盾构机刀具在盾构设计、施工中有十分重要意义。其直接关系到工程能否安全、按时、顺利地进行。根据目前正在施工的广州及深圳地铁建设经验,随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大,盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层,同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要,也要考虑在硬岩中的要求。

 

在刀具布置上一般认为刮刀适用于土层及部分软岩,盘形滚刀(图1c、1d)适用于硬岩,其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中,国外曾有在抗压强度超过200MPa岩石中应用的工程记录。但从目前国内施工中所遇到的单轴抗压强度为120MPa岩体所反映的情况来看,此段土压平衡盾构(图1a)即使采用了单刃滚刀,其效果与预想也有一定距离。

 

土压平衡盾构虽然和硬岩掘进机(图1b)在掘进方式、机械总体设计思路上有较大区别,但在硬岩段对刀具要求是类似的。本文从当前地质勘察现状及硬岩掘进机刀具设计原理出发,结合国外硬岩TBM工程勘察要求及试验项目,提出了硬岩地段地质勘察建议。

 

段盾构工程的地质勘察,有其独特之处:

 

1　盾构工程地质勘察特点(1)地质勘察报告不仅被设计部门使用(结构与其他土木工程相比,盾构工程,尤其是硬岩地设计),更重要的是要被工程承包商使用(盾构机选型及详细设计、工期筹划等)。(2)地质勘察报告中不仅包括常规力学实验,还需包括针对盾构工法的特殊实验。甚至不同的盾构机、刀具设计模型所要求的实验项目及程序有所不同。(3)常规力学实验中有效数据的判别标准与常见土木工程不同。2　硬岩滚刀破岩原理

 

2.1　硬岩滚刀破岩原理

 

硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤(图2):

 

(1)挤压阶段:滚刀在高推力作用下,切入岩石表面(切入深度1～10/15mm,取决于岩体强度),同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。并在此应力作用下,刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区,即应力核心区(pressurecore)。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。

 

(2)起裂阶段:沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时,便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区(transitionzone),该区为应力衰减区,对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝,由于其方向与破岩方向一致,因此也不能显著地提高破岩效率,但能加大下个循环中压入阶段应力范围。

 

(3)破碎阶段:当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时,表面部分岩体便被裂缝分割,形成碎片并脱离开挖面。

 

图2　硬岩滚刀破岩过程

 

2.2　破岩影响参数分析从滚刀破岩全过程分析,有以下因素直接影响裂缝能否形成:1)岩石硬度:在刀具挤压阶段,必须保证刀具硬度要高于岩石硬度,才能切入岩石表面,形成必要深度的应力核心区。2)抗压强度:刀具切入岩石表面后,当应力大于岩石抗压强度(单向应力条件)或抗压强度与地层主应力组合值(三向应力条件)时才能形成粉碎区,以保证裂缝产生位置具有一定深度。3)抗拉强度:是裂缝形成的力学原因。