摘要：南宁市轨道交通4号线总部基地站~飞龙路站区间地勘显示盾构隧道线路中大部分掘进线路处于全断面强风化硅质岩中，围岩稳定性较差，地下水丰富，岩层较为破碎，受盾构扰动后极松散，岩层中夹杂黏土较多。本文主要介绍南宁市邕江南部地下水水量较大的强风化硅质岩地层的土压平衡盾构掘进刀具选型及掘进控制。 关键词：刀具；泥饼；硅质岩；地下水
避雷系统1、总部基地站~飞龙路站区间概况闯红灯抓拍系统
1.1工程概况
总部基地站~飞龙路站区间（以下简称总飞区间）沿五象大道布设，东西走向。本区间为两条单洞单线圆形盾构隧道，线间距16.00~24.50m，曲线最小半径为1500m;线路最大坡度29.000‰；区间左线线路埋深18.23~30.90m，采用盾构法施工，本区间盾构隧道主要穿越硅质岩层、灰岩层、含角砾粘性土、角砾、粘性土粉质粘性土。
1.2地质概况
黑苦瓜种子
隧道洞身主要穿越硅质岩⑨G-2层（D3l）强风化，褐黄、褐红，隐晶质结构，薄层状构造，与泥质胶结，泥质含量约10~30%，原岩风化程度较高，呈稍密~中密状，岩质性脆，暴晒后易手捏呈碎块。重型动力触探试验锤击数修正值1.0～14.2击，平均4.1击/10cm。有7个勘探孔（含利用孔）揭露该地层，层厚0.40～21.00m，平均10.50m，层底标高44.56～65.43m。呈层状、呈透镜体分布。
2、盾构机刀具配置
根据地勘显示情况，区间选用中铁装备487#土压平衡式盾构机，刀盘的基本结构为辐条面板式，6个主梁+6个面板，刀盘开口率35%。盾构机初始刀具配置:滚刀40把：双联中心滚刀数量6把，正面滚刀数量34把，边刮刀12把，刮刀40把，超挖刀1把。渣土改良喷孔：共有6个喷口，4个泡沫喷口，2个膨润土喷口。 3、实际掘进过程中遇到问题
家庭自制黄豆芽机因地勘显示硅质岩岩层硬度较高，故盾构选型时刀盘开口率偏低，仅为35%，刀盘正面配置大量滚刀以备遇到坚硬岩层时有效切削掌子面。
总飞区间左线盾构机始发后黏土地层中掘进推力位于920t~1030t之间，扭矩基本维持在1000~1300kN.m之间，推力扭矩波动较小，环出渣量较均衡，基本稳定在50~60m3之间。掘进速度平均能保持在55mm/min以上，掘进速度较快。进入全断面硅质岩地层后，推力位于1050t~1320t之间，扭矩基本位于3000~4700kN.m之间，推力扭矩均明显增长，经常性出现超挖。掘进速度均在30mm/min以下，平均速度仅为15mm/min，掘进速度明显降低，螺旋机喷涌频繁，地表沉降控制困难刀盘扭矩大，掘进速度小，地表多次出现沉降预警，为控制地表沉降，盾构同步注浆量大幅增加，由原来的5~7m³增加至10m³以上。遂于222环（刀盘位于226环）处进行第一次开仓换刀。第一次开仓换刀时所换刀具与盾构始发时初始配置刀具相同，仍为6把双联中心滚刀及34把正面滚刀。
第一次换刀后掘进至290环处，再次出现换刀前相同情况，螺旋机喷涌频繁，地表沉降控制困难，出渣量偏多。刀盘扭矩大，掘进速度小，推力及扭矩均进一步增长，掘进速度进一步降低，环出渣量平均处于55m3以上，地表同样多次出现沉降预警，为控制地表沉降，盾构同步注浆量依然较大。
根据现场情况，决定在第312环（刀盘位于316环）进行第二次开仓换刀。第二次换刀时根
据第一次换刀时的经验教训，将刀具配置改为1把中心双联球齿滚刀、3把中心双联撕裂刀，12把正面撕裂刀，其余滚刀均更换为球齿滚刀。根据先前掘进经验，在第二次换刀后的盾构掘进过程中，不再采取大方量的同步注浆来控制地表沉降，转而采取快速掘进，多次进行二次注浆填充地层，采取上述措施后地表沉降得到有效控制，并在掘进过程中使用膨润土及分散型泡沫剂进行渣土改良及润滑刀具，有效避免了浆液前串刀盘造成土仓固结及刀盘泥饼的形成。第二次换刀后各项参数基本恢复正常水平，出渣量及螺旋机喷涌次数明显减少，顺利掘进出洞。
4、原因分析
第二次开仓换刀位置（刀盘位于316环），距离联络通道位置较近开仓过程中采取10口降水井（每口井配备25kw水泵）同时进行降水，日均抽水量达8000~10000m³，经持续一周抽水后，才将地下水位降至土仓腰部以下，满足开仓条件。可见地下水量较大，与先前判断相符。
总飞区间左线盾构机始发时初始配置刀具中，大量配置滚刀，其中双联中心滚刀数量6把，正面滚刀34把，刀具配置适宜整体性较好、强度较大的岩层中进行掘进。实际掘进过程中
发现地层地质与详勘出入较大，掘进过程中并未遇到整体性较强、强度较高的岩层，实际围岩稳定性较差，风化程度高，地下水较丰富，岩层较为破碎，受盾构扰动后极松散，且强风化薄层状构造的岩层中与泥质胶结、夹杂黏土较多，盾构机刀盘刀具配置所适用地层与实际掘进地层情况有较大出入。
后期联络通道开挖揭露全断面硅质岩地层情况可知，该地层自稳性能较好，但因强风化硅质岩层岩体较为破碎，且裂隙呈水平方向片状发育，硅质岩间夹杂大量黏土，加之地下水丰富，地层受盾构机在掘进扰动较大，围岩稳定性下降，易剥落，此时盾构机刀盘上的滚刀无法发挥应有的滚动切削岩层的作用，大量黏土进入刀仓，形成泥饼，滚刀无法转动，受到硅质岩的反复打磨，造成滚刀严重偏磨，逐渐失去切削能力。同时刀盘开口率较低，无法及时快速将掌子面的黏土排入土仓内，导致黏土粘结于刀盘上，形成泥饼。盾构掘进过程中仅使用泡沫进行渣土改良，未能有效使用膨润土对刀具进行保护（同时进行渣土改良）。
总飞左线盾构机第193环-222环和282环-312环掘进过程中，均出现难以控制出渣量，频繁超挖、螺旋机喷涌严重，盾尾漏浆，地表沉降多次预警的情况，可判断此时刀具磨损量已
较大。为控制地表沉降，均采取了加大同步注浆量的措施，同步注浆基本保持在7m³-10m³，已大大超过正常掘进状态下的5m³-6.5m³的理论注浆量，因浆液在地层中无法有效扩散，同时注浆压力较大（2.0bar以上），部分浆液击穿盾尾密封导致盾尾刷部分失效，其他部分浆液通过盾构机盾体与地层的间隙，前串至刀盘，进入刀仓及土仓，加速了刀盘泥饼形成的速度，并造成土仓固结。
5、对比分析电镀马赛克
总飞区间右线掘进地层与总飞区间左线地层相似，始发刀具配置相同，但掘进过程较为顺利，未进行开仓换刀，较总飞区间左线提前7个月先行出洞。
挑选总飞区间右线掘进过程中与左线开仓换刀位置地质情况相似的第280环至290环位置掘进参数对比结合出洞后观察到的刀盘刀具情况，总飞右线在地质相似位置同样遇到推力大、扭矩大的情况。刀盘上配置的40把滚刀均磨损量极大，其中正面滚刀有13把严重偏磨，从刮刀的磨损情况可判断，滚刀严重磨损后已失去切削能力，刮刀在掘进过程中实际上成为了先行刀，承担了大部分切削土体的作用。边缘滚刀大量磨损，造成刀盘无法保持开挖直径，也是使得盾构机掘进速度慢、推力大、刀盘扭矩大的原因之一。
总飞区间左线盾构机在第二次换刀时改变刀具配置，出洞后刀盘与刀具磨损均较小，刮刀均较为完好，撕裂刀的刀仓虽有黏土固结，但不影响其在掘进过程中对土体的先行切削作用，其余滚刀均由光圆滚刀更换为镶齿滚刀后，在破碎地层中球齿可以有效楔入地层，使得滚刀保持转动，避免了滚刀偏磨。
6、总结
综上所述，在此类强风化与泥质胶结，且含水量较大的硅质岩地层中，若选择使用土压平衡盾构机进行掘进，宜配置开口率较大（超过35%）的刀盘，刀具配置应优先选用撕裂刀，避免黏土糊住滚刀造成偏磨。虽然此类地层受盾构扰动后较为松散破碎，但硅质岩碎块单体仍对刀具具有较大的磨损，应积极进行渣土改良，使用膨润土对刀具进行润滑保护。
同时经施工现场实际运用得出经验可知，在盾构掘进过程中，因水泥浆液无法在地层中积极扩散，宜采取“快掘进，勤补浆”的方式进行掘进，利用距离盾尾较远的管片及时进行二次注浆，对同步注浆进行补充，有效控制地表沉降的同时避免因加大同步注浆量造成浆液前窜至刀盘造成土仓固结、刀盘结饼，也可避免过大的同步注浆量击穿盾尾密封造成盾尾
漏浆。三羟甲基丙烷三丙烯酸酯
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