中建八局轨道交通建设有限公司 北京 100035
摘要：在盾构法施工中，面对不同的地层适用的设备有更深层的研究，本文主要针对以粉质黏土、砂卵石、富水地层等恶劣施工的盾构机刀盘选型的研究，北京地层的砂卵石及粉质黏土，在确保施工进度的同时还要更快的提高施工效率。依据理论性分析采用需要土体改良的土压平衡盾构机完成施工，对土压平衡盾构机的核心部分刀盘进行较为详细的描述。
关键词：土压平衡盾构机；辐条式；刀盘；开口率
1工程和地质情况
1.1工程概况
本段区间为北京地铁19号线一期工程积水潭站~北太平庄站区间，区间沿新街口北大街及新街口外大街南北向敷设。盾构机分两个地点吊装，即积水潭站和盾构始发井。盾构机的刀盘、前盾、中盾、尾盾与盾构基座在盾构始发井下井吊装，然后平移至区间正线位置；盾构机的台车、拼装机、螺旋机在积水潭站北侧的管片吊装口下井组装，然后移至暗挖区间北端与盾构机主机（刀盘、前盾、中盾、尾盾）连接并调试后进行整体始发。积水潭站～北太平庄站区间暗挖穿越二环积水潭桥后，于北护城河北侧，里程右K48+268.003（左K48+268.440）处设置盾构始发工作井及始发通道；2#井兼风井兼始发井，盾构始发通道兼做区间风道；始发通道南侧为矿山法区间，北侧为盾构法区间。盾构机于北太平庄站内接收解体。
1.2水文地质
（1）全断面卵石层长
盾构区间全长约2075m，全断面卵石层长度约1500m，卵石粒径≮310mm，对盾构刀盘刀具磨损严重，同时对盾构掘进要求高。
（2）周边环境及地下环境复杂
盾构区间位于新街口外大街主路下，埋深为17.70~29.38m，盾构一路下坡，周边环境及地下环境复杂，区间依次下穿转河桥、5座人行天桥、京藏匝道桥、北太平桥到达北太平庄站，路两侧为沿街商铺、居民楼及商业区，地下顺行及正交管线众多，风险等级大多，其中一级风险源11处，二级风险源37处，三级风险源63处。
（3）盾构地层变化多
盾构穿越地层断面变化多端，盾构穿越地层有：粉质黏土、粉细砂3、卵石、砂质粉土黏质粉土3、粉质黏土4、卵石，穿越断面由其中一种或两种以上组合而成，盾构掘进参数要不断调整。
（4）地表水概况
拟建区间在里程K48+250.72~K48 +280.80下穿北护城河，在里程K48+457.46~K48+472.45下穿转河。
北护城河，河底有衬砌，河底标高约44.51m，目前水深约1.60m，水位标高约46.09m。
转河，河底有衬砌，河底标高约为43.30m，目前水深约2.95m，水位标高约46.25m。
（5）地下水概况
根据勘察成果，在35.0m勘察深度范围内，共观测到三层地下水，地下水类型为上层滞水（一）、潜水（二）、层间水（四）。
2盾构机刀盘选型
2.1刀盘的种类
刀盘有面板式和辐条式两种，泥水盾构一般采用面板式刀盘；土压平衡盾构根据土质条件可采用面板式或辐条式。不同的刀盘形式在土舱构造、土压保持、砂土流塑性、开挖面的稳定性及刀盘负荷和扭矩、检修换刀等多方面都存在较大的差异。
2.2各类刀盘的特点及选型
面板式刀盘的优点是可以通过刀盘开口率大小来限制进入土仓的卵石粒径，缺点是由于刀盘面板的存在，开挖面土压与土仓土压并不相等，造成土压控制相对困难；由于面板式刀盘的开口率比较小，碴土进入土仓时会存在一些困难、容易结成影响推进的泥饼，泥饼一旦形成会附着在刀盘前边难以除掉，刀盘刀具负载加大，土仓温度升高使用寿命降低。辐条式刀盘由于只有几根辐条存在的设计构造，土与砂的流动相对来说会比较顺畅，不利于粘土附着，不易结泥饼；由于没有面板的缘故，开挖面与被测量土压几乎相等，因而控制土压相对简单；同时刀具负荷小，寿命长。
刀盘不仅具有切削开挖面的功能而且能够稳定支撑开挖面，对于土压平衡盾构机还具有渣土搅拌作用。在全断面砂卵石地层复杂的19号线盾构区间，盾构机掘进里程较长，刀具磨损严重，在中间位置换刀工作情况复杂且换刀安全性较差。根据地质及施工情况，北京19号线盾构施工综合各方面原因考虑选用开口率较大的辐条式盾构机，其主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成，对于76%的开口率的刀盘，除轮缘焊接的周边贝壳刀外，其他刀基本上是用高强螺栓连接的切刀，另外辐条上焊有高度不等的弧形贝壳刀。
选用辐条式刀盘能够使密封舱内压力与开挖面的压力相等，易于控制压力平衡、没有面板，砂土流进性更好、对刀盘的扭矩阻力小，更重要的是设备造价低，注浆施工比面板的自由度大、因没配置滚刀，所以适应性好。
3刀具的选用
3.1合理选择刀具的意义及刀具种类
盾构机刀具是盾构机组成的重要部分，其直接影响盾构推进的速度，进而影响隧道施工的进度，是决定该工程能否按时按质完成的重要指标。所以根据该工程地质情况特点及其各种刀具在地质中的不同表现选择刀具变的尤为重要。前期对刀具的选择正确与否可能直接影响到隧道内换刀次数，所以前期选择刀具种类花费时间并不会对施工进度造成影响。
目前盾构机刀具主要分为两大类，一类为滚刀一类为切削刀。切削刀种类又包括：切刀、贝壳刀、超挖刀、鱼尾刀等。
综合北京地铁19号线积北区间全断面砂卵石的地层及各种刀具在该地层中的表现，故而选择采用鱼尾刀+正面贝壳刀+切刀+周边贝壳刀的组合方式，分层布置刀具；适当增加刀盘边缘区域的刀具数量，并对刀具采取加焊耐磨层的方式增加使用寿命。
3.2应用反馈
北京地铁19号线在推进816环后在检修井进行换刀，刀盘刀具磨损情况如下图所示：
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图1 图2 图3
正如盾构机推进前所预测的一样，刀盘刀具中的周边贝壳刀及其周边切刀磨损严重，刀梁贝壳刀属于正常磨损，其中鱼尾刀与保径刀少数磨损严重，个别有崩刀崩齿现象。如果选用面板式的刀盘，可能会因开口率不够大导致渣土入仓不顺畅，结成泥饼增加刀具负载。而辐条式刀盘正好解决了面板式刀盘的诸多弊端，因其结构只有几根辐条，保证了全断面砂卵石的流动性，防止了泥饼的形成。刀具负荷小，掘进速度快，保障了施工进度的正常进行。在经过两周的换刀周期后，盾构机又重新开始正常推进。
4结论
本文结合北京19号线积北区间工程实况，着重分析北京地区全断面砂卵石地层盾构施工中面临的主要难点，并通过一段区间的试掘进，提出了一系列有效的施工措施，得出以下结论。
不同的刀盘型式在土舱构造、开挖面稳定、土压保持、砂土的流进性、刀盘负荷和扭矩及检查换刀等方面存在较大的差异。要根据地层的差异选择不同的刀盘刀具。
盾构机在全断面砂卵石地层中掘进，刀盘刀具磨损十分严重，应选用开口率较大的辐条式刀盘，采用多种刀具相结合的模式，增强开挖能力，并对刀盘刀具进行耐磨抗冲击保护。
参考文献：
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