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长沙地铁砾砂岩及上软下硬复合地层刀具配置探讨
摘要：刀具配置是否与地层相适应，是决定盾构安全顺利掘进的关键因素之一。本文通过对长沙地铁1号线两个区间的刀具配置情况进行分析，提出了适合长沙地区砾砂岩及在上软下硬(砾砂层与砂卵石互层)地层的刀具配置，为盾构在类似地层的刀具配置具有一定的借鉴意义。
关键词：长沙地铁；砾砂岩；上软下硬地层；刀具配置 1 引言
刀具是盾构掘进过程中用来切削土体的装置，是决定盾构成功掘进的关键因素之一。大量的工程实践证明由于刀具的配置与地层不相适应，导致盾构掘进困难，甚至造成一系列的施工安全事故。因此，在盾构选型时，刀具的配置需根据地质条件和施工要求进行合理设计。本文通过对长沙地铁某两个区间盾构在砾砂岩及砾砂岩与砂卵石互到地层中采用不同的刀具配置的情况下的掘进情况及刀具磨损的统计分析，提出了在这种两种地层条件下合适的刀具配置，为盾构在长沙类似地层的刀具配置提供了借鉴意义。 2 工程概况
长沙地铁1号线某标段工程包括两站两区间，其中第一个区间长1079双延米，第二个区间长1649双延米。两个盾构区间主要以砂砾岩及砂砾岩与砂卵石组合的上软下硬地层，占整个隧道总长的90%，其中以强风化砂砾岩（7-1-2）为主，岩石的天然抗压强度在0.1～3Mpa。全风化砂砾岩（7-1-1）为辅，其中第一个区间局部区域存在少量的中风化砂砾岩（7-1-3），岩石天然抗压强度在0.5～12Mpa。
区间水文地质条件一般，地下水类型分为填土中的上层滞水、第四系砂卵石层中的孔隙水及基岩裂隙水。 3 刀具配置及使用情况 3.1 区间1的刀具配置
根据区间1的地质条件，刀具配置主要采用滚刀破岩为主，刀具具体配置情况如表3-1所示。
3.2 掘进情况分析
以区间1右线为例，区间1右线从始发到洞通共用了6个时间，平均每月掘进180m。在始发段和到达段的上软下硬地层中掘进时，地表沉降过大，在全断面砂砾石地层中掘进时，地表沉降小。选取区间典型地质区段掘进参数如表3-2所示。
表3-2 区间1右线掘进参数统计表
3.3 刀具使用情况
在区间右线接收时，刀具磨损量较大，且滚刀偏磨现象较为严重，刀盘中心区域出现了结“泥饼”现象，刀具磨损统计量如下图所示。
（c）正面滚刀磨损统计 图3-1 刀盘滚刀磨损量统计
虽然本盘刀具一次性完成1079m的掘进，中途未进行换刀，但从图3-1可以看出，滚刀磨损量都在30mm及以上，都超出25mm，都需要进行刀具更换，说明在砾砂岩和砂卵石+强风化砂砾岩上软下硬地层中掘进对刀具磨损较大，且刀具大多存在偏磨，说明区间岩石强度并不高，使得滚刀在此地层未达到其起动扭矩从而产生大量偏磨，因此在此类地层刀具配置还可以进一步优化。 3.4 区间2刀具配置
根据区间1刀具磨损情况，在区间2始发之前对刀具进行优化布置，具体布置如下表3-3所示：
表3-3 区间2刀具配置图
图3-2 区间2右线刀具磨损统计 3.5 掘进情况分析
区间2右线掘进至297环时扭矩明显增大，掘进速度下降，出渣量增大，出现此类现象之后，于是增大了盾构推力，但扭矩增大明显，速度基本无改善。经分析，初步判断刀具磨损严重，于是采取开舱检查刀具，经测量检查，撒裂刀磨损量一般在35～50mm（如图3-2），均超过了正常磨损（35mm），双刃滚刀偏磨严重，刀具基本失效。 于是对刀具进一步进行优化布置，刀具优化对比如表3-4所示：
表3-4 刀具优化配置对比表
从表4-2可以看出，采用两种刀具配置形式在强风化砂砾岩层中掘进推力、扭矩基本变化不大，但采用撕裂刀速度有所提高，出渣量较滚刀配置少。但是在强风化砂砾岩强度超过3Mpa以后会加速撕裂刀的磨损，导致掘进效率低下。 5 结论
从上述分析探讨中可以总结以下几个结论：
1）在全风化砂砾岩以及全风化砂砾岩+砂卵石地层，采用撕裂刀配置优于滚刀配置。 2）在强风化砂砾岩或砂卵石+强风化砂砾岩组合地层（岩石强度在3Mpa以内），可采用撕裂刀配置比滚刀配置更能适应地层，但是需要提前设立好换刀点。
3）在强风化砂砾岩或砂卵石+强风化砂砾岩组合地层（岩石强度在3Mpa以上），采用滚刀配置优于撕裂刀配置，但是需要做好渣土改良，防止刀盘结“泥饼”现象发生，确保滚刀以顺利滚刀，均匀磨损。 参考文献
[1]赵守宪. 复合地层下盾构切刀破岩仿真分析 [J]. 中华建设. 2014 (10). [2]李桐. 土压平衡盾构机刀盘的修复 [J]. 设备管理与维修. 2014 (S2).
本文来源：https://www.wddqxz.cn/4cd5f47c89d63186bceb19e8b8f67c1cfad6ee9b.html
2022-03-28
