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不同地质条件下盾构刀具的选用

摘 要:随着现代化城市建设发展,人们对地上空间的开发利用逐渐饱和,对地下空间开发的需求也变得越来越大。盾构机作为城市地下轨道建设不可或缺的装备,正朝着更全面、更智能化方向发展。针对不同地质条件,对盾构机刀具选用进行研究分析,使盾构机刀盘具有更强的适应性和经济性,也为今后盾构机的研发设计及盾构隧道施工提供参考依据。
  每一个城市都有其特定地质条件,城市地下空间开发与地质及水文条件密不可分。隧道施工会针对地质条件选择具有针对性的盾构机,以确保施工安全性与经济性。刀盘刀具作为盾构机上的关键部件,其设计选型要求会更高、更严谨。本文将结合已有的设计及国内施工经验,探讨在不同地质条件下刀具选用情况。
1 刀具的原理及分类
  目前盾构机刀盘按其适应地质一般分为软土刀盘、复合刀盘及硬岩刀盘。刀盘的掘进施工最终都是靠刀具来完成,刀具按切削原理一般分为滚压刀具及切(刮)削刀具。滚压刀具的工作原理主要是依靠刀具推力来冲击挤压岩层;再加上刀具旋转扭矩连续滚压破岩,这类刀具在掘进过程中会随刀盘一起公转,同时自身还绕刀轴进行自转。滚压类刀具对岩石作用力大,常用于硬岩或大直径圆砾地层隧道掘进中,也可用于复合地层,主要分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀等。切削刀具的工作原理主要是盾构机向前推进的同时刀具随刀盘旋转,刀刃不断嵌入土体并对开挖面土体产生轴向剪切力和径向切削力,分为切刀、中心鱼尾刀、撕裂刀、先行刀、保径刀和边刮刀等形式;此类刀具一般用于软土地层及软岩地层中,或用于硬岩及复合地层辅助切削中。
2 工程地质条件的主要形式及分类
  我国幅员辽阔,地下条件复杂多样,工程隧道施工前期科学合理地对项目地质条件进行分析必不可少。根据目前已知地质研究及勘探情况,我国隧道施工地质条件主要分为以下几种。
  第一,软土地层,主要由各种沙土、粘土、粉土、填土和淤泥等按照不同比例组合而成,此种地层在我国上海、浙江以及江苏等长三角地区分布较多。
  第二,复合地层,主要由岩石、圆砾、碎石及其他各种软土中的两种或多种组合而成,此种地层在我国分布较广,比较典型地区有武汉、长沙和广州等地。
  第三,硬岩地层,主要以较硬的岩石为主,由一种或多种岩石以不同强度及固体形状组合而成,此种地层主要出现在我国四川、重庆等山岭隧道中。
  第四,其他特殊地质条件,如溶洞,膨胀土(吸水膨胀、失水收缩)、湿陷性土(黄土)、冻土(冻胀、融陷)和大孤石等特殊地理环境或区域下形成的、具有特殊性质的地质。
  地下地质条件虽是千变万化,但最根本的还是由土和岩石这两种不同形式组合而成,综合概括土层及岩层主要特性,如表 1、表 2 所示。

3 不同地质条件下刀具选用方法
  施工项目的地层条件是刀具选用的最根本、最关键的依据,我国复杂多变的地质条件决定了隧道施工刀具选择要有较高的适应性。从掘进效率、安全性及经济性等多方面考虑,刀具在不同地层下的推荐选择范围如下。
  第一,对于软土地层,土的硬度较低,强度特性较弱,比较容易松动或者剥落,一般抗压强度在 10MPa 以下,建议采用刮削类刀具,既可满足施工要求,也利于排渣。软土层使用刀刃角小切刀,效率高;硬土层使用刀刃角大切刀,防止刀折断。
  第二,沙土粉土等地层中,可选用较轻型刮刀、鱼尾刀等;粉砂,中、粗、细砂层中,可选用耐磨性能较强的切刀、先行刀或保径刀等;粘土及淤泥质地层中,可选用刮渣效果较好的切刀、鱼尾刀等,同时配合增大刀盘面板的开口率,以防止结泥饼。
  第三,复合地层由于地层比较复杂,所以刀具选用也更加多样化。一般主刀具建议采用刀座相同,刀具形式可互换的撕裂刀与滚刀形式;再配合刮刀、边刮刀清理刮渣,边刮刀可起到校准盾构机开挖直径的作用。
  第四,当地层以中软岩为主时,建议采用普通的盘形滚刀;同时控制滚刀的启动扭矩不宜过大,以免在软土层中无法自转而产生弦磨。
  第五,地层以淤泥或粘性土层为主时,建议采用撕裂刀;同时可采用相对较大的刀高差便于搅拌渣土。
  第六,硬岩地层岩石强度特性较高,抗压强度一般大于 30MPa,岩石越硬,对刀具磨损消耗越大,对刀具冲击也越强,故建议采用滚刀进行破岩完成掘进施工即可。
  第七,中硬岩地层中,建议采用普通盘形滚刀,刀间距为 80 ~ 100mm,可根据岩石硬度适当调整刀圈厚度,以提高其适应性;极硬岩地层中,建议采用重型滚刀,增大扭矩,提高承载力及破碎能力,刀间距为 65 ~ 80mm,约为贯入度的 10 ~ 20 倍,必要时可在滚刀刀圈上镶焊硬质合金,以提高耐磨性能。
  第八,特殊地层刀具选用,大体原则还是遵循以上三种情况,但是可根据特殊地质条件进行优化调整。例如,建议采用复合式盾构,再根据实际工况调整刀具数量及刀高等参数,并优化盾构其他性能参数;大直径卵石、漂石地层长距离掘进时,建议根据具体地质选择复合式刀盘以滚刀破碎,排破结合的方式施工。国内复合地层及软土地层刀具选用实例如图 1 所示。
4 盾构机刀具发展趋势
  盾构机由于其高效、经济、安全等特点逐渐被广泛应用于隧道施工中,虽然有水射流破碎、热破碎以及微波破碎等多种应用于盾构的破岩方法逐步出现,但是国内外对传统刀具破岩的研究和应用依然为主流。行业内研究者们结合刀具失效模式,从切削机理、理论计算、破岩方式以及模拟试验等方面进行深入探索研究,并结合施工经验不断改进和完善,形成了适用于不同地质条件下的多规格、多品种与多功能的盾构机刀具系列。盾构机刀具迎来了全新时代,刀具研究制造技术也逐渐向国产化、信息化、智能化以及重型化方向发展。
5 结语
  根据工程地质条件不同,选用的刀具形式、刀具几何形状以及刀具布置间距直接影响掘进效率及安全。由于地层难预测性及多变化性,实际设计及施工过程中要多方面考虑工程概况以及人为性因素,以确保施工安全高效。本文针对我国普遍地质对刀具选用展开分析,为设计及施工提供初步参考方向;其他特殊地质条件下刀具选用及刀盘刀具详细设计需结合实际工程概况进行分析研究。

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