成都富水砂卵石地層盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張家年,胡玉娟

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

成都富水砂卵石地層盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張家年,胡玉娟

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

針對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工過程中刀盤刀具磨損嚴(yán)重、結(jié)泥餅和地表沉降大等問題，從盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具配置、耐磨保護(hù)及刀盤碴土改良等方面入手，對刀盤進(jìn)行了針對性地改良設(shè)計(jì)。改良后的盾構(gòu)刀盤不僅實(shí)現(xiàn)了長距離掘進(jìn)，而且也有效地控制了地表沉降，對類似地層盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

成都地鐵；富水砂卵石；土壓平衡盾構(gòu)；刀盤設(shè)計(jì)；碴土改良

0 引言

目前，盾構(gòu)法在應(yīng)用于城市地鐵隧道的修建中還存在一些問題，如在成都富水砂卵石地層盾構(gòu)法施工中，普遍面臨刀盤刀具磨損嚴(yán)重，換刀頻繁，刀盤結(jié)泥餅，地表沉降難以控制等問題。針對上述問題，施工單位和盾構(gòu)設(shè)備提供商均做了大量的研究和改進(jìn)。文獻(xiàn)[1]采用最新動態(tài)監(jiān)測裝置，對北京地鐵4號線4標(biāo)角門北路站—北京南站區(qū)間盾構(gòu)刀具進(jìn)行了磨損監(jiān)測，并對砂卵石地層刀具動態(tài)磨損情況進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[2]對富水砂卵石地層大直徑盾構(gòu)刀具的磨損與適應(yīng)性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[3] 對土壓平衡盾構(gòu)在成都砂卵石地層中應(yīng)用的幾個關(guān)鍵性問題進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]分別進(jìn)行了砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工泡沫技術(shù)和碴土改良技術(shù)的研究；文獻(xiàn)[6]對富水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)長距離快速施工技術(shù)進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[7]分析了砂卵石地層對盾構(gòu)施工造成的影響，并給出了解決措施；文獻(xiàn)[8]對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后、沉降防控措施進(jìn)行了探討；文獻(xiàn)[9]結(jié)合成都地鐵1號線2標(biāo)和地鐵2號線2標(biāo)的盾構(gòu)施工實(shí)踐，提出了砂卵石地層下盾構(gòu)如何降低超挖及如何解決超挖回填的問題；文獻(xiàn)[10]針對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工問題，對盾構(gòu)設(shè)備配置進(jìn)行了探討。

國內(nèi)大部分文獻(xiàn)均從施工措施或施工技術(shù)方面，對砂卵石地層盾構(gòu)施工進(jìn)行了總結(jié)和研究。但盾構(gòu)施工效果的保證除了采取合理的施工措施外，也離不開對設(shè)備本身的研發(fā)設(shè)計(jì)。雖然文獻(xiàn)[11]概述了國內(nèi)典型砂卵石地層盾構(gòu)的設(shè)計(jì)及配置，但針對盾構(gòu)關(guān)鍵系統(tǒng)——刀盤，主要敘述了刀盤刀具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對于其設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)原因并未進(jìn)行具體的分析論證。而本文主要針對成都富水砂卵石地層，分析了盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)面臨的難點(diǎn)，并對其進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，新設(shè)計(jì)制造的盾構(gòu)刀盤在成都3，4號線施工中取得了較好的應(yīng)用效果，對類似地層盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 成都地鐵工程概況

成都平原是發(fā)育在東北—西南向的向斜構(gòu)造基礎(chǔ)上，由發(fā)源于川西北高原的岷江、沱江及其支流等8個沖積扇重疊聯(lián)綴而成復(fù)合的沖積扇平原。地鐵隧道埋深在地下10～25 m，管片外徑為6 m，靜止水位線一般在地面下3～5 m。隧道穿越地層主要為砂卵石，局部為泥巖，卵礫石中間由中粗砂填充，標(biāo)貫值較高，為密實(shí)砂卵石，如圖1所示。其中卵石含量為50%～80%，卵石粒徑以20～200 mm為主，局部含有漂石。卵礫石硬，強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)150 MPa，最大可達(dá)180 MPa。同時(shí)水位線位于隧道頂板以上，卵礫石的透水系數(shù)為4.1×10-4m/s，故該隧道所在砂卵石地層含水豐富。

圖1 密實(shí)砂卵石

2 盾構(gòu)刀盤重難點(diǎn)分析

刀盤作為土壓平衡盾構(gòu)的開挖系統(tǒng)，起著隧道開挖、改良土倉碴土、保持掌子面穩(wěn)定等作用。針對成都富水砂卵石地層，盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)主要存在以下問題。

2.1 刀盤刀具磨損嚴(yán)重及換刀困難

根據(jù)地質(zhì)勘探可知，砂卵石中卵石含量高達(dá)50%～80%，卵石中間由中粗砂填充，卵石強(qiáng)度較高，難以破碎，常常會對刀盤刀具造成二次磨損，甚至多次磨損，且整個刀盤盤體及刀體本身直接與卵石接觸，卵石不僅會對刀具刃口造成磨損和較強(qiáng)的沖擊，還會對整個刀體和刀盤盤體造成磨損。同時(shí)因刀具磨損較快，常常需要進(jìn)倉更換刀具，由于砂卵石層細(xì)顆粒含量少，透氣性強(qiáng)，在需要帶壓進(jìn)艙換刀時(shí)很難保住氣壓，因此存在換刀困難的問題。

2.2 刀盤結(jié)泥餅問題

中粗砂和卵石流塑性較差，土壓平衡盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤進(jìn)碴通道特別是土倉中心容易產(chǎn)生泥餅，如圖2所示。刀盤產(chǎn)生泥餅后，土倉碴土流動性降低，該部位刀具切削效率下降，導(dǎo)致刀盤掘進(jìn)速度降低，扭矩增大，推力增大等問題,并加劇了刀盤刀具的磨損，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

圖2 刀盤中心產(chǎn)生的泥餅

2.3 掌子面水土壓力穩(wěn)定或地表沉降問題

在砂卵石地層條件下，有時(shí)會欠壓掘進(jìn)，此時(shí)可能會產(chǎn)生較大沉降；另外，由于刀盤掘進(jìn)擾動地層產(chǎn)生超挖，此時(shí)同步注漿尚不能補(bǔ)充，容易形成空洞。因此，即使當(dāng)時(shí)不會發(fā)生沉降，盾構(gòu)過后地面也可能會陸續(xù)發(fā)生沉降。地表塌陷如圖3所示。

圖3 地表塌陷

3 刀盤針對性設(shè)計(jì)

成都砂卵石地層具有卵石含量高、卵石粒徑20～200 mm，密實(shí)、卵石強(qiáng)度高，地層富水，開挖后自穩(wěn)性差等特點(diǎn)。由于刀具直接破碎卵石的難度大，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：刀具以剝落切削為主，以破碎為輔，剝落切削下的卵石排入土倉，通過土倉螺旋輸送機(jī)輸送至倉外。故需要刀具耐沖擊、切削磨損和二次磨損，刀盤開口應(yīng)有利于卵石排入土倉，刀盤防止結(jié)泥餅的能力要強(qiáng)。

3.1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，刀盤開口應(yīng)有利于卵石排入土倉，同時(shí)考慮刀具布置軌跡，富水砂卵石地層開挖后自穩(wěn)性較差，以及便于進(jìn)倉更換刀具等因素，刀盤開口率設(shè)計(jì)為36%，中心區(qū)域開口率為40%的四主梁加四副梁的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式(如圖4所示)。相比類似地層以往刀盤結(jié)構(gòu)(開口率為26%)，既增大了刀盤整體開口率，又充分增大了刀盤中心區(qū)域開口率。其次，開口在刀盤面板均勻分布，進(jìn)碴通道采用利于卵石順利進(jìn)入土倉的錐形設(shè)計(jì)，并且根據(jù)具體標(biāo)段卵石粒徑大小及漂石含量，通過開口處焊接限制格柵，使通過卵石粒徑與螺旋輸送機(jī)允許輸送尺寸相匹配。

對于砂卵地層，載荷頻繁交替作用于刀盤，刀盤結(jié)構(gòu)須有較高的強(qiáng)度和剛度，故設(shè)計(jì)時(shí)刀盤制作材質(zhì)選用Q345B鋼材，主梁及外圈梁厚度設(shè)計(jì)為120 mm，刀盤支撐扭腿與盤體采用嵌入式焊接的連接方式。通過建立三維模型進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，最大應(yīng)力為150 MPa，大部分應(yīng)力低于120 MPa，而Q345B鋼屈服強(qiáng)度為345 MPa，刀盤結(jié)構(gòu)具有較大的安全系數(shù)。

圖4 刀盤結(jié)構(gòu)

3.2 刀盤耐磨保護(hù)

盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)過程中，除刀具磨損消耗大外，刀盤結(jié)構(gòu)本身磨損也比較大，特別是刀盤外圈梁，且磨損之后洞內(nèi)難以修復(fù)。故設(shè)計(jì)時(shí)在刀盤外圈梁外表面貼焊耐磨性較強(qiáng)的合金保護(hù)塊，且保護(hù)塊厚度由以往的40 mm增加至60 mm，根據(jù)不同部位磨損速率，貼焊不同的耐磨保護(hù)，即刀盤外圈梁掘進(jìn)方向從前部至后部焊接3道相同寬度的耐磨保護(hù)(如圖5所示)。第1道為寬70 mm、厚60 mm的HARDOX500耐磨鋼板，中間間隔焊接8把長270 mm的保護(hù)刀；第2道與第1道完全相同；第3道為整圈寬70 mm、厚60 mm的合金耐磨塊，選用強(qiáng)韌性均較好的合金。

除刀盤外圈梁外，刀盤面板、刮刀刀座、滾刀刀箱均焊接有相應(yīng)的耐磨保護(hù)，如圖6所示。

圖5 刀盤外圈梁耐磨保護(hù)(單位：mm)

圖6 刀盤耐磨保護(hù)

3.3 刀具設(shè)計(jì)及安裝方式

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，砂卵石地層中，刀具以剝落切削為主，以破碎為輔，刀具的磨損形式以沖擊磨損、切削磨損和二次磨損為主，所以要求刀盤的刀具須耐沖擊、耐磨損和耐二次磨損。在已有工程案例中，配置以滾刀為主的刀盤和以撕裂刀為主的刀盤均采用過，配置滾刀時(shí)，滾刀以擾松開挖面的方式起作用，而不是滾壓破巖的方式。因此，滾刀的刃口要厚，刃口的數(shù)量要足夠多。由于滾刀刀圈用于磨損的金屬體積相比撕裂刀要大得多，因此在工程案例中刀盤配置滾刀的案例居多。

刀盤設(shè)計(jì)開挖直徑為6 280 mm，根據(jù)破巖機(jī)理和類似工程案例經(jīng)驗(yàn)，正滾刀間距取100 mm，中心滾刀間距取90 mm，滾刀采用17寸刀體、18寸刀圈，刃口寬度30 mm，刀高187.7 mm，并且采用最外軌跡布置2把單刃滾刀的方式。另外，與以往設(shè)計(jì)不同的是在刀盤周邊區(qū)域布置了23把焊接撕裂刀，刀高150 mm，比滾刀低，可以起到輔助切削、保護(hù)滾刀刀體等作用，從而延長了滾刀更換距離。同時(shí)在刀盤正面和邊緣布置了刮刀，刮刀寬250 mm，高130 mm，增強(qiáng)了刮刀的耐磨損和沖擊性；布置的250mm寬度刮刀，增大了刀盤正面相鄰刮刀的間距，有利于刀盤面板碴土的流動。每層刀具布置軌跡如圖7所示。

圖7 刀具布置軌跡圖(單位：mm)

刀盤在砂卵石中掘進(jìn)時(shí)，由于卵石強(qiáng)度高，對刀具沖擊較大，因此對刀具的固定安裝方式提出了更高的要求。如圖8所示,本設(shè)計(jì)單刃滾刀采用單楔形塊安裝方式，拆卸方便，中心雙聯(lián)滾刀采用適應(yīng)硬巖地層掘進(jìn)的安裝方式，增加了刮刀及邊緣區(qū)域弧形刮刀安裝螺栓的數(shù)量，且采用高強(qiáng)度螺栓。

圖8 刀具安裝方式

3.4 刀盤碴土改良

為防止刀盤在砂卵石掘進(jìn)過程中產(chǎn)生泥餅，刀盤在碴土改良方面也進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)。刀盤前面板均勻布置了6個單管單泵改良劑注入口，分別為4個泡沫和2個膨潤土注入口，泡沫口與膨潤土口可以相互切換。土倉內(nèi)即刀盤背部焊接有4根隨刀盤旋轉(zhuǎn)的主動攪拌棒，前盾隔板上焊接有2根靜止的被動攪拌棒，主動與被動攪拌棒間距150 mm，通過其相互配合，對土倉碴土進(jìn)行充分地機(jī)械攪拌，從而可改善碴土的流動性。

在實(shí)際施工過程中，刀盤背部土倉中心極易產(chǎn)生泥餅，產(chǎn)生泥餅后，刀盤中心區(qū)域進(jìn)碴口易被封堵，刀盤中心刀具容易被糊住?；诖耍环矫嫱羵}中心將中心隔板設(shè)計(jì)為靜止隔板，不隨刀盤旋轉(zhuǎn)，使刀盤與中心隔板為相對運(yùn)動形式；另一方面在靜止中心隔板上設(shè)計(jì)高壓水沖刷系統(tǒng)，即隔板上設(shè)計(jì)不同分布半徑的3路高壓水沖刷，2路備用沖刷口，同時(shí)隔板上焊接1根被動攪拌棒，攪拌棒上亦設(shè)計(jì)高壓水沖刷口。同時(shí)中心回轉(zhuǎn)接頭至刀盤盤體中間管路連接橋，對以往“U”型梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了創(chuàng)新優(yōu)化，設(shè)計(jì)為單臂梁結(jié)構(gòu)，增大了土倉中心空間，減小了管路連接橋上產(chǎn)生泥餅的概率。刀盤土倉改良對比示意圖如圖9所示。

圖9 刀盤土倉改良對比示意圖

4 應(yīng)用效果

通過對刀盤刀具進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)以及加工制造過程中的嚴(yán)格檢測，2012—2013年，新研制的φ6 280 mm土壓平衡盾構(gòu)相繼成功應(yīng)用于成都地鐵3，4號線，總數(shù)量為17臺，截至2014年7月，累計(jì)掘進(jìn)里程超過35 km，盾構(gòu)應(yīng)用效果得到了施工單位和業(yè)主的一致認(rèn)可。刀盤掘進(jìn)速度和土倉保壓能力較之前設(shè)備有明顯地提高，曾成功穿越多處危險(xiǎn)源，后期沉降控制良好；刀盤一次掘進(jìn)距離可達(dá)700～800 m，相比之前或其他設(shè)備單次掘進(jìn)距離(400～500 m)，使刀具更換距離延長了約300 m。圖10為刀盤貫通出洞照片，刀盤掘進(jìn)過程中未產(chǎn)生泥餅；圖11為刀盤掘進(jìn)速度曲線，基本保持在50～60 mm/min，平均一環(huán)(寬1.5 m)掘進(jìn)時(shí)間約為30 min，較好地保證了項(xiàng)目施工進(jìn)度。

圖10 刀盤貫通出洞照片

圖11 刀盤掘進(jìn)速度曲線圖

5 結(jié)論與體會

通過分析成都砂卵石地質(zhì)特點(diǎn)，對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，如刀具的分層布置、刀盤36%的開口率設(shè)計(jì)、合金耐磨保護(hù)、土倉中心高壓水沖刷系統(tǒng)防結(jié)泥餅設(shè)計(jì)等，在實(shí)際施工中得到了較好的檢驗(yàn)，表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用效果。

目前，國內(nèi)砂卵石地層主要以成都富水自穩(wěn)性差的砂卵石和北京無水自穩(wěn)性較好的砂卵石地層為代表，成都地鐵盾構(gòu)采用配置滾刀的復(fù)合式刀盤，而北京地鐵盾構(gòu)采用純輻條式刀盤，掘進(jìn)距離可至1 km不換刀。針對砂卵石地層刀具以剝落切削為主，在做好碴土改良的條件下，擾動剝落下來的碴土在大開口率的刀盤內(nèi)可以及時(shí)排除，從而可有效地減少其對刀盤刀具的磨損及沖擊。

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DesignandApplicationofCutterheadofShieldBoringinWater-richSandyGravelStratainChengdu

ZHANG Jianian,HU Yujuan

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China)

Problems,including serious cutterhead wearing,cutterhead clogging and ground surface settlement,occur during the EPB shield boring in water-rich sandy gravel strata in Chengdu.As a result,the design of the cutterhead is optimized in terms of cutterhead structure,cutter arrangement,anti-wearing protection and ground conditioning.The shield with the optimized cutterhead achieves long-distance boring and good ground surface settlement control effect.The paper can provide reference for the design of the cutterheads of shields boring in similar strata in the future.

Chengdu Metro; water-rich sandy gravel strata; EPB shield; cutterhead design; ground conditioning

2014-08-06;

2014-11-15

張家年(1987—)，男，江西贛州人，2010年畢業(yè)于鄭州大學(xué)，材料科學(xué)與工程類(金屬材料)專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.12.014

U 45

A

1672-741X(2014)12-1202-05