富水卵漂石地層盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性改造技術(shù)研究

鄭龍威，劉文，楊志勇，徐波，王強

（1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）經(jīng)濟管理學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中交二航局成都城市建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610015）

0 引言

富水卵漂石地層由于其滲透系數(shù)大、土體強度高、地層松散等特性，采用盾構(gòu)法在此地層施工存在較大困難[1-2]。在富水卵漂石地層中采用土壓平衡盾構(gòu)施工時，渣土難以及時有效排出，刀盤刀具磨損加大，設(shè)備負荷大，施工成本高[3]；同時，地層松散，盾構(gòu)掘進過程中易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，易形成地層空洞，導(dǎo)致后期的地面塌陷[4-5]。對地鐵施工尤其是盾構(gòu)區(qū)間施工影響很大，很容易造成卡機[6]。

盾構(gòu)的選型能否適應(yīng)所掘進的地層是該盾構(gòu)隧道能否成功的重要因素[7]之一。地層條件不同，盾構(gòu)機的設(shè)計理念也應(yīng)該隨之而變，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)隧道所在地層特點進行盾構(gòu)機的選型和針對性的設(shè)計[8-9]。富水卵漂石地層在成都地區(qū)廣泛存在，前期的地鐵修建，已經(jīng)為成都地區(qū)地鐵施工積累了大量寶貴的經(jīng)驗[10]。目前，國內(nèi)對于無水砂卵石及富水砂卵石地層盾構(gòu)施工積累了一定的施工經(jīng)驗，而對于粒徑大的富水卵漂石地層的盾構(gòu)施工實踐經(jīng)驗較少，因此按照已有的施工經(jīng)驗無法全部解決盾構(gòu)在富水卵漂石地層面臨的許多問題和難題[11]。

本文通過盾構(gòu)設(shè)備的實際應(yīng)用情況、現(xiàn)場掘進的數(shù)據(jù)、資料，對富水卵漂石地層盾構(gòu)設(shè)備的地層適應(yīng)性、掘進效能、關(guān)鍵參數(shù)、刀具磨損展開對比研究，結(jié)合工程施工經(jīng)驗以及施工中的實際問題，針對該地層特點展開盾構(gòu)設(shè)備適應(yīng)性改造技術(shù)研究，以求實現(xiàn)卵漂石地層盾構(gòu)高效、安全施工。

1 工程概況

成都砂卵石地層主要含粉質(zhì)黏土、粉細砂、中砂和卵石土，地層密度差異性較大，卵石土級配、含量不均勻系數(shù)較大，局部夾透鏡狀砂層，自穩(wěn)能力、分選性均較差，且透水性高。此外，該地層75%為卵漂石，粒徑20～70 cm，單軸抗壓強度超過132 MPa；不僅具有與砂卵石地層相同的地質(zhì)特點，還因漂石的含量和粒徑很大，極易造成設(shè)備的磨損[12]，大粒徑卵漂石的剝落更易發(fā)生坍塌。針對富水卵漂石地層的特殊地質(zhì)條件，成都17號線TJ05A標鳳溫區(qū)間選擇大開口率輻條式刀盤配以帶式螺旋輸送機，設(shè)置45%刀盤開口率，1 100 mm螺旋機輸送粒徑。同時，針對大開口易造成的噴涌風(fēng)險，采用合適的渣土改良控制，增加渣土的阻水性，降低出渣噴涌風(fēng)險，明一區(qū)間采用面板式刀盤配以軸式螺旋機，設(shè)置36%刀盤開口率，610 mm螺旋機輸送粒徑。

2 大開口刀盤帶式螺旋機盾構(gòu)適應(yīng)性分析

成都地鐵17號線區(qū)間為砂卵石地層，50%～60%卵石含量，粒徑為6～10 cm，取明一區(qū)間右線、鳳溫區(qū)間左右線500環(huán)連續(xù)掘進數(shù)據(jù)進行對比分析。鳳溫區(qū)間地層主要為卵漂石地層，卵石粒徑6～18 cm約占75%，局部地段見漂石，一般長度約210～240 mm，最大約350 mm。為此，明一區(qū)間采用的成都地區(qū)常用的較小開口刀盤軸式螺旋機配置的盾構(gòu)機，鳳溫區(qū)間采用的為較大開口刀盤帶式螺旋機配置的盾構(gòu)機，以適應(yīng)各自地層，實現(xiàn)順暢掘進。針對2種不同配置盾構(gòu)機在不同地層下的使用效果比較見表1。

表1 功效參數(shù)對比表Table 1 Comparison of efficacy parameters

由表1可知，大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構(gòu)機平均日掘進7.2環(huán)，相比于小開口刀盤軸式螺旋機配置盾構(gòu)機平均日掘進5.6環(huán)，施工速度提高了28.6%，說明大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構(gòu)機實現(xiàn)了快速出渣、順暢掘進的效果；大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構(gòu)機掘進參數(shù)較小，掘進速度較快，刀具磨損速率較低，體現(xiàn)了大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構(gòu)機的優(yōu)勢。下面從掌子面穩(wěn)定性分析、掘進效率適應(yīng)性分析、設(shè)備參數(shù)適應(yīng)性分析3個方面具體對比分析大開口刀盤帶式螺旋機配置盾構(gòu)機的適應(yīng)性。

2.1 掌子面穩(wěn)定性分析

2.1.1 地表沉降監(jiān)測分析掌子面是盾構(gòu)機與土直接作用的接觸面，穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在地表沉降的變化上，通過對比地表沉降變化可以反映出盾構(gòu)掘進過程中掌子面的穩(wěn)定性。取鳳溫區(qū)間左線、右線、明一區(qū)間右線260 m范圍的掘進地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，見圖1。鳳溫區(qū)間左線平均沉降值為10.88 mm，右線平均沉降值為8.96 mm；明一區(qū)間右線平均沉降值為18.29 mm。大開口率刀盤的平均沉降值遠小于小開口率刀盤，說明大開口率刀盤更有利于控制掌子面的穩(wěn)定；通過相同大開口率的面板式刀盤和輻條式刀盤比較可知，輻條式刀盤對掌子面穩(wěn)定性控制略高于面板式刀盤。由地表沉降變化曲線圖可知，大開口率刀盤區(qū)間的沉降變化波動較小，基本穩(wěn)定在20 mm以內(nèi)，小開口率刀盤的沉降波動較大，沉降值的浮動值在0～50 mm范圍，即大開口率刀盤對于地表沉降的控制更有效。

圖1 地表沉降值曲線圖Fig.1 Surface subsidence value curve

2.1.2 上部土壓分析

圖2為上部土壓變化曲線，由圖2可知鳳溫區(qū)間左線平均上部土壓為108 kPa，波動范圍60～140 kPa，鳳溫區(qū)間右線平均上部土壓為113 kPa，波動范圍80～140 kPa，明一區(qū)間右線平均上部土壓為89 kPa，波動范圍60～120 kPa。通過數(shù)據(jù)對比可知，鳳溫區(qū)間右線上部土壓波動范圍更小，且平均壓力較大，說明大開口率輻條式面板在砂卵石地層掘進土壓控制更為穩(wěn)定，掌子面壓力平衡，且不易造成地面沉降。

圖2 上部土壓變化曲線圖Fig.2 Upper earth pressure curve

2.2 掘進效率分析

鳳溫區(qū)間左線平均掘進速度64 mm/min，鳳溫區(qū)間右線70 mm/min，明一區(qū)間55 mm/min，三者差異較小，鳳溫區(qū)間右線掘進速度相對穩(wěn)定，掘進速度略高于其他兩條線路，說明大開口率的輻條式面板在砂卵石地層中的適應(yīng)性更高。此外，明一區(qū)間右線有效掘進時間217 d，平均日尺進度5.60環(huán)/d；鳳溫區(qū)間左線有效掘進時間130 d，平均7.25環(huán)/d；鳳溫區(qū)間右線有效掘進時間131 d，平均7.20環(huán)/d。有效掘進時間內(nèi)，大開口率的刀盤掘進速度明顯高于小開口率的刀盤；相同開口率的刀盤比較，輻條式刀盤略優(yōu)于面板式刀盤。

2.3 設(shè)備參數(shù)適應(yīng)性分析

2.3.1 貫入度比較分析

影響盾構(gòu)掘進推力的因素不僅是地質(zhì)條件，還包括貫入度和掘進速度，故采用場切深指數(shù)[13]對推力進行“歸一化”處理。鳳溫區(qū)間左線平均貫入度為41 mm，右線平均貫入度為43 mm；明一區(qū)間右線平均貫入度為36 mm，根據(jù)貫入度曲線圖波動變化可知，鳳溫區(qū)間左右線的貫入度比明一區(qū)間右線波動幅度小，說明鳳溫區(qū)間左右線掘進過程刀盤破巖動作有效性高于明一區(qū)間右線，說明大開口率刀盤在砂卵石地層的適應(yīng)性更高。

2.3.2 刀盤扭矩比較分析

在富水砂卵石地層遇到刀盤扭矩過大，多數(shù)原因是土倉內(nèi)大粒徑卵石較多、土倉排土補償，因此在砂卵石地層要嚴格控制刀盤扭矩的合理參數(shù)。分別取3條線路500環(huán)數(shù)據(jù)進行比較，見圖3，3條線路的刀盤扭矩基本上處于8 500～18 000 kN·m范圍內(nèi)浮動，其中鳳溫區(qū)間左線平均扭矩為10 304 kN·m，鳳溫區(qū)間右線平均扭矩為10 288 kN·m，明一區(qū)間右線平均扭矩為12 672 kN·m，相對而言，鳳溫區(qū)間左右線的平均扭矩低于明一區(qū)間右線，說明大開口率的刀盤配置更有利于富水砂卵石地層的掘進，其適應(yīng)性更強。

圖3 刀盤扭矩變化曲線圖Fig.3 Variation curve of cutter head torque

通過比較，鳳溫區(qū)間左右線的單位貫入度轉(zhuǎn)數(shù)明顯低于明一區(qū)間右線，說明土倉渣土量相同時，同直徑的帶式螺旋輸送機比軸式螺旋輸送機排渣速度更快，其排渣效率高。

3 刀具磨損規(guī)律分析

3.1 實際滾刀磨損類型及分布

在鳳溫區(qū)間右線281環(huán)、明一區(qū)間左線158環(huán)位置，進行了開艙查換刀工作，統(tǒng)計滾刀磨損情況見表2。其中，10把中心滾刀中有6把發(fā)生偏磨，12把邊緣滾刀中有5把發(fā)生偏磨。整體趨勢為大開口率刀盤滾刀發(fā)生偏磨概率小于小開口率刀盤滾刀。

表2 兩區(qū)間滾刀磨損類型統(tǒng)計表Table 2 Statistics of wear types of hobs in two sections

據(jù)表2可知，滾刀磨損類型主要為尖磨、偏磨；偏磨滾刀分布在刀盤中心及邊緣。刀盤中心區(qū)域滾刀安裝線速度小，地層提供力矩小，致使?jié)L刀連續(xù)轉(zhuǎn)動，易堵塞、結(jié)餅，造成其發(fā)生偏磨。邊緣滾刀線速度大，安裝角度不垂直于開挖面，在與卵漂石劇烈作用后，導(dǎo)致刀軸變形、損壞，造成其發(fā)生偏磨。

3.2 滾刀磨耗系數(shù)

鳳溫區(qū)間右線281環(huán)及明一區(qū)間左線158環(huán)的刀盤累積旋轉(zhuǎn)數(shù)分別為10 718轉(zhuǎn)、11 963轉(zhuǎn)。根據(jù)公式（1）計算滾刀徑向磨耗量，得出滾刀磨耗系數(shù)，繪制出滾刀磨耗系數(shù)與位置關(guān)系，如圖4所示。

圖4 滾刀磨損系數(shù)與安裝位置關(guān)系Fig.4 Relationship between hob wear coefficient and installation position

式中：k為刀具磨耗系數(shù)，mm/km；δ為刀具磨耗量，mm；R為刀具安裝位置半徑，mm；Z為刀盤累積左旋轉(zhuǎn)數(shù)，r；Y為刀盤累積右旋轉(zhuǎn)數(shù)，r。

由圖4可知，區(qū)間滾刀磨耗系數(shù)與安裝位置呈“U”形分布，中心和邊緣滾刀磨耗系數(shù)大于正面滾刀，原因如下：

1）中心滾刀安裝半徑小，阻礙扭矩大于轉(zhuǎn)動扭矩，易產(chǎn)生滑動，即相同壓力下，滑動摩擦力大于滾動摩擦力，掘削相同軌跡長度下，磨耗量越大，磨耗系數(shù)越大。

2）正面滾刀安裝半徑增大，滾刀線速度增大，滾刀與漂石間作用力增大，磨粒磨損程度加劇，其磨耗系數(shù)減小。

3）邊緣滾刀安裝在刀盤正、側(cè)面圓弧段，且編號與開挖面夾角成反比，滾刀所受地層側(cè)向力大，刀刃一側(cè)所受摩擦力也越大，其磨耗系數(shù)也越大。

鳳溫區(qū)間為45%刀盤開口率，帶式螺旋輸送機；明一區(qū)間為36%刀盤開口率，軸式螺旋輸送機。刀盤開口率小，造成刀盤漂石堆積，產(chǎn)生持續(xù)性刀盤刀具磨耗；刀盤開口率增大，能使漂石快速入艙，有效減少刀盤、刀具持續(xù)磨耗，降低了磨耗系數(shù)，延長了刀具使用壽命。因此，兩區(qū)間滾刀磨耗系數(shù)差異的根本原因在于刀盤開口率的不同。

4 結(jié)語

本文根據(jù)富水卵漂石地層盾構(gòu)施工設(shè)備實際應(yīng)用情況、現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)和相關(guān)資料，對盾構(gòu)設(shè)備在富水卵漂石地層的盾構(gòu)掘進效能、地層適應(yīng)性、刀具磨損情況等進行了對比研究，得出以下結(jié)論：

1）在卵漂石地層施工中，大開口率的刀盤具有更高的適應(yīng)性。在超大粒徑、比重大、強度大的卵漂石地層，大開口率刀盤切削動作平穩(wěn)、扭矩變化波動小、整體掘進速度高；大開口率刀盤對上部土體的擾動更小，地面沉降控制更有效。

2）相對軸式螺旋輸送機的實際施工使用情況，帶式螺旋輸送機更有利于排出卵漂石地層的大粒徑渣土，且磨損程度更低。如選用軸式螺旋輸送機，可通過注入膨潤土和高分子聚合物，降低渣土對螺旋輸送機的磨損，減少螺旋輸送機的維修頻次。

3）通常邊緣位置的刀盤及刀具的磨損情況相對嚴重，刀具更換時需要對邊緣位置刀具的情況側(cè)重檢查；中心區(qū)域的刀具更易堵塞或結(jié)泥餅，可以利用刀盤的高壓噴水口沖洗以避免此類情況的發(fā)生。為避免掘進過程對刀盤造成過度磨損，刮刀的高度可以適當(dāng)提高以避免刀盤直接、大面積的與土體摩擦。