(摘要) 結(jié)合北京地鐵某標(biāo)段施工過程中遇到的盾構(gòu)機刀具嚴(yán)重磨損和刀盤失效等問題，在常壓的條件下進(jìn)倉對刀盤進(jìn)行了改造并更換了全部的刀具，取得了在北京砂卵石地質(zhì)條件下刀盤設(shè)計和刀具布置的經(jīng)驗; 并對盾構(gòu)機的刀盤設(shè)計、刀具布置、刀具改造技術(shù)以及在施工過程的緊急狀態(tài)下對刀盤和刀具進(jìn)行修復(fù)改造的技術(shù)進(jìn)行了初步的研究和探討。
 
       ［關(guān)鍵詞］盾構(gòu)機; 刀盤; 刀具; 改造
 
       盾構(gòu)法是地鐵區(qū)間隧道施工常用的方法，地質(zhì)水文適應(yīng)能力強，對地面交通影響很小，對施工周邊環(huán)境的振動和噪聲等干擾較小，地面沉降控制比較好，對周邊地下管線、地面建筑物和構(gòu)筑物及周圍環(huán)境的影響比較小，施工速度比較快，工程質(zhì)量比較高。北京地鐵某標(biāo)段區(qū)間盾構(gòu)隧道括兩個區(qū)間盾構(gòu)和若干個聯(lián)絡(luò)通道，隧道穿越的地層主要為粉細(xì)砂、圓礫和黏質(zhì)粉土和砂質(zhì)粉土。選型一臺廣州海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機，面板式刀盤，開孔率為 30% ，采用機電一體化的液壓驅(qū)動系統(tǒng)。
 
       1 、工程概況
 
       1． 1 工程基本情況及設(shè)備選型
 
       北京地鐵某標(biāo)段土建施工包括兩個區(qū)間盾構(gòu)施工和各個區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道，線路均為雙線。第 1 個區(qū)間全長754． 172m，軌頂距地表14 ～ 14． 5m; 第2 個區(qū)間全長 666． 564m，軌頂距地表 14 ～ 21m。隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)徑 5 400mm，外徑 6 000mm。鋼筋混凝土管片，厚 0． 3m，寬 1． 2m，采用普通環(huán)管片，錯縫拼裝。
 
      本標(biāo)段區(qū)間隧道處于北京永定河沖洪積扇軸部。整體地勢較平坦，地面標(biāo)高在 44． 80 ～ 45． 70m。地層土質(zhì)自上而下，依次為人工填土層( Qml) 、第四紀(jì)全新世沖洪積地層( Q4al + pl) 、第四紀(jì)晚更新世沖洪積地層( Q4al + pl) 。地下水為上層滯水、潛水和承壓水。隧道圍巖具有上軟下硬的特點。第 1 區(qū)間隧道埋深 8． 2 ～ 9． 5m，隧道上部為黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層及粉質(zhì)黏土層，洞身穿越黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層及粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層、圓礫層，下部為圓礫層; 局部地段隧道底部進(jìn)入潛水層，未 進(jìn) 入 承 壓 水。第 2 區(qū) 間 隧 道 埋 深14． 8 ～ 15． 6m，隧道上部為粉土層、粉土層和中粗砂層，洞身穿越中粗砂層、圓礫層、黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層和粉質(zhì)黏土重粉質(zhì)黏土層，下部為圓礫層、黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層和粉質(zhì)黏土重粉質(zhì)黏土層; 隧道進(jìn)入潛水層，一部分進(jìn)入承壓水層。
 
      本標(biāo)段地面周邊環(huán)境比較復(fù)雜。沿線道路為市區(qū)交通要道，經(jīng)過商業(yè)中心和繁華鬧市，地面交通繁忙，交通量很大。隧道從密集商業(yè)建筑物和城市住宅區(qū)下穿過，建筑物大多比較老舊，文物和危房比較多; 地下管線比較多，包括自來水、雨污水、供熱、電力、通信等多種管線。
  
     鑒于隧道穿過的地層為軟弱地層，以砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層、圓礫層、卵石層等為主，且含水量豐富，大部分在潛水層中，部分段進(jìn)入承壓水。為滿足能適應(yīng)上述不同地質(zhì)情況的要求，盾構(gòu)機的選型和設(shè)計是關(guān)鍵。采用廣州海瑞克生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機施工［1-3］。盾構(gòu)機直徑 6． 25m，總推力 25 300kN，最大扭矩 4 700kN·m，總功率 942kW，單液同步注漿。開挖斷面直徑 6． 28m，隧道底板最大埋深約為 15m。
 
     1． 2 刀盤形式
 
     盾構(gòu)機刀盤設(shè)計在德國完成。考慮到該區(qū)間隧道的地質(zhì)條件和埋深小于 25m，并對面板式和輻條式兩種刀盤特性進(jìn)行比較，采用面板式刀盤，既能滿足隧道施工需要和提供較好的掘進(jìn)性能，同時具有適應(yīng)能力強( 尤其是砂卵石地層) 和更換刀具更安全、方面的特點，選擇了面板式刀盤。刀盤結(jié)構(gòu)采用中間梁支承［4］，面板式全斷面回轉(zhuǎn)切削方式，刀盤開口率為 35% 。
 
     1． 3 刀具形式和切削方式的選擇
   
    考慮到隧道穿越的地層主要是黏質(zhì)粉土砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層、粉細(xì)砂層、圓礫層，針對不同地質(zhì)而不同的切削要求，刀盤設(shè)計設(shè)置了切削刀( 齒刀，見圖1) 、盤圈刀( 周邊刀，見圖 2) 、中心刀( 見圖 3) 等幾種刀具值均為 15°。 
 

     圖 1 齒刀
  
  

    
     圖 2 球齒耐磨周邊刀
  
   
     刀具在刀盤的布置如圖 4 所示。周邊刀( 盤圈刀或圓弧刀) 8 把，設(shè)球齒耐磨顆粒，沿刀盤周邊布置; 齒刀( 切削刀或割刀) 80 把，突出刀盤面板，按全斷面切削排列; 中心刀設(shè)一把，按鼻型半翼布置; 考慮到區(qū)間隧道黏性土、粉質(zhì)黏土何砂性土為主，沒有設(shè)置撕裂刀和超前刀。

    
  
     圖 3 半翼中心刀
  

    
  
     圖 4 刀盤刀具布置
 
    從工程的實踐看，上述刀具的布置存在一定的問題，主要是沒有充分考慮北京的砂卵石的條件，沒有設(shè)置撕裂刀和超前刀，周邊刀只設(shè)球齒耐磨顆粒，耐磨性能不足，同時沒有設(shè)周邊保護(hù)刀，中心刀切削力度不夠。
 
     2 、施工中的刀盤修復(fù)和改造
   
     2． 1 施工過程中發(fā)生的刀具和刀盤嚴(yán)重磨損
 
     本標(biāo)段從第 2 個區(qū)間開始隧道掘進(jìn)施工，第 2 個區(qū)間完成后，盾構(gòu)機再掘進(jìn)施工第 1 個區(qū)間。盾構(gòu)機在第 2 個區(qū)間始發(fā)后，當(dāng)掘進(jìn)至在 282 環(huán)開始，推進(jìn)速度放慢，推力和扭矩增大，泡沫注入量開始增大; 掘進(jìn)至 287 環(huán)時，推進(jìn)速度明顯減緩，刀盤扭矩增大，泡沫注入量大量增加，渣土溫度較高，推進(jìn)耗時約 219 分鐘; 至 288 環(huán)時，刀盤扭矩快速劇烈上升，推進(jìn)停止。掘進(jìn)速度曲線如圖 5 所示，推進(jìn)時間曲線如圖 6 所示，泡沫用量曲線如圖 7 所示，推力曲線如圖 8 所示。

        圖 5 掘進(jìn)速度曲線
  
  

    
          圖 6 推進(jìn)時間曲線
   
  

        
          圖 7 泡沫用量曲線
   

        
  
            圖 8 推力曲線
   
      當(dāng)時盾構(gòu)機所處的地質(zhì)條件如圖 9 所示。
  

      
  
       圖 9 盾構(gòu)機所在位置地質(zhì)橫斷圖( K9 + 124． 52)
 
     經(jīng)過分析，發(fā)生此現(xiàn)象的主要原因可能是之前在黏土和圓礫層掘進(jìn)中，黏土在刀盤中部黏結(jié)，在擠壓和相互間摩擦的作用下，膨潤土、泡沫和地層中的砂石黏土在刀盤中部發(fā)生固結(jié)，刀盤開口率逐漸減小。在第287 和 288 兩環(huán)的施工過程中，刀盤開口率迅速減小，造成排土不暢，扭矩和推力增大。同時，通過進(jìn)一步的對附近人防工程勘測調(diào)查，排除了既有人防工程坍塌所致的可能。海瑞克在其他國家曾有過相似經(jīng)驗，都是加壓進(jìn)艙人工清理解決。對此問題，項目和專家均認(rèn)為必須立即進(jìn)倉進(jìn)行檢查，對刀臂及刀盤用高壓水沖洗進(jìn)行清理才能恢復(fù)盾構(gòu)正常施工。同時，在進(jìn)倉前要對刀盤上方土體進(jìn)行雷達(dá)探測，并進(jìn)行加壓進(jìn)倉前的氣密性試驗，制定周密的方案，保證工作的安全。

     經(jīng)量測，盾構(gòu)機位置附近的地面沉降趨于穩(wěn)定。
   
     經(jīng)過雷達(dá)探測，在刀盤上方土體沒有發(fā)現(xiàn)明顯的空洞，但是存在疏松層。盾構(gòu)土倉控制控制在刀盤直徑的三分之一左右，以盡量維持對開挖面的土壓力。在盾構(gòu)機停止后，為了保持開挖面的穩(wěn)定，應(yīng)向土倉內(nèi)注入高壓空氣。在加壓時，為控制由于開挖面土體內(nèi)水被排擠而造成的漏氣，可以較長時間保持土倉內(nèi)的壓力，要向土倉內(nèi)加注稠膨潤土，在開挖面形成膨潤土泥膜。通過注入膨潤土漿液對周邊地層進(jìn)行改善后，壓力損失速度有所減慢，但對氣壓作業(yè)還是不夠，主要原因是因為盾構(gòu)處于圓礫地層，地層空隙率較大，漿液散失過快。
 
     即使在更換品質(zhì)較好的膨潤土并同時提高漿液重度，但仍無法維持壓力的相對穩(wěn)定。隨后改用聚合物注入刀盤外側(cè)和土倉內(nèi)進(jìn)行護(hù)壁處理，壓力到目前基本維持穩(wěn)定，達(dá)到氣壓作業(yè)要求。

     經(jīng)過周密的安排和準(zhǔn)備，在加壓進(jìn)倉進(jìn)行刀盤和刀具檢查時，發(fā)現(xiàn)刀盤上方土體已經(jīng)出現(xiàn)了塌陷的跡象，出現(xiàn)了局部孔洞; 同時，所有的周邊刀全部被磨損掉，齒刀磨損嚴(yán)重，尤其是緊挨周邊刀的齒刀全部被磨損掉，中心刀磨損嚴(yán)重，大部分刀具的安裝刀座磨損嚴(yán)重，刀盤面板磨損嚴(yán)重，刀盤耐磨層基本被磨損掉( 見圖 10) 。
  

    
  
     圖 10 刀盤嚴(yán)重磨損區(qū)域
 
     經(jīng)過當(dāng)時、事后的反復(fù)仔細(xì)的分析，刀盤和刀具嚴(yán)重磨損的原因主要如下。
 
     1) 掘進(jìn)了 280 多環(huán)一直沒有加壓進(jìn)倉進(jìn)行刀具例行檢查和更換。這主要是因為北京盾構(gòu)施工中曾多次發(fā)生加壓進(jìn)倉失敗，導(dǎo)致刀盤上方土體大范圍塌陷，甚至引起刀盤上方房屋塌陷。
  
 
     2) 盾構(gòu)機泡沫管堵塞，使泡沫發(fā)生效果下降，影響了對土體的改良。
 
     3) 刀具的選擇和布置沒有充分考慮北京砂卵石地層的特點，沒有設(shè)置超前刀、撕裂刀和周邊保護(hù)刀; 同時中心刀只設(shè)置了半翼; 周邊刀( 盤圈刀或圓弧刀) 安裝的是耐磨球齒，球耐磨效果不佳，且全部崩落，造成周邊刀和底座嚴(yán)重磨損。
 
 
     鑒于上述情況，項目部決定在常壓下開倉，人工對刀盤本體和刀具、安裝基座進(jìn)行緊急修復(fù)，安裝新的刀具，并對刀具的選擇和布置進(jìn)行改造，以適應(yīng)區(qū)間砂卵石的地質(zhì)條件。
 
     2． 2 常壓進(jìn)倉前的準(zhǔn)備
   
    鑒于上述刀盤和刀具嚴(yán)重磨損的情況，在加壓的情況下對刀盤和刀具進(jìn)行修復(fù)的可能性已經(jīng)不存在了。主要原因如下。
 
    1) 修復(fù)時間較長 長時間加壓進(jìn)倉作業(yè)，對倉內(nèi)工作人員的身體和安全都很不利，同時，也不能保證刀盤上方的土體和建筑物的安全。
    2) 加壓環(huán)境下，焊接工業(yè)困難，難以保證焊接工作的質(zhì)量。
    3) 加壓環(huán)境下，工作人員的體力和注意力下降，無法保證長時間安全作業(yè)。
 
     在加壓作業(yè)的可能性不存在的條件下，只能選擇常壓進(jìn)倉，對刀盤和刀具進(jìn)行修復(fù)和改造。常壓進(jìn)倉作業(yè)的重要前提條件就是要對刀盤上方的土體進(jìn)行加固，保證土體的穩(wěn)定，進(jìn)而保證進(jìn)倉工作人員和刀盤上方建筑物的安全。
 
    土體加固選擇的加固方式是二重管無收縮雙液注漿。由于地面注漿作業(yè)區(qū)域在市區(qū)胡同內(nèi)，允許作業(yè)的場地狹小，因此地面注漿施工采用垂直鉆桿和擴散式傾斜鉆桿相結(jié)合，在局部鉆機無法進(jìn)行鉆孔施工的場所采用人工打入鋼花管后進(jìn)行注漿; 盾構(gòu)機洞內(nèi)注漿施工，采用從觀察窗( 洞) 內(nèi)向土體內(nèi)打入鋼花管注漿。
 
    根據(jù)地質(zhì)勘察報告和雷達(dá)掃描揭示( 4． 5 ～ 6． 5m處有異常區(qū)域) 情況，結(jié)合隧道已開挖暴露的地質(zhì)及水文情況，經(jīng)分析和驗算，初步確定注漿范圍為: 注漿厚度為 6m( 標(biāo)高 41． 260 ～ 35． 260m) ，寬度為 8． 6m，長度( 隧道軸線方向) 為 11． 2m，如圖 11 所示。
  

   
    
     圖 11 注漿加固區(qū)域( 單位: m)

     根據(jù)注漿擴散半徑計算，孔距采用 1． 0m，平面布孔采用交聯(lián)等邊三角形布置原則，實施時以現(xiàn)場管線及建筑物分布情況，遵循布孔原則合理布置注漿孔位。
 
     為了保證注漿過程中土體和建筑物的穩(wěn)定和安全，對注漿的壓力和注漿管的位置以及漿液的擴散范圍要 進(jìn) 行 嚴(yán) 格 的 控 制。注 漿 壓 力 控 制 在 0． 2 ～0． 6MPa; 注漿管的位置控制在胡同內(nèi)，不能進(jìn)入建筑物內(nèi)，從地面進(jìn)行垂直和傾斜注漿; 漿液擴散防衛(wèi)盡量控制在刀盤上方土體的左右、下方 4 ～ 10m，既保證安全，又防止破壞周邊管線。
 
 
    成功進(jìn)行注漿土體加固后，就進(jìn)行了常壓下的進(jìn)倉作業(yè)，對刀盤和刀具進(jìn)行維修改造。作業(yè)前，在在刀盤適當(dāng)進(jìn)行人工開挖，并對暴露的土體噴射混凝土。
 
     2． 3 刀盤和刀具的修復(fù)和改造
 
     對刀盤和刀具進(jìn)行的修復(fù)工作主要包括: ①拆除已經(jīng)嚴(yán)重磨損的周邊刀、齒刀和中心刀; ②拆除嚴(yán)重磨損的周邊刀刀座和齒刀刀座; ③安裝新的周邊刀刀座和齒刀刀座; ④安裝新的周邊刀和齒刀; ⑤安裝新的中心刀; ⑥對磨損嚴(yán)重的刀盤表面進(jìn)行堆焊耐磨修復(fù)。為了保證修復(fù)質(zhì)量，選用了高水平的電焊工。同時選用高質(zhì)量的碳化鎢耐磨焊條、和 E5016 低氫鉀型藥皮的低碳鋼焊條。修復(fù)時提高了焊縫堆焊層的層數(shù)和高度，以保證修復(fù)焊接不低于原廠刀盤的焊接強度。對刀盤和刀具進(jìn)行的修復(fù)工作主要包括:
 
     1) 周邊刀不再采用鑲嵌耐磨球齒，改用盤圈貝型刀，即在周邊刀堆焊碳化鎢耐磨層后，焊接德國海瑞克的碳化鎢合金耐磨塊，如圖 12 所示。盤圈貝型刀專用于切削砂卵石，大大提高了周邊刀的耐磨能力［5］。

       圖12 耐磨塊周邊刀
 
      2) 增加周邊刀的數(shù)量，從 8 把增加到 16 把，提高刀盤切削砂卵石的能力。
      3) 增加齒刀( 切削刀) 的數(shù)量，從 80 把增加到 160把，在所有的開孔處均設(shè)置齒刀，提高刀盤的切削土體能力。
      4) 增加了半翼中心刀，將中心刀從半翼改為一翼，提高刀盤的超前擾動能力。如圖 13 所示。
  
  

     
      圖 13 一翼中心刀
 
      5) 將拆下來的磨損不是很嚴(yán)重的齒刀焊接在周邊刀的周圍，既可以起到一定的超前的作用，有可以在一定程度上起到周邊保護(hù)刀的作用。
      6) 將拆下來的磨損不是很嚴(yán)重的齒刀焊接到面板中間位置上，起超前撕裂刀作用。
      7) 將拆下來的磨損不是很嚴(yán)重的齒刀焊接在齒刀附近，和齒刀( 切削刀) 形成主副切削刀的作用，保護(hù)齒刀，大大提高刀具的抗磨損( 耗) 能力和延長了刀具的壽命。

       改造后的刀盤如圖 13 所示。
  
  

       
          圖 14 改造后的刀盤
 
        2． 4 刀盤和刀具的修復(fù)和改造后的效果
 
        通過對刀盤和刀具的修復(fù)和改造，對于提高刀具的壽命和盾構(gòu)機的掘進(jìn)能力，尤其是在砂卵石地層的掘進(jìn)能力，起到了非常大的作用。同時，加大了例行加壓開倉進(jìn)行刀具檢查的力度，對磨損達(dá)到一定程度的刀具進(jìn)行適時的更換，保證了盾構(gòu)機的快速掘進(jìn)。
 
        盾構(gòu)機始發(fā)后，至 288 環(huán)常壓開倉修刀，只掘進(jìn)了288 環(huán)，即更換了所有的刀具( 88 把) 。而從第 289 環(huán)至第 2 個 區(qū) 間 隧 道 完 成 掘 進(jìn) 共 1 026 環(huán)，只 更 換 ( 43) 把刀具。而第一個區(qū)間共 1 256 環(huán)，只加壓進(jìn)倉檢查刀具兩次，沒有更換一把刀具。當(dāng)然，這有地質(zhì)條件變化的原因，但同時也有力地說明了在對刀盤和刀
具的修復(fù)和改造后，對提高刀具的壽命和盾構(gòu)機的掘進(jìn)能力，尤其是在砂卵石地層的掘進(jìn)能力，起到了非常大的作用。
 
         3 、結(jié)論與建議
 
         3． 1 結(jié)論
   
        北京的地質(zhì)條件，尤其是砂卵石，對于盾構(gòu)機的掘進(jìn)和刀盤的設(shè)計、刀具選擇，需要有謹(jǐn)慎的考量。正是由于對于砂卵石的不重視以及整個北京盾構(gòu)施工界的經(jīng)驗不足，造成了這次刀盤和刀具的大范圍的嚴(yán)重磨損和修復(fù)、改造。同時，也正是由于對砂卵石的重視，才使得這次的修復(fù)和改造非常成功，對于保證完成工期，創(chuàng)造掘進(jìn)記錄起到了非常重要的作用。
 
         應(yīng)該說，這次的經(jīng)驗是非常寶貴的，總結(jié)如下:
 
        1) 周邊刀合金耐磨塊對砂卵石地層的切削能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)強于耐磨球齒顆粒。
        2) 增加刀具的數(shù)量，可以大大提高刀具的切削能力和使用壽命。
        3) 各種超前刀和撕裂刀對于保護(hù)周邊刀和齒刀( 切削刀) 是可以起到相當(dāng)意義的作用的。
        4) 客觀意義上的主副刀對于保護(hù)齒刀，延長齒刀的壽命也能起到很好的作用。
        5) 半翼鼻型布置的中心刀的超前擾動作用不如一翼布置的中心刀。
 
        3． 2 建議
    
        鑒于刀盤設(shè)計的現(xiàn)狀，有一些改造當(dāng)時只能限于設(shè)想，無法實現(xiàn)，現(xiàn)在作為建議提出來:
 
       1) 中心刀應(yīng)該設(shè)計為魚尾刀，如日本產(chǎn)的盾 構(gòu)機［6］，相比鼻型布置的中心刀，魚尾刀的超前擾動能力和超前切削能力能強，同時對切削下來的土體的翻轉(zhuǎn)攪動能力也更強，可以更好得解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，大大提高盾構(gòu)機整體掘進(jìn)水平。這在第一個區(qū)間比較明顯，在該區(qū)間，中心刀位置上的砂性黏土和粉質(zhì)黏土混合膨潤土、泡沫，在刀盤擠壓和摩擦力的作用下，在中心刀位置( 刀盤中部) 發(fā)生大面積固結(jié)現(xiàn)象［7］，是盾構(gòu)機的扭矩和推力增加，掘進(jìn)速度下降，不得不加壓進(jìn)倉清除固結(jié)的土餅。
 
       2) 在刀具布置設(shè)計上面，應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾痈鞣N超前刀和撕裂刀的數(shù)量，以保護(hù)各種刀具，延長刀具的壽命，提高盾構(gòu)機的掘進(jìn)能力。
       3) 對齒刀可以嘗試進(jìn)行刃口部位的耐磨堆焊處理，增加耐磨堆焊層的厚度，提高刃口的耐磨和抗沖擊破壞能力。
       4) 對刀具本體進(jìn)行耐磨堆焊處理，提高刀具本體的耐磨和抗沖擊破壞的能力［8］。
       5) 對周邊刀的耐磨材料，是選用鑲嵌硬質(zhì)合金耐磨球齒顆粒，還是選用鎢碳合金耐磨塊，需要根據(jù)地質(zhì)條件慎重選擇。
       6) 對北京的砂卵石地層，應(yīng)該適當(dāng)增加刀盤的開口率，或者采用面板 － 輻條式的符合刀盤設(shè)計，甚至選用輻條式刀盤［9］。鑒于國內(nèi)對于刀具和刀具布置的多年的研究，以及國產(chǎn)刀具的優(yōu)良的性價比，對于地質(zhì)條件良好( 無砂卵石地層) 的盾構(gòu)隧道，在具有一定的加壓開倉換刀的能力的條件小，建議試用國產(chǎn)刀具。