新建广深港客运专线广深段狮子洋隧道SDⅡ标
进口盾构段
盾构机换刀、检修地层加固建议方案
中铁十二局集团
广深港客运专线SDⅡ标项目部
二OO八年一月十五日
一、盾构机换刀、检修的必要性
1、盾构穿越地层分析
狮子洋隧道进口标段盾构穿越地层按岩层强度划分，大致可分为软弱地层(DIK33+660~DIK34+460,800m)、上软下硬地层(DIK34+460~DIK34+820,360m)、硬岩地层(DIK34+480~DIK38+550,4070m)。

盾构机掘进过程中通过的具体地质岩层见表1。

表1 盾构穿越地质岩层一览表
2、盾构机刀具布置
按照盾构机生产厂商维尔特集团的刀具设计指导思想及投标文件，“本工程每台盾构机需挖掘约500m的软土地层和和近约4200m的岩石地层，开始时先不
装滚刀，因此本工程换刀的次数在3~4次”（维尔特集团盾构机投标文件第二册技术标书P130页第14.7节）。

在随后的盾构机设计联络中，维尔特集团坚持其刀具设计指导思想，将刀具分为软层刀和硬岩刀。

当盾构机在抗压强度较小的软土地层中掘进时，土层对刀具的切削要求能力不高，故在刀具配置时，以软岩刀具来进行在软土地层中的掘进。

根据软岩刀具的切削原理，刀具主要是通过对土层直接进行剪切破坏来进行切削的，因此刀具主要以切刀和刮刀相结合的软岩刀具配置为主，同时安装4把周边滚刀，以形成对刀具和刀盘的保护作用。

以此配置称为软岩刀盘，在盾构机始发时以软岩刀具配置掘进。

当盾构机在抗压强度较大的硬岩地层中掘进时，岩层对刀具的切削能力要求较高，故在刀具配置时，必须以硬岩刀具配置来进行硬岩地层中的掘进，根据硬岩刀具的切削原理，刀具主要对其硬岩形成的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分使岩石破碎，从而形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂向周围扩散，使得切削沟槽两侧的岩石也剥离破碎。

因此刀具主要以滚刀为主，以此配置称为硬岩刀盘，在盾构机进入全断面硬岩地层前以硬岩刀具配置掘进。

维尔特集团设计的软岩刀盘见图1，硬岩刀盘见图2。

图1 软岩刀盘
图2 硬岩刀盘
3、盾构机换刀的必然性及位置选择
⑴盾构机换刀、检修的必然性
在两种不同性质的地层中掘进时，盾构机刀具应该配置不同的刀具来进行切削，若在盾构机始发时就配置硬岩刀具，则当盾构机在软土地层中掘进时，软弱土层对刀具提供不了足够的挤压力，使得硬岩刀具（滚刀）滚动不起来，在软土中改为以剪切来对土层进行切削破坏，最终必然导致硬岩刀具（滚刀）的刀刃刃口偏磨，形成缺口，待盾构机进入硬岩地层后，硬岩刀具（滚刀）因偏磨而滚动不起来，从而使得刀具对硬岩地层也以剪切来进行切削破坏，加剧了刀具的损坏，最终导致刀具磨损，甚至盾构机难以掘进。

因此盾构机在两种不同的地层中掘进时，必须配置以相应的刀具，则在两种地层的分界处，就必须对刀具的配置进行更换，并对其它刀具进行检修。

⑵换刀检修位置选择
依据地质资料所揭示的地层，在小虎沥东岸处为该两种地层的分界处，考虑到由于盾构机在始发时配置的软岩刀具对硬岩地层也具有一定的切削能力，故在当盾构机掘进至岩面在洞身范围底部出现一定高度后马上进行换刀（依靠软岩刀
具使得盾构机掘进至全断面硬岩地层的可能性不大）。

由于换刀位置需要进行地层加固，依据现场的实际地形地貌，仅有在小虎沥的东岸江边位置具备条件。

二、盾构机换刀、检修的风险分析
换刀施工的关键并不在换刀的本身，而是换刀环境的可实施性。

在里程DIK34＋475～DIK34＋500区域内地质岩层由上到下依次是人工填土层、粉细砂层、淤泥质土层、淤泥层、粗砂砾层和小直径的砾石和卵石层，属强透水性，地质岩层不稳定。

盾构机的工作面所处地层为粘性土层、粉细砂层、粗砾砂层和砾石、卵石层等，其地质特性强透水性，地质岩层稳定性很差，围岩完全没有自稳能力，换刀作业无法施工，安全风险极大。

三、盾构换刀、检修位置的地层加固建议
1、地层加固位置选择
依据盾构穿越的地层及现场的地形地貌，具有可实施性的地层加固范围为DIK34+475~+500。

2、加固方案
地层加固采用素混凝土连续墙＋高压旋喷桩的加固措施。

连续墙厚800mm，
线底部
为25m。

图4 换刀加固纵断面图
3、加固方案的有效性
⑴加固位置选择在小虎沥的东岸，现场具备了施工的条件；
⑵加固位置盾构穿越地层大部分为软岩，仅底部有少量的硬岩，符合刀具配置的要求及维尔特的刀具设计思路和换刀建议；
⑶采用素混凝土连续墙＋高压旋喷桩的加固措施后，换刀环境大大改善，有效地降低了施工风险，保证了人员的安全和工程的顺利进展。