軟土地層矩形頂管機(jī)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

陳宏明

（重慶市鐵路（集團(tuán)）有限公司，重慶 410700）

20 世紀(jì)90 年代，國(guó)外開發(fā)應(yīng)用了矩形頂管隧道施工新技術(shù)，其工作原理是：通過(guò)矩形頂管機(jī)前部的開挖系統(tǒng)，將矩形開挖面土體切削下來(lái)，導(dǎo)入土倉(cāng)，通過(guò)排渣系統(tǒng)運(yùn)出隧道[1-3]。矩形頂管機(jī)需要預(yù)先設(shè)置工作井，設(shè)備下井后通過(guò)千斤頂推動(dòng)設(shè)備和管節(jié)前進(jìn)，將預(yù)制管節(jié)頂入土中，實(shí)現(xiàn)隧道開挖與鋪設(shè)成型。矩形頂管機(jī)開挖而成的矩形斷面相較圓形頂管機(jī)開挖的圓形斷面大大提高了空間利用率。在市政隧道工程如：綜合管廊、過(guò)街通道等的建設(shè)中，優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

目前國(guó)內(nèi)外矩形頂管機(jī)的應(yīng)用工程多使用于單一的軟土地層，究其原因，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題[4-8]：①在埋深較淺的城市交通過(guò)街隧道等工程中對(duì)地層穩(wěn)定性要求很高，這就要求刀盤掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)土體擾動(dòng)小，盡可能限制地表沉降；②在漂卵石類軟土地層掘進(jìn)，可能存在刀盤卡卵石現(xiàn)象，對(duì)刀盤及其驅(qū)動(dòng)造成沖擊損傷，刀盤掘進(jìn)過(guò)程由于卵石的積累聚集在開挖倉(cāng)底部，造成布置在底部的刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩大幅增加而跳停；③矩形斷面的圓形刀盤組合方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)全斷面開挖，如何實(shí)現(xiàn)矩形頂管機(jī)刀盤的開挖率和攪拌率最為充分，是其優(yōu)化目標(biāo)。而當(dāng)前工程實(shí)際應(yīng)用過(guò)程往往出現(xiàn)刀盤渣土改良不充分，渣土在土倉(cāng)內(nèi)出現(xiàn)“結(jié)餅”、“閉塞”等現(xiàn)象，增加刀盤載荷的同時(shí)也導(dǎo)致土倉(cāng)閉塞等排土系統(tǒng)故障問(wèn)題。

當(dāng)前，矩形頂管機(jī)刀盤的研究主要集中在刀盤的載荷計(jì)算和靜力學(xué)分析，如王旭東[9]等對(duì)已有矩形刀盤的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了對(duì)比，初步提出了矩形刀盤設(shè)計(jì)方案，并對(duì)刀盤載荷進(jìn)行了計(jì)算；劉嬌[10]對(duì)組合刀盤進(jìn)行了靜力學(xué)仿真分析、盲區(qū)處理等關(guān)鍵技術(shù)的研究。而針對(duì)矩形頂管機(jī)刀盤的地質(zhì)適應(yīng)性研究卻相對(duì)較少。本文依托深圳某地下通道工程，采用工程試驗(yàn)分析及數(shù)值模擬分析等方法，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行深入分析研究，以期對(duì)軟土地層矩形頂管刀盤的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 工程概況

深圳市雪崗科技城片區(qū)華為坂田基地與城市軌道交通10 號(hào)線華為站的連接通道而設(shè)計(jì)，頂管斷面為10.2m×6.6m，頂進(jìn)長(zhǎng)度429m。通道頂管上方分布的地下管線眾多，管線與頂管豎向凈距最小僅約0.7m，通道頂管工程穿越地質(zhì)主要為素填土，局部為礫質(zhì)粘性土。

2 軟土地層矩形開挖系統(tǒng)適應(yīng)性研究

2.1 單一軟土地層矩形頂管開挖形式分析

對(duì)于易造成地面下沉且埋深淺的單一軟土地層，偏心多軸與中心偏心軸組合式刀盤開挖形式顯然不適應(yīng)。平行中心軸式多刀盤組合開挖形式可分為同平面和前后刀盤布置形式，針對(duì)軟土地層，兩種刀盤開挖形式的適應(yīng)性能優(yōu)劣尚缺乏對(duì)比案例，本文將從經(jīng)濟(jì)效益與開挖面穩(wěn)定性兩方面對(duì)兩種開挖形式進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1.1 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析

同平面多刀盤開挖形式往往需要多種規(guī)格（多于2 種）刀盤組合布置，與之相應(yīng)配合的驅(qū)動(dòng)配置也不一，往往導(dǎo)致頂管機(jī)整機(jī)造價(jià)大幅上漲，也會(huì)增加驅(qū)動(dòng)模塊化工作的難度。前后刀盤布置開挖形式一般組合規(guī)格較少，在能保證較大開挖率（大于90%）的前提下，能實(shí)現(xiàn)多刀盤配置同一驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 掌子面穩(wěn)定性對(duì)比分析

為了開展兩種刀盤布置形式對(duì)掌子面穩(wěn)定性的對(duì)比分析，引入Horn 提出的三維楔形體計(jì)算模型[11]，假定開挖面為矩形的擋土墻，開挖面失穩(wěn)破壞模型由上部棱柱體與前方楔形體組成（圖1）。

圖1 楔形體破壞及其受力模型

掌子面前方楔形體受到的作用力由以下幾個(gè)組成。

1）隧道頂部豎向作用力PV=σVBL，其中，σV為隧道頂部土壓力；B為等效盾構(gòu)直徑，假定正方形與圓形面積相等，得到，D為等效圓形開挖面直徑；L楔形體頂部長(zhǎng)度。

2）掌子面所受水平支護(hù)作用力P。

4）楔形體在滑動(dòng)面上的摩擦阻力T及法向作用力N，，其中c為土體粘聚力。

5）滑動(dòng)塊側(cè)向滑動(dòng)面的摩擦阻力T′及法向作用力N′，，其中：K0為隧道土體的側(cè)壓力系數(shù)，K0=1-sinφ；σ′z為楔形體所受垂直應(yīng)力，σ′z=（2σv+Bφ)/3。

通過(guò)對(duì)楔形體的受力分析可確定最小支護(hù)壓力的大小。

由水平方向受力平衡可得

由豎直方向受力平衡可得

由式（1）、式（2）可求得掌子面支護(hù)力

當(dāng)隧道開挖支護(hù)壓力為矩形分布時(shí)，掌子面中心支護(hù)應(yīng)力為

可以看出，當(dāng)矩形斷面采用前后刀盤組合布置時(shí)，相鄰刀盤之間的開挖切削區(qū)域相互交叉，相對(duì)同平面刀盤布置，隧道開挖面等效直徑減小，開挖面支護(hù)力相對(duì)較大，掌子面穩(wěn)定性更好。因此，軟土地層通過(guò)多刀盤前后組合布置，對(duì)地層擾動(dòng)小，可降低地表沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 漂卵石類軟土地層矩形頂管開挖形式分析

在漂卵石類軟土地層中使用矩形頂管施工，采用平行中心軸式多刀盤組合開挖形式，刀盤結(jié)構(gòu)均采用常規(guī)輻條式，其優(yōu)化目標(biāo)為刀盤開挖率、攪拌率最為充分。針對(duì)本工程斷面，對(duì)刀盤組合布置進(jìn)行布置模擬，矩形斷面采用3 個(gè)大刀盤、3 個(gè)小刀盤前后布置，前刀盤背面至后刀盤輻條正面距離為160mm，其中切刀刀高為90mm，大小刀盤組合布置形式如圖2 所示。

圖2 刀盤組合布置形式

漂卵石類地層開挖時(shí)，由于有漂石的存在，掘進(jìn)過(guò)程可能存在卡刀盤的現(xiàn)象，對(duì)刀盤與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均存在一定沖擊，為此，考慮前后刀盤布置并建立沖擊破碎模型，如圖3 所示。

圖3 漂石沖擊作業(yè)下的單元體應(yīng)力狀態(tài)

以后置刀盤與漂石沖擊時(shí)的作用點(diǎn)為坐標(biāo)軸中心，以前置刀盤與漂石的作用點(diǎn)為目標(biāo)單元體，根據(jù)巖石沖擊破碎理論，對(duì)其進(jìn)行受力分析，得出所受應(yīng)力分別在其3 個(gè)方向的分量。

其中，μ為泊松比；R、z、r分別為圓柱坐標(biāo)，為刀盤所受沖擊載荷。

當(dāng)漂石所受載荷達(dá)到臨界載荷時(shí)，即σz＞σs（σs為漂石的抗壓強(qiáng)度極限），漂石被刀盤切削、擠壓破碎。當(dāng)σz=σs時(shí)，代入上式即可求出漂石整體破碎時(shí)的沖擊載荷。

將組合刀盤與漂石沖擊模型導(dǎo)入ABAQUS中，以上述臨界載荷作為邊界條件，并為沖擊模型添加材料屬性，刀盤體結(jié)構(gòu)均采用Q345C 材料，漂石與后置刀盤作用點(diǎn)添加70MPa 的沖擊載荷，對(duì)刀盤中心圓筒進(jìn)行對(duì)應(yīng)約束，對(duì)組合刀盤進(jìn)行有限元仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果，采用前后刀盤布置，在開挖過(guò)程與漂石發(fā)生沖擊時(shí)，刀盤最大應(yīng)力接近270MPa，超過(guò)刀盤的極限載荷。因此，前后刀盤組合開挖形式在漂卵石類軟土地層施工存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，此類地層施工建議采用沖擊較小的同平面組合刀盤布置開挖形式。

3 刀盤與掌子面及土倉(cāng)土體流固耦合分析

創(chuàng)建刀盤與掌子面及土倉(cāng)土體模型，通過(guò)流固耦合邊界條件將它們連接在一起。假設(shè)土倉(cāng)土體為高粘度流體，土倉(cāng)土體與刀盤接觸面無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，假設(shè)掌子面被刀盤切削下來(lái)的土體均勻通過(guò)刀盤開口流入土倉(cāng)，土體流入速度與刀盤推進(jìn)速度一致，螺旋輸送機(jī)控制流出速度。具體分析中輸入?yún)?shù)設(shè)置如下表1 所示。

表1 流固耦合分析輸入?yún)?shù)表

通過(guò)流固耦合數(shù)值分析，得出刀盤的分析結(jié)果，矩形刀盤整體切削掌子面土體時(shí)，整體結(jié)構(gòu)受力較為均勻，刀盤傳動(dòng)法蘭與主驅(qū)動(dòng)連接處，由于傳遞主軸推力與扭矩，局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大應(yīng)力值為210.6MPa，刀盤傳動(dòng)法蘭材料選用Q345C，屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力值[δs]≥263MPa，大于分析結(jié)果210.6MPa；最大變形量約為2.69mm，整體變形較小。因此刀盤整體強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1）針對(duì)單一軟土地層，從經(jīng)濟(jì)效益和掌子面穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行對(duì)比分析得出，采用前后刀盤布置更具適應(yīng)性。

2）針對(duì)漂卵石類軟土地層，采用同平面刀盤布置形式可避免卵石對(duì)刀盤的沖擊，同時(shí)很大程度上減少刀盤卡卵石的可能。

3）通過(guò)對(duì)矩形刀盤與土倉(cāng)土體進(jìn)行流固耦合分析，驗(yàn)證了矩形頂管刀盤結(jié)構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)性，為矩形頂管刀盤在軟土地層中的布置形式提供了設(shè)計(jì)參考。O