小松土压平衡盾构机穿越基础桩刀盘改造探索

摘 要：结合华东地区地铁施工实例，通过合理选择刀具，并基于阿基米德螺线布置方法及先行刀空间立体布局对盾构机刀盘进行改造，使改造后的盾构机顺利穿越混凝土基础桩区，从而证明了盾构机的刀盘改造是安全有效、切实可行的。

[关键词] 土压平衡盾构机刀盘改造先行刀穿越钻孔灌注桩

中图分类号：P624.8 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

本工程为华东地区某地铁工程，为一车站两盾构区间。其中地铁区间采用盾构法施工，左线长820.885m，右线长818.04m。区间需穿越某一隧道，该隧道为钢筋混凝土箱式结构，其下部设置Φ800钻孔灌注桩群（未处理）。盾构机需穿越混凝土桩区，在穿越桩体过程中可能会出现刀盘或螺旋被卡及刀盘前方土体塌方，对盾构机及此隧道结构造成不利影响，增加了施工难度。

被穿越隧道先于盾构施工前完成，为南北走向。隧道采用明挖施工，基坑中间设置Φ800钻孔灌注桩（未处理），桩底标高-26m，其中-11.3m以下为素砼桩。该桩群在盾构隧道范围内左线3根、右线3根。盾构隧道顶部标高为-12.3m左右，其位于桩底对应环号为左线：224~226环，右线224~226环。

2 刀盘改造的必要性

本工程选用小松TM634PMX土压平衡盾构机，盾构机刀盘直径为6.36m，刀盘结构为辐条面板型，刀盘开口率为40%。刀盘上配置安装了主切削刀78把，周边刮刀12把，该盾构机适宜在黏质粉土、粉土、局部粉砂、淤泥质黏土、粉砂、细沙等土层的掘进施工。由于刀盘原设计适用于软土地层，不具备破岩能力，因此盾构机在穿越隧道基础桩区时需进行改造，以提高刀盘的破岩能力，使之顺利通过桩区。

图1 隧道的桩基础与区间隧道的位置关系图

图2 盾构穿越隧道横剖面图

3 刀盘改造技术

3.1 刀具选择

a、先行刀 (也称超前刀)顾名思义，先行刀即为先行切削土体的刀具。先行刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，先行刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，先行刀断面一般比切削刀断面小，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。

在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。根据目前国内的施工经验，建议采用盘圈贝型刀式先行刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，能有效提高刀盘的破岩能力。

b、在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀，鱼尾刀超前300 mm左右。鱼尾刀的设计和配置方式如下：

其一，让盾构分两步切削土体，利用鱼尾刀先切削中心部位小圆断面土体，而后扩大到全断面切削土体，即将鱼尾刀设计与其它切刀不在一个平面上，即鱼尾刀超前切刀布置，保证鱼尾刀最先切削土体。

其二，将鱼尾刀座前方加焊先行刀增加鱼尾刀的破岩能力。

其三，鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动，这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性和搅拌效果，又大大提高盾构整体掘进效果。

图3 盘圈贝型刀

图4 中心鱼尾刀

3.2 刀具在刀盘上的布置方法

3.2.1 刀具间距确定

先行刀在设计中主要考虑到与切削刀组合协同工作。工作时在推力的作用下，排列在到刀盘上的刀紧压岩面，随着刀盘旋转岩面被划出一系列的同心圆，将岩体切割分块。当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石中间裂缝贯通，为切削刀创造良好的切削条件，随后岩片被切削刀剥落。因此先行刀的间距确定为主切削刀的刀宽即100mm，确保切削刀的切削轨迹与被先行刀破岩后后形成的交差裂缝为同一轨迹，从而达到破岩挖掘的作用。

图5 破岩示意图

图6 先行刀与主切削刀协同切削土体示意图

3.2.2 盾构机刀具在刀盘上的布置曲线

由于先行刀在掘进过程中起到疏松土体、防止大粒径卵(砾)石冲击主切削刀、降低主切削刀的冲击荷载并减小其切削阻力的作用，因此先行刀要按一定的力学和几何学规律在刀盘上布置。目前先行刀的安装数量和布置曲线的确定与主切削刀类似，采用最多的就是依据阿基米德螺线规则布置刀具，并根据刀具等磨损、等寿命原则，确定刀具数量。

1．阿基米德螺线

阿基米德螺线定义为：动点 P 沿射线 OP，以等速率运动的同时，射线OP 绕 O 点等角速度旋转，动点 P 滑过的轨迹即为阿基米德螺线。极坐标的描述为：

ρ=ρ0+α×θ

式中ρ——极轴极径(mm)

ρ0——极轴极径初始值(mm)

α——常系数

θ——极角( ° )

其中螺距 Δρ=2πα，在极坐标中如下图所示。

图7 阿基米德螺线示意图

2．盾构机刀具布置原则

依据等磨损、等寿命原则，在盾构机切削半径较小时，沿刀盘径向，每一回转半径上只需配置一把刀具即可，因此该切削区域的刀具采用单螺线布置。根据地质报告和施工要求确定出盾构机的结构参数和刀具的几何尺寸，即得到确定螺线布置曲线的参数。

3.3 本工程刀盘改造方案

3.3.1 盾构机刀盘改造设计相关参数

本工程所选盾构机实际尺寸参数如下：

表1 盾构机刀盘相关参数

先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置时，先行刀刀具的布置数目为

N’=

先行刀刀具与中心刀的重叠量

C=b3×ΔN

式中ΔN为N’取余。

阿氏螺线常因数

式中Δθ为相邻辐条间的夹角。

先行刀依照阿氏螺线顺序在辐条上进行刀具布置，其表达式为

=ρ0 +α×θ=

⑸ 若先行刀刀具切削轨迹之间有搭接重叠布置部分时，先行刀刀具的布置数目

式中Δb为刀具切削轨迹之间搭接重叠量，一般根据工程需要而定。

3.3.2 盾构机刀盘改造设计计算

本工程依据工程实际情况和所选盾构机具体状况，确定刀盘改造为添加部分先行刀。

对于本设计方案，计算如下：

⑴ 先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置时，布置数目为

N’=

⑵ 先行刀具与中心刀的重叠量

C=b3×ΔN=65×0.923=59.995

式中ΔN为N’取余。

⑶ 阿氏螺线常因数（刀盘上布置3根辐条）

式中Δθ为相邻辐条间的夹角。

⑷ 先行刀依照阿氏螺线顺序在3根辐条上进行刀具布置，其表达式为

=ρ0 +α×θ=

本方案中先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置部分，刀具数目不作修改。

3.2.3盾构机刀盘改造设计调整

根据盾构机刀盘实际状况对其进行进一步调整，调整事项如下，调整后如下图布置。

图8 盾构机刀盘改造示意图

⑴ 布刀位置根据阿基米德螺线依次布置于辐条与辐板上，且先行刀刀具切削轨迹之间无搭接重叠布置。