轴式盾构为0.0674mm/km，对比分析，带式盾构刀具磨损系数低于面轴式刀盘刀具磨损系数。
5螺旋输送机应用效果对比研究
5.1螺旋输送机关键参数对比分析
螺旋输送机的扭矩和转速是土压平衡盾构排土效能的两个重要性指标。同样分别采取400环间盾构掘进时的实测螺旋输送机转速和扭矩数据进行对比分析，带式螺旋输送机平均转速为5.2rpm，而轴式螺旋输送机转速为9.4rpm。螺旋机的转速和盾构机推进速度之间存在一定的联系，即两者比值在一个固定范围内变化。其松散系数固定时，比值为一定值，螺旋机转速和盾构机推进速度之间成正比，带式盾构机掘进速度大于轴式盾构机，带式螺旋输送机平均扭矩平均值虽大于轴式螺旋输送机扭矩，但是远小于带式螺旋输送机工作扭矩瞬时最大值。由此可说明，带式螺旋输送机排土能力强于轴式螺旋输送机。
5.2螺旋输送机排土效果对比分析
螺旋输送机卡死、断轴问题是富水砂卵地层盾构施工的重要难点之一，由于卵石含量高，自稳性差，轴式螺旋输送机无法排出40cm以上的卵石。大粒径卵石多，卵石含量高造成螺旋输送机卡轴，在成都地铁盾构施工中是普遍现象。卡死主要原因是地层含砂量发生了变化，细小的砂砾逐渐堆积，盾构掘进切削下来的渣土内含有大量的碎石及直径较大的石块，将螺旋输送机转轴与筒壁的间隙完全填满，导致螺旋输送机卡死。
然而带式盾构机从始发至接收，未曾出现过卡死现象，更没出现过断轴现象。在掘进过程中，通过螺旋出土口视频监控可以清晰地看到带式螺旋输送机地排土情况，出渣效果不错，大粒径卵石出量较多，完整度也较高其中最大卵石粒径为600*300*300mm，可见大开口率刀盘带式螺旋排土能力强于小开口率刀盘轴式螺旋盾构机。
6结论
本文以研究采用不同类型盾构设备进行盾构施工为背景，收集现场掘进数据、资料，对带式和轴式两种类型土压平衡式盾构设备对比研究，虽然带式盾构推力要轴式盾构推力要大一点，但是在相同富水砂卵石地层下，轴式盾构单位贯入度要比带式盾构消耗更大的盾构总推力。带式盾构扭矩值低于轴式盾构，其刀盘刀具磨损系数也低于轴式盾构。从螺旋输送机应用效果情况对比可知，带式螺旋输送机不容易卡死，而轴式螺旋输送机易卡死，充分表明带式盾构在卵石直径大、含量高的富水砂卵石地层掘进施工更具有优势。
参考文献
[1]江华北京典型砂卵石地层土压平衡盾构适应性研究[D]中国矿业大学(北京)2012.
[2]李潮砂卵石地层土压平衡盾构关键参数计算模型研究[D]中国矿业大学(北京)2013