大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)刀盤選型及適應(yīng)性評價

江 華，江玉生，張晉勛，楊志勇

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北京城建集團有限責(zé)任公司 博士后工作站，北京 100085）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和城市化進程的不斷加快，盾構(gòu)工法以安全、高效、機械性能高、對周圍環(huán)境及地層擾動小等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸取代明挖、淺埋暗挖等工法，成為城市地下隧道修建的首選工法。但盾構(gòu)要充分發(fā)揮其最佳設(shè)計性能，盾構(gòu)選型至關(guān)重要，盾構(gòu)選型不僅僅與盾構(gòu)施工成本、盾構(gòu)掘進進度有關(guān)，嚴(yán)重時還能影響整個工程的成敗。刀盤位于土艙的前部，直接與開挖土體接觸，一方面具有切削和排出渣土的功能，另外刀盤本身還具有支護掌子面的功能。因此，刀盤選型是盾構(gòu)選型的關(guān)鍵，而刀盤的結(jié)構(gòu)型式是盾構(gòu)選型時需要確定的主要指標(biāo)，是影響掘進性能的決定性因素。目前國內(nèi)外常用的盾構(gòu)刀盤型式主要有輻條式和面板式兩種，在各種土層中采用哪種型式刀盤更合理一直是盾構(gòu)對地層適應(yīng)性研究的重要內(nèi)容［1－3］。

目前，尚沒有定量地計算分析刀盤結(jié)構(gòu)型式對地層適應(yīng)性的文獻，大多數(shù)研究主要基于模型試驗，并取得了一系列的研究成果。如徐前衛(wèi)等［4－5］以北京地區(qū)砂土地層為研究對象，通過盾構(gòu)掘進模型試驗得出刀盤開口率是盾構(gòu)掘進性能的重要影響因素，應(yīng)根據(jù)地層對其進行專項設(shè)計。胡國良等［6］研究了盾構(gòu)掘進參數(shù)與地層的相互關(guān)系，分析了刀盤開口率與刀盤扭矩的相互影響規(guī)律。王洪新等［7－11］開展了盾構(gòu)模型試驗，研究了刀盤開口率對盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、出土量的影響。宋克志等［12］研究了刀盤結(jié)構(gòu)型式及工程適應(yīng)性特征，重點對輻條式和面板式刀盤進行了對比研究。

然而，盾構(gòu)是一種機械化、專業(yè)化程度較高的隧道開挖設(shè)備，由于室內(nèi)模型試驗容易受到模型尺寸、設(shè)備相似度、開挖材料及測量精度等因素的限制，模型隧道開挖試驗很難得到預(yù)期的試驗結(jié)果。因此，開展盾構(gòu)現(xiàn)場掘進試驗，是得到精度的盾構(gòu) 地層適應(yīng)性特征的最好辦法。

以北京地鐵九號線大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)工程為背景，基于北京地鐵建設(shè)安全技術(shù)管理體系，選取2個地層條件類似的標(biāo)段開展盾構(gòu)現(xiàn)場掘進試驗對比研究，通過研究輻條式和面板式兩種常用刀盤在大粒徑卵礫石地層中的適應(yīng)性特征，總結(jié)出大粒徑卵礫石地層適應(yīng)性更好的刀盤結(jié)構(gòu)型式，為將來類似工程刀盤的設(shè)計、選型提供參考。

1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)場開挖試驗

1.1 盾構(gòu)試驗條件

1）地鐵九號線02標(biāo)“科—南”區(qū)間

北京地鐵九號線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間隧道左線長為746 m，采用海瑞克S488的土壓平衡盾構(gòu)進行現(xiàn)場試驗，開挖直徑6.26 m，采用面板式刀盤，開口率約為42%。盾構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層，屬于大粒徑卵礫石地層，大粒徑卵礫石含量高，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%，其中漂石最大粒徑380 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。地層中無地下水。

2）地鐵九號線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間

北京地鐵九號線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間隧道左線長度1 030 m，采用石川島的土壓平衡盾構(gòu)進行現(xiàn)場試驗，開挖直徑6.26 m，刀盤為輻條式結(jié)構(gòu)，開口率約為60%，盾構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層，大粒徑卵礫石的含量與02標(biāo)基本相同，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%；地層中揭露漂石最大粒徑400 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。

1.2 試驗過程分析

為盡量真實的反映盾構(gòu)設(shè)備與地層的適應(yīng)性特征，現(xiàn)場盾構(gòu)掘進試驗參數(shù)的選取盡量貼近實際工程施工控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場試驗主要分兩個階段：第1階段，北京地鐵九號線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間現(xiàn)場試驗；第2階段，北京地鐵九號線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間掘進試驗。具體試驗安排如下所示：

1）第1階段試驗總歷時105 d，2010年1月17日試驗盾構(gòu)始發(fā)，2010年5月1日試驗盾構(gòu)到達，平均掘進速度每天5.9環(huán)，最大掘進速度每天14環(huán)。

2）第2階段試驗總歷時121 d，2011年2月21日盾構(gòu)始發(fā)，2011年6月20日試驗盾構(gòu)到達，平均掘進速度每天7.0環(huán)，最大掘進速度每天31環(huán)。

1.3 試驗數(shù)據(jù)的采集與分析

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)設(shè)定、控制以“北京地鐵建設(shè)安全風(fēng)險技術(shù)管理體系”為準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)采集利用“盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)采集和分析過程如下：

1）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過預(yù)先布設(shè)的光纖將地下隧道盾構(gòu)工控機上自動采集的數(shù)據(jù)傳輸至地面電腦；

2）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過Internet數(shù)據(jù)實時的從現(xiàn)場地面電腦傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器（設(shè)置在北京地鐵公司）；

3）利用“盾構(gòu)施工實時信息管理系統(tǒng)”訪問服務(wù)器，對盾構(gòu)施工參數(shù)進行分析和處理。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2 盾構(gòu)掘進效能對比研究

面板式刀盤開口率較小，大多小于45%，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進時，由于刀盤開口率的限制，不僅刀盤前方的大粒徑卵礫石很難快速進入土艙，并順暢的通過螺旋輸送機排出；而且，滯留在刀盤前方和土艙內(nèi)的大粒徑卵礫石會和刀盤、刀具及攪拌裝置發(fā)生2次或多次摩擦，大大增加盾構(gòu)掘進負(fù)荷的同時，顯著降低了盾構(gòu)掘進開挖效率。現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進效率比面板式盾構(gòu)約高3倍，輻條式土壓平衡盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層中掘進的適應(yīng)性比面板式盾構(gòu)更好，對盾構(gòu)隧道開挖工期的控制更有把握。具體數(shù)據(jù)為：北京地鐵九號線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間盾構(gòu)平均速度約為23 mm／min，平均貫入度約22 mm／rpm，整個推進過程中時有推進速度和貫入度為零的情況發(fā)生，如圖2所示；“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)平均速度67 mm／min，平均貫入度75 mm／rpm，如圖3所示。

圖2 北京地鐵九號線02標(biāo)“科—南”區(qū)間推進速度及貫入度歷時曲線

圖3 北京地鐵九號線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間推進速度及貫入度歷時曲線

3 盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)控制及地層適應(yīng)性對比研究

3.1 上土壓力控制及地層適應(yīng)性對比研究

上土壓力是指土艙頂部壓力傳感器記錄的土壓力值，由于上土壓力對開挖面穩(wěn)定性和地表變形最為敏感，因此常被用于研究。

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：采用面板式刀盤時，盾構(gòu)上土壓力控制值偏小、波動范圍大，易出現(xiàn)地表沉降超限和地面塌方等事故；相反，采用輻條式刀盤時，盾構(gòu)上土壓力控制的更為穩(wěn)定，更有利于開挖面穩(wěn)定及地表沉降控制。如圖4所示，41環(huán)盾構(gòu)平均控制值約為0.3 bar，且約有一半的時間上土壓力小于0.3 bar；如圖5所示，上土壓力平均控制值為0.53 bar，且大多數(shù)時間在0.45～0.60 bar范圍內(nèi)變化，對地表沉降控制非常有利。

圖4 北京地鐵九號線02標(biāo)“科—南”區(qū)間上土壓力歷時規(guī)律及分布特征

圖5 北京地鐵九號線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間上土壓力歷時規(guī)律及分布特征

3.2 盾構(gòu)總推力控制及地層適應(yīng)性對比研究

如圖6、7所示，盾構(gòu)正常推進過程中，采用面板式刀盤時，盾構(gòu)總推力較小，約為8 000～12 000 k N；采用輻條式刀盤時，盾構(gòu)總推力較大，約為19 000～24 000 k N?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明：輻條式刀盤開口率約比面板式高30%，但盾構(gòu)總推力卻高了約50%。由于除了地層條件，盾構(gòu)總推力還受推進速度和貫入度的影響，因此，為了消除掘進速度和貫入度對盾構(gòu)總推力的影響，將盾構(gòu)總推力進行歸一化處理，得到地層識別參數(shù)場切深指數(shù)FPI（FPI＝盾構(gòu)總推力／貫入度），用以評價盾構(gòu)設(shè)備的地層適應(yīng)性。如圖10所示，面板式刀盤的場切深指數(shù)FPI約為輻條式刀盤的2倍，結(jié)果表明：在相同密實度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤單位貫入度需比輻條式刀盤需消耗約2倍的盾構(gòu)總推力，即輻條式刀盤比面板式刀盤開挖效率更高，更適用于大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)施工。

圖6 北京地鐵九號線02標(biāo)“科—南”區(qū)間盾構(gòu)總推力歷時規(guī)律及分布特征

圖7 北京地鐵九號線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)總推力歷時規(guī)律及分布特征

3.3 刀盤扭矩控制及地層適應(yīng)性對比研究

刀盤扭矩是表征土壓平衡盾構(gòu)掘進效能的一個綜合性指標(biāo)，刀盤扭矩控制的合理與否，對大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)適應(yīng)性至關(guān)重要。上述現(xiàn)場掘進試驗表明：不管采用輻條式刀盤還是面板式刀盤，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進時設(shè)備總體符荷偏大，掘進效能較低，如圖8和圖9所示。進一步分析可知，采用面板式刀盤時，刀盤扭矩波動范圍較大，為1 135～5 200 k N·m；想反，輻條式刀盤的扭矩控制更為合理，浮動范圍小，約為4 200～4 800 k N·m，如圖9所示。

圖8 北京地鐵九號線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間刀盤扭矩歷時規(guī)律及分布特征

圖9 北京地鐵九號線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間刀盤扭矩歷時規(guī)律及分布特征

類似于盾構(gòu)總推力的分析方法，采用歸一化參數(shù)扭矩切深指數(shù)TPI（TPI＝刀盤扭矩／貫入度）表征盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性特征。如圖10所示，面板式刀盤扭矩切深指數(shù)TPI約為輻條式刀盤的3倍，結(jié)果表明：在相同密實度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤單位貫入度需比輻條式刀盤消耗約為3倍的扭矩。這一結(jié)論進一步驗證了雖然輻條式刀盤總扭矩要高于面板式，但產(chǎn)生了更高的推進速度和貫入度，在大粒徑卵礫石地層輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進效能和地層適應(yīng)比面板式盾構(gòu)更好。

圖10 北京地鐵兩個區(qū)間FPI和TPI的歷時特征

4 刀具磨損情況對比研究

北京地鐵九號線卵礫石地層卵石含量高、粒徑大、屬于強磨蝕性地層，控制刀具磨損和提高合理的換刀距離對盾構(gòu)施工至關(guān)重要。現(xiàn)場掘進試驗表明，刀盤結(jié)構(gòu)型式對刀具磨損影響較大，其中面板式刀盤開口率較小，盾構(gòu)掘進過程中，大粒徑卵礫石很難快速進入土艙，卵礫石與刀具易發(fā)生2次或多次磨損，大大降低了刀具的正常使用壽命；采用面板式刀盤的“科—南”區(qū)間換刀距離較短，約為240 m；相反，輻條式刀盤由于開口率足夠大，大粒徑卵礫石一經(jīng)開挖就能快速進入土艙，因此盾構(gòu)掘進過程中刀具磨損相對較小，采用輻條式刀盤的“豐東—豐北”區(qū)間平均換刀距離約為400 m；結(jié)果表明：在大粒徑卵礫石地層，相比面板式刀盤，輻條式刀盤對刀具磨損的保護和控制更為有利，減少了盾構(gòu)換刀次數(shù)，提高了盾構(gòu)掘進效率，降低了盾構(gòu)施工成本。

5 結(jié) 論

以北京地鐵九號線02標(biāo)“科—南”區(qū)間和03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，進行現(xiàn)場掘進試驗，對大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)掘進效能、關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性及刀具磨損情況進行了對比研究，得出了如下結(jié)論：

1）從盾構(gòu)掘進效能對比結(jié)果可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤地層適應(yīng)性更好，對盾構(gòu)隧道開挖工期的控制更有把握。

2）從盾構(gòu)上土壓力的控制情況對比可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤更有利于開挖面的穩(wěn)定和地表沉降的控制。

3）從盾構(gòu)掘進關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性對比結(jié)果可知：相同地層條件下，貫入度相同的條件下，采用面板式刀盤比采用輻條式刀盤消耗更大的推力和刀盤扭矩。進一步表明大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤掘進效率更高，與地層適應(yīng)性更好。

4）大粒徑卵礫石地層輻條式刀盤可以比面板式刀盤取得更高的開挖效率，但盾構(gòu)施工中提高推進速度的同時應(yīng)關(guān)注土壓力變化，不宜過度強度提高盾構(gòu)推進速度，建議將盾構(gòu)推進速度控制在20～60 mm／min。

5）大粒徑卵礫石地層，開口率更大的輻條式刀盤刀具的磨損比開口率相對較小的面板式刀盤小，采用輻條式刀盤可以有效提高刀具的換刀距離；建議適當(dāng)增大刀盤開口率至55%～65%。

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（編輯胡 玲）