0 引言
刀盘刀具磨损已成为盾构法施工跨海隧道所面临的挑战之一［1 － 2］。滚刀磨损后若不能及时更换，容易导致刀具、刀盘甚至盾构设备损坏，继而因刀具更换或维修引起严重的工期延迟，造成项目投资成本增加［3］。对于厦门轨道交通2 号线跨海段盾构施工存在同样的挑战和风险，因此在盾构施工之前有必要通过理论和实验的方法来评价岩土的磨蚀性、预测滚刀的磨损量并选择合适的换刀位置，从而指导工程进度和成本预算，规避和减小施工风险。
目前，对于滚刀磨损的预测问题，国内外专家和学者已开展过针对性研究。G． Wijk［4］提出了滚刀掘进距离与岩石CAI 值的平方成反比的滚刀寿命预测模型;A． Bruland［5］利用通过岩石钻孔Siever’s 实验确定的SJ系数和通过岩粉磨蚀实验确定的AVS( 或AV) 岩石磨耗性系数，建立了NTNU 模型来预测刀具的寿命; 张照煌等［6］利用弧长磨损系数预测盘形滚刀的寿命; 杨媛媛等［7］基于围岩的分类等级预测滚刀的磨损; 王瑶等［8］根据滚刀的运转距离预测滚刀的寿命; 魏南珍等［9］根据滚刀的安装位置即滚刀刀位号预测滚刀的磨损。
上述研究中得出的用于滚刀磨损预测的方法，为厦门轨道交通2 号线跨海段刀具磨损与更换预测提供了思路，但由于这些方法的局限性，均未能得到广泛地应用。在此基础上，本文提出理论分析结合实验指标的刀具磨损预测方法，并通过相互验证提高预测的准确性。通过滚刀磨损机制分析，建立模型并对滚刀磨损进行初步预测; 通过现场岩样的磨蚀性实验建立岩石的磨蚀性指标，基于实验结果预测滚刀的磨损量; 最后在理论预测结果与实验预测结果基础上，结合跨海段地质条件的实际情况，对滚刀更换的位置和工法提出建议。
1 跨海段工程概况
厦门轨道交通2 号线跨海段主要连接海沧大道站和东渡路站，区间采用复合式泥水平衡盾构施工。区间设2 座中间风井( 1#和2#风井) ，分别位于大兔屿和厦门本岛内侧，采用矿山法开挖; 设3 座独立的联络通道，均位于海底，采用冻结加固后矿山法施工。跨海段工程平面图如图1 所示。
厦门轨道交通2 号线工程跨海段区间长约2 500m。据初步统计，盾构穿越基岩、半岩半土、基岩全( 强) 风化层的长度分别为532． 5、100、1 935． 5 m，分别占掘进长度的20． 7%、3． 9%、75． 4%。穿越海底段地层起伏大，最小覆土厚约8 m，最大覆土厚约60 m，最大水压约0． 55 MPa。
图1 厦门轨道交通2 号线跨海段工程平面图
工程基岩波动起伏大，有岩石礁盘吐露，又有风化深槽下切且无规律性。海沧侧为燕山期侵入花岗岩;厦门岛侧为凝灰熔岩; 中部为浅变质的泥岩、粉砂岩、细砂岩和板岩等，局部为黑云母安山岩。岩石最大抗压强度达90 MPa，石英含量不超过50%。跨海段的工程地质如图2 所示。
图2 厦门轨道交通2 号线跨海段工程地质示意图( 单位: m)
2 滚刀换刀工法及适应性
现阶段盾构滚刀均采用背装式安装，应用于滚刀更换的工法主要包括: 常压开舱换刀、带压进舱换刀、饱和气体带压进舱换刀和减压限排换刀等。
2． 1 常压开舱换刀技术
在地层比较稳定、无大量地下水涌出且无有毒气体存在的情况下，一般采用常压开舱换刀。在条件允许的情况下，对于开挖面地层稳定性差或者地下水较丰富的地层，应预先将刀盘开挖面进行加固，实施降水和防水措施，使开挖面具有一定的强度和稳定性，然后开舱对刀盘刀具进行检查和更换。对不加固地层进行常压开舱换刀，每次换刀显性成本低，但地面坍塌风险大，换刀时间不易控制; 对盾构前方土体加固后进行常压开舱换刀，换刀人员的安全有保障，换刀时间较短，地面坍塌的风险较小，但需要对换刀位置进行围蔽，给交通带来不便。
常压开舱换刀的优点: 可以提供较为宽敞和稳定的修复空间，便于换刀工作的顺利开展; 可以进行焊接和气割等工作，是最常用的彻底修复刀盘刀具的可靠方法。常压开舱换刀的缺点: 对于开挖面地层稳定性差或者地下水较丰富的地层，进行常压开舱换刀时，需要从地面进行地层加固，甚至开挖竖井，影响交通; 工期较长，投资较大。
2． 2 带压进舱换刀技术
对于气密性不良的地层，需对刀盘前方开挖面进行土体改良加固处理。在保证刀盘前方及周围地层满足气密性要求的条件下，利用盾构上配有的空气压缩机，通过供气系统将高压气输送到开挖面，并逐步置换密闭舱内的渣土或泥浆，以气压代替土压或泥水压力。根据对开挖面中心水土压力的计算，通过气体压力调节系统设定气体压力来稳定开挖面。开挖面保压成功后，通过控制闸门来实现人员进舱，并在设定气体压力状态下进行检查、更换刀具及排除工作面异物等工作。
带压进舱换刀优点: 洞内加固，不占用地面，对周围环境影响小; 加固效果好，地面不变形; 加固费用相对经济; 可频繁实施换刀。缺点: 在高压环境下进行气割和焊接等作业相当困难，难以对刀盘刀具磨损部位进行彻底修复; 带压进舱作业工艺复杂，高压力对人员安全有一定的影响; 带压进舱换刀的主要风险是开挖面及上部土体失稳造成塌方或地下水涌出，对进舱人员安全造成威胁; 进舱人员在加压和减压过程中可能造成人体伤害事故。
根据目前国内外有关压缩空气作业规范，如英国1996 年卫生部制定的《压缩空气工作规范》、我国2014 年颁布的CJJ 217—2014《盾构法开仓及气压作业技术规范》［10］等，带压进舱作业一般不能超过0． 36MPa，对于超过0． 36 MPa 的高压空气作业，目前国内外没有相应的标准; 我国的GB /T 12521—2008《空气潜水减压技术要求》［11］只适用于潜水深度在60 m 以内的空气潜水。在高压下，作业人员呼吸的压缩空气中的氮气易溶于人体组织从而引起“氮麻醉”，对作业人员造成伤害; 同时，工作压力越高，作业人员在高压环境下持续工作的时间将会越短，而对应的减压时间将会大幅增加，造成带压进舱作业的功效降低。因此，目前国内带压进舱换刀的压力一般控制在0． 3 MPa 以内，若高于0． 3 MPa，则需要专业人员运用饱和气体带压进舱技术更换刀具。
带压进舱换刀需要配合高性能泥浆来稳定开挖面。随着高性能泥浆在盾构工程中的成功应用，可以利用膨润土泥浆( 或高分子聚合物泥浆) 在隧道开挖面形成良好的泥膜( 具有密封隧道开挖面、降低透气性的作用) ，以平衡密闭舱内压力并保持开挖面的稳定。目前国内在压缩空气条件下通过利用高质量泥膜来维护掌子面稳定继而进行带压进舱换刀的技术已经成熟［12］。
2． 3 饱和气体带压进舱换刀技术
饱和潜水是一种适用于高水压条件下开展长时间作业的潜水方式。作为一种可使潜水员直接暴露于高压环境下开展水下作业的潜水方式，饱和潜水已广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探和海洋科学考察等军事和民用领域。基于饱和潜水的工作原理，为了扩大带压进舱作业的适应范围，国外盾构制造商联合承包商与潜水公司开展潜水与压缩空气作业的相关研究，提出了饱和气体带压进舱作业工法［13］。
饱和气体带压进舱换刀技术是饱和潜水和带压进舱换刀相结合的结果，其作业原理同饱和潜水基本相同，仅仅是工作环境和所处介质不同。饱和潜水作业的工作环境为海( 湖) 底，介质为海( 湖) 水; 而饱和气体带压进舱作业所处环境为刀盘密闭舱。为了避免高压情况下呼吸普通空气引起的“氮麻醉”现象，一般将普通空气换成惰性气体( 如氦气) 与氧气按照比例混合的气体。目前，采用饱和气体潜水工作的方法可以连续工作几天甚至几个星期，工作效率大幅提高，扩展了带压进舱换刀技术在地下工程领域的应用范围。南京纬三路过江隧道在修建时开展了0． 65 MPa 压力下的饱和气体带压进舱换刀作业［14］。
2． 4 减压限排换刀技术
由于带压进舱换刀技术具有一定的操作难度，特别是随着压力的增加，其难度极剧增加，进舱人员( 非专业人员) 的工作时间大大降低。如在0． 2 MPa 压力以内，进舱人员的工作时间可以达到3 h 左右; 在0． 2 ～ 0． 25 MPa 压力下，进舱人员的工作时间在2 h 以内; 而当压力超过0． 35 MPa 时，进舱人员的工作时间不能超过30 min。
减压限排换刀技术是指在掘进工作面不能自稳且地下水较为丰富的地段，通过对地层渗流场的分析，采取建立泥膜或超前注浆的措施以减小地层渗透系数，达到降低平衡压力、保持隧道开挖面稳定且控制工作面渗流量的目标，从而提供低压进舱的条件。通过降低进舱作业压力，既可以保证安全作业，又可以大大提高带压进舱的工作效率。
减压限排换刀常采用的措施有: 通过对渗流场的分析，确定允许的渗流量，以确保排水能力能够满足要求; 通过建立泥膜或采取超前注浆措施，确保渗流量可控; 通过建立一定的平衡压力，分析工作面的平衡性，以确定降压幅度; 在密闭舱内建立可靠的排水措施，在排水的情况下确保舱内气压的稳定。减压限排换刀技术在广深港狮子洋海底隧道的修建中得到了应用［15］。
3 厦门轨道交通2 号线跨海段滚刀磨损预测
3． 1 岩样磨蚀性实验
为了预测厦门轨道交通2 号线跨海段的滚刀磨损，通过钻孔取芯获取了不同分化程度的花岗岩、石英砂岩、安山岩、凝灰熔岩以及泥质砂岩的现场岩样。通过岩石矿物成分衍射实验获取各类岩石的矿物成分构成，并通过文献［16］的方法计算得到了岩石的等效石英含量; 通过MTS 实验机岩石单轴压缩实验获取岩石的单轴抗压强度; 通过岩石磨损性伺服仪获取岩石的磨蚀性指标CAI 值。岩石磨蚀性实验结果如表1 所示。
通过岩石磨蚀性指标CAI 值可初步判断厦门轨道交通2 号线跨海段各类岩石对滚刀的磨损程度，另外从实验结果可以看出岩石的磨蚀性与等效石英含量和抗压强度的乘积具有一定的正相关性。
表1 岩石磨蚀性实验结果
3． 2 滚刀磨损的理论模型预测
厦门轨道交通2 号线跨海段拟采用泥水平衡盾构施工，开挖直径7． 05 m，刀盘上布置17 in 双刃滚刀4把， 18 in 单刃滚刀39 把，共计47 个刀刃。18 in 刀圈允许的最大磨损量为30 mm，但一般超过25 mm 即需要进行更换。根据文献［17］建立的理论预测模型对不同安装位置滚刀的磨损速率与换刀距离进行预测，得出不同岩性条件下滚刀的磨损速率和换刀距离如图3 所示。
从理论预测结果可以看出: 对于磨蚀性相对较高的中风化花岗岩、中风化石英砂岩、中风化泥质砂岩以及中风化安山岩，边滚刀的不换刀掘进距离在100 m左右，正滚刀的不换刀距离掘进在200 m 左右。因此建议: 1) 从进入地震反射较硬岩面线到盾构出洞约440 m 的全断面硬岩段，每掘进100 m 更换边滚刀一次，每掘进200 m 更换全盘滚刀一次; 2) 从入海到进入地震反射较硬岩面线之前，盾构穿越的地层主要为全风化或碎裂状强风化的泥质砂岩和变质砂岩，建议每掘进200 ～ 250 m 更换边滚刀一次，每掘进400 ～500 m 更换全盘滚刀一次。
图3 基于理论预测模型的滚刀磨损预测
3． 3 滚刀磨损的实验模型预测
根据现场统计，直径18 in 刃宽3 /4 in 的滚刀刀圈的最大磨损质量为7． 0 kg，参考滚刀质量损失率与CAI 的关系［4］，根据滚刀的磨蚀性实验分析得出
λ = 0． 75CAI。
式中λ 表示滚刀每破岩1 m3 所消耗的滚刀质量。
随着盘形滚刀安装半径的增大，滚刀的磨损速率加快。根据已有地铁盾构刀具消耗的统计结果［17］，边滚刀累计磨损量往往有正滚刀平均累计磨损量的2 倍之多，因此边滚刀的换刀距离通常为正滚刀平均换刀距离的1 /2。
根据各类岩石的磨蚀性指标CAI 预测整个刀盘滚刀的换刀掘进距离，将表1 中各类岩石的CAI 值带入公式求得滚刀的质量损失率; 刀圈允许的最大磨损质量除以滚刀的质量损失率，计算得出单把滚刀的最大破岩量; 所有滚刀的最大破岩量之和除以隧道断面面积，得到滚刀的平均换刀距离，结果如表2 所示。
从实验预测结果来看，除凝灰熔岩外，其他岩石平均换刀距离为200 ～ 300 m，边滚刀换刀距离为100 ～150 m。由此得出以下建议: 1) 从进入地震反射较硬岩面线到盾构出洞约440 m 的全断面硬岩段，每掘进100 m 更换边滚刀一次，每掘进200 m 更换全盘滚刀一次; 2) 从入海到进入地震反射较硬岩面线之前，盾构穿越的地层主要为全风化或碎裂状强风化的泥质砂岩和变质砂岩，建议每掘进200 ～ 250 m 更换边滚刀一次，每掘进400 ～ 500 m 更换全盘滚刀一次。
表2 基于实验预测模型的滚刀换刀距离
4 厦门轨道交通2 号线跨海段滚刀更换的位置与工法建议
根据理论和实验2 个方面的刀具磨损初步预测结果，将跨海段( 约2 500 m 掘进距离) 划分为4 个区段进行研究。
4． 1 淤泥掘进段
盾构从海沧大道侧始发，至1#联络通道入海之前，该掘进段长约350 m，盾构主要在淤泥中掘进，地层对刀具的磨蚀性低，不换刀掘进距离可达500 m 以上。
该掘进段刀具配置建议采用全盘软土刀具。由于滚刀在淤泥地层中掘进时往往达不到滚刀的启动扭矩且易结泥饼，导致滚刀偏磨，因此不宜采用盘形滚刀。该掘进段主要为陆地段，掘进结束后在1# 联络通道附近可对地层进行加固，换刀方式建议采用常压开舱换刀，将全盘软土刀具更换成全盘滚刀，为进入全风化或碎裂状强风化段并开始全面入海做好准备。
4． 2 全强风化低压段
从1#联络通道全面入海到大兔屿进入主航道海域之前，该掘进段长约860 m，地层主要以全强风化花岗岩、变质砂岩和泥质砂岩为主，岩石风化程度高。根据理论与实验预测结果，该掘进段建议每掘进200 ～ 250 m 更换边滚刀一次，每掘进400 ～500 m 更换全盘滚刀一次。
该掘进段需换刀4 次，其中第3 次在大兔屿1# 中间风井处更换。由于大兔屿1# 中间风井采用矿山法施工，可以提前进行地层处理，故可采用常压开舱换刀; 其余3 次均在海底换刀，但由于埋深和水深均浅，进舱压力小于0． 3 MPa，属于低压区，换刀工法可采用带压进舱换刀。在4 次换刀中，第1 次和第3 次更换边滚刀，第2 次和第4 次更换全盘滚刀。
4． 3 全强风化高压段
从大兔屿进入主航道海域到进入地震反射较硬岩面线之前，该掘进段长约870 m，地层主要以全强风化花岗岩、变质砂岩和泥质砂岩为主，岩石风化程度高。根据理论与实验预测结果，该掘进段建议每掘进200 ～250 m 更换边滚刀一次，每掘进400 ～ 500 m 更换全盘滚刀一次，需换刀4 次。
该掘进段刀具配置建议采用全盘滚刀。由于主航道下方的水压普遍大于0． 3 MPa，最大为0． 55 MPa，因此普通的带压进舱换刀已无法满足工程需要，需采用饱和气体带压进舱换刀技术。该掘进段顶部地层主要为淤泥和泥质砂岩，具有很好的气密性; 开挖面则需制备优质泥膜来确保换刀空间的密闭性。该区段换刀压力均大于0． 3 MPa，普通作业人员已无法完成，需联系专业潜水公司采用饱和气体带压进舱技术换刀。
4． 4 中微风化硬岩段
进入地震反射较硬岩面线到盾构出洞为全断面硬岩段，该掘进段长约440 m，地层主要以中微风化变质石英砂岩为主，对刀具消耗严重。根据理论与实验预测结果，该掘进段建议每掘进100 ～ 150 m 更换边滚刀一次，每掘进200 ～250 m 更换全盘滚刀一次，需换刀3 次。
该掘进段刀具配置建议采用全盘滚刀。由于海底地层稳定性好、透水性中等，同时考虑作业效率，建议采用减压限排换刀方式。
5 结论与讨论
通过对厦门轨道交通2 号线跨海段现场岩样开展磨蚀性实验和换刀工法适应性的分析，得到以下结论。
1) 基于理论预测模型和实验预测模型对跨海段岩石地层刀具磨损进行预测，建议中微风化地层每掘进100 ～150 m 更换边滚刀一次，每掘进200 ～ 300 m 更换全盘滚刀一次; 全强风化地层每掘进200 ～ 250 m 更换边滚刀一次，每掘进400 ～500 m 更换全盘滚刀一次。
2) 掘进距离为350 m 的淤泥掘进段建议采用全盘软土刀; 掘进距离为860 m 的全强风化低压段建议采用全盘滚刀，换刀4 次，换刀工法以带压进舱换刀为主; 掘进距离为870 m 的全强风化高压段建议采用全盘滚刀，换刀4 次，换刀工法以饱和气体带压进舱换刀为主; 掘进距离为440 m 的中微风化硬岩段建议采用全盘滚刀，换刀3 次，换刀工法以减压限排换刀为主。
盾构在地质条件复杂的地层中掘进，滚刀不仅会发生正常磨损，也会发生异常磨损。异常磨损的发生往往存在偶然性，无法进行有效预测，一旦滚刀发生异常磨损，跨海隧道盾构施工将面临严重的风险。对于本文预测结果的准确性，需进一步对该工程跟进研究，通过了解施工现场刀具的更换情况，对预测方法进行验证与修正。
摘自：隧道建设