摘要：南宁市轨道交通4号线总部基地站~飞龙路站区间地勘显示盾构隧道线路主要穿越硅质岩层、灰岩层、含角砾粘性土、角砾、粘性土粉质粘性土，其中大部分掘进线路处于全断面硅质岩中，围岩稳定性较差，地下水较丰富，岩层风化程度高，较为破碎，受盾构扰动后极松散，且风化岩层中夹杂黏土较多。本文主要介绍南宁市邕江南部地下水水量较大的强风化硅质岩地层的土压平衡盾构掘进刀具选型及掘进控制。
关键词：刀具；泥饼；硅质岩；地下水
1、总部基地站~飞龙路站区间概况
1.1工程概况
总部基地站~飞龙路站区间（以下简称总飞区间）沿五象大道布设，东西走向。区间左线由总部基地站接出，东敷设进入飞龙路站小里程端；线路埋深18.23~30.90m，整个区间隧道的覆土厚度为13.59~26.06m。本区间盾构隧道主要穿越硅质岩层、灰岩层、含角砾粘性土、角砾、粘性土粉质粘性土。工程地质条件较复杂。
1.2.1硅质岩⑨G-2层（D3l）
强风化，灰黑色、灰色、灰褐色，隐晶质结构，薄层状构造，局部夹薄层状全风化泥岩，层厚约1～20cm，原岩风化程度较高，岩芯受机械破碎呈碎散状，岩质性脆，易受外力影响破碎。层该层呈层状分布。
1.2.2泥质硅质岩⑨NG-2层（D1-2x）
强风化，褐黄色、褐红色，隐晶质结构，薄层状构造，与泥质胶结，泥质含量约10~30%，原岩风化程度较高，呈稍密~中密状，岩质性脆，暴晒后易手捏呈碎块。该层呈透镜体分布。
2、盾构机刀具配置
根据地勘显示情况，区间选用中铁装备487#土压平衡式盾构机，刀盘的基本结构为辐条面板式，6个主梁+6个面板，刀盘开口率35%，可在掘进过程中开仓进行撕裂刀和滚刀的更换，为复合式刀盘。同时具备较硬岩掘进和软土地层的掘进需求。
盾构机初始刀具配置:滚刀40把：双联中心滚刀数量6把，正面滚刀数量34把，边刮刀12把，刮刀40把，超挖刀1把。
渣土改良喷孔：共有6个喷口，4个泡沫喷口，2个膨润土喷口。
3、实际掘进过程中遇到问题
因地勘显示硅质岩岩层硬度较高，故盾构选型时刀盘开口率偏低，仅为35%，刀盘正面配置大量滚刀以备遇到坚硬岩层时有效切削掌子面。实际掘进过程中于第130环进入全断面硅质岩后，出现螺旋机喷涌频繁，地表沉降控制困难，出渣量偏多。刀盘扭矩大，掘进速度小。疑刀具磨损较大，遂于222环（刀盘位于226环）处进行第一次开仓换刀。第一次开仓换刀时所换刀具与盾构始发时初始配置刀具相同，为6把双联中心滚刀及34把滚刀。
总飞区间左线始发后黏土地层中掘进推力位于920t~1030t之间，扭矩基本维持在1000~1300kN.m之间，推力扭矩波动较小，环出渣量基本稳定在50~60m3之间。掘进速度平均能保持在55mm/min以上，掘进速度较快。进入全断面硅质岩地层后，推力位于1050t~1320t之间，扭矩基本位于3000~4700kN.m之间，推力扭矩均明显增长，环出渣量基本处于60m3以上，经常性出现超挖。掘进平均速度仅为15mm/min，掘进速度明显降低。
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第一次开仓换刀前推力及扭矩均维持在较高水平，掘进速度均在20mm/min以下，在该段掘进过程中，环出渣量平均处于65m3以上，出现连续超挖，地表多次出现沉降预警，为控制地表沉降，盾构同步注浆量大幅增加，由原来的5~7m³增加至10m³以上。
换刀后掘进至290环处，再次出现第一次换刀前相同情况，螺旋机喷涌频繁，地表沉降控制困难，出渣量偏多。刀盘扭矩大，掘进速度小，遂在第312环（刀盘位于316环）进行第二次开仓换刀。
相较第一次开仓换刀前掘进参数，第二次换刀前推力及扭矩均进一步增长，掘进速度进一步降低，环出渣量平均处于55m3以上，地表同样多次出现沉降预警，为控制地表沉降，盾构同步注浆量依然较大，由原来的5~7m³增加至约7.5m³以上。
吸取第一次开仓换刀教训后，第二次换刀时将，刀具配置改为1把中心双联球齿滚刀、3把中心双联撕裂刀，12把正面撕裂刀，其余滚刀均更换为球齿滚刀。根据先前掘进经验，在第二次换刀后的盾构掘进过程中，不再采取大方量的同步注浆来控制地表沉降，转而采取快速掘进，多次进行二次注浆填充地层，盾构掘进过程中将同步注浆量控制在理论注浆量（5m³-7m³）以内，并对脱出盾尾10环以后的管片进行开孔二次注浆，采取上述措施后地表沉降得到有效控制，并再掘进过程中使用膨润土及分散型泡沫剂进行渣土改良及润滑刀具，有效避免了浆液前串刀盘造成土仓固结及刀盘泥饼的形成。
第二次换刀后各项参数基本恢复正常水平，出渣量及螺旋机喷涌次数明显减少，顺利掘进出洞。
4、原因分析
总飞区间左线盾构机始发时初始配置刀具中，大量配置滚刀，其中双联中心滚刀数量6把，正面滚刀34把，刀具配置适宜整体性较好、强度较大的岩层中进行掘进。实际掘进过程中发现地层地质与详勘出入较大，掘进过程中并未遇到整体性较强、强度较高的岩层，实际围岩稳定性较差，风化程度高，地下水较丰富，岩层较为破碎，受盾构扰动后极松散，且岩层中夹杂黏土较多，盾构机刀盘刀具配置所适用地层与实际掘进地层情况有较大出入。后期联络通道开挖掌子面揭露地层，风化程度高，较破碎，与先前判断相符。
从联络通道开挖揭露全断面硅质岩地层情况可知，该地层自稳性能较好，但因风化蜂毒膏硅质岩层岩体较为破碎，且呈水平方向片状发育，硅质岩间夹杂大量黏土，加之地下水丰富，地层受盾构机在掘进扰动较大，围岩稳定性下降，易剥落，此时盾构机刀盘上的滚刀无法发挥应有的滚动切削岩层的作用，大量黏土进入刀仓，形成泥饼，滚刀无法转动，受到硅质岩的反复打磨，造成滚刀严重偏磨，逐渐失去切削能力。同时刀盘开口率较低，无法及时快速将掌子面的黏土排入土仓内，导致黏土粘结于刀盘上，形成泥饼。盾构掘进过程中仅使用泡沫进行渣土改良，未能有效使用膨润土对刀具进行保护（同时进行渣土改良）也是造成结泥饼的原因之一。
5总结
总飞区间右线掘进地层与总飞区间左线地层相似，始发刀具配置相同，但掘进过程较为顺利，未进行开仓换刀，较总飞区间左线提前7个月先行出洞，出洞后可观察到，刀盘上配置的40把滚刀均磨损量极大，其中正面滚刀有13把严重偏磨，从刮刀的磨损情况可判断，滚刀严重磨损后已失去切削能力，刮刀在掘进过程中实际上成为了先行刀，承担了大部分切削土体的作用。边缘滚刀大量磨损，造成刀盘无法保持开挖直径，也是使得盾构机掘进速度慢、推力大、刀盘扭矩大的原因之一。
总飞区间左线盾构机经两次开仓换刀，并在第二次换刀时改变刀具配置，出洞后刀盘与刀具磨损均较小，由图可见，刮刀均较为完好，撕裂刀的刀仓虽有黏土固结，但不影响其在掘进过程中对土体的先行切削作用，其余滚刀均由光圆滚刀更换为球齿滚刀后，在破碎地层中球齿可以有效楔入地层，使得滚刀保持转动，避免了滚刀偏磨丧失切削能力。
综上所述，在此类夹杂黏土且含水量较大的硅质岩地层中，若选择使用土压平衡盾构机进行掘进，宜配置开口率较大（超过35%）的刀盘，确保土体经切削后及时进入土仓并由螺旋机排出，避免大量黏土淤积于刀盘前方并固结形成泥饼。刀具配置应优先选用撕裂刀，避免黏土糊住滚刀造成偏磨。
虽然此类地层受盾构扰动后较为松散破碎，但硅质岩碎块单体仍对刀具具有较大的磨损，因此应积极进行渣土改良，使用膨润土对刀具进行润滑保护，避免刀具过快磨损。
论文作者:谭扬宇
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/30