海陸交互相復(fù)雜地層盾構(gòu)機(jī)適用性研究

宋曉峰

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

海陸交互相地帶軟硬不均混合開挖地層，在開挖斷面范圍內(nèi)和開挖延伸方向上，存在全斷面軟土、上軟下硬（上硬下軟）、全斷面硬巖等復(fù)雜地質(zhì)斷面情況。整體上呈現(xiàn)上部淤泥層、殘積土層分布廣泛、自穩(wěn)性差，下部中、微風(fēng)化花崗巖硬度較高，或是軟土硬巖頻繁交替的地質(zhì)特征。對(duì)海陸交互相復(fù)雜地層中盾構(gòu)機(jī)的一系列適應(yīng)性進(jìn)行分析，解決盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性情況未知問題。

袁敏正等[1]強(qiáng)調(diào)了類似地層條件下的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)的重要意義。馬云新[2]指出在采用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道工程中，盾構(gòu)機(jī)對(duì)工程的適應(yīng)性是工程成敗的關(guān)鍵因素。許少輝、竺維彬等[3]總結(jié)了廣州地鐵在復(fù)合地層施工實(shí)踐中探索出的有關(guān)盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性的主要因素。朱述敏等[4]對(duì)刀盤開口率地質(zhì)適應(yīng)性、盾構(gòu)推力與刀盤扭矩計(jì)算、刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化與分析等技術(shù)展開研究。

以實(shí)際工程為依托，研究了海陸交互相復(fù)雜地層中盾構(gòu)機(jī)適用性特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜地層中盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性分析，保證施工順利進(jìn)行。

1 工程概況

（1）里程、線路長(zhǎng)度：區(qū)間起點(diǎn)里程為Y（Z）DK61+869.42，終點(diǎn)里程為Y（Z）DK067.029。右線長(zhǎng)1802.400 m，左線長(zhǎng)1792.954 m。

（2）線路坡度：本區(qū)間線路設(shè)1 處V 形坡，出塘坑站后以2‰、然后以5.767‰下坡，再以5‰上坡進(jìn)入大涌站線路，最大縱坡5.767‰。

（3）隧道參數(shù)：盾構(gòu)段隧道線路縱斷面主要受兩端車站埋深控制，隧道覆土厚度為（10.5～17.6）m。管片內(nèi)徑Ф5400 mm，管片外徑Ф6000 mm，最大開挖直徑為6250 mm。

2 海陸交互相復(fù)雜地層盾構(gòu)機(jī)適用性分析

2.1 盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)性參數(shù)計(jì)算

工程采用2 臺(tái)中國鐵建重工生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（編號(hào)ZD109/ZD064），盾構(gòu)外徑D 為6.280 m，刀盤裝備扭矩T 為（3715.097～5696.482）kN·m。而擬采用的盾構(gòu)標(biāo)稱扭矩為5787 kN·m，滿足施工要求。盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)推力為39 893 kN，大于計(jì)算出裝備推力29 929.279 kN。盾構(gòu)機(jī)的基本參數(shù)為刀盤直徑D0為6280 mm；盾體直徑為D1=6250 mm；管片長(zhǎng)度為B=1500 mm。盾構(gòu)的開挖面積、每環(huán)的開挖量、每環(huán)渣土運(yùn)輸量、出渣車的數(shù)量、設(shè)計(jì)最大掘進(jìn)速度及性能、螺旋輸送機(jī)、同步注漿能力等。

2.2 刀盤結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

2.2.1 模擬參數(shù)

該刀盤為整體式焊接結(jié)構(gòu)，滾刀開挖直徑為6280 mm，刀盤大圓環(huán)外徑為6150 mm。采用Abaqus 軟件進(jìn)行刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬分析。

2.2.2 有限元模擬模型

刀盤進(jìn)行有限元分析所采用的三維有限元模型如圖1 所示。其有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示，共507 萬個(gè)網(wǎng)格單元。

2.2.3 模擬結(jié)果對(duì)比分析

從分析結(jié)果可以得知，刀盤最大應(yīng)力216.5 MPa，出現(xiàn)在工況3，位置是支腿和大法蘭連接處的邊角上，支腿的板厚是80 mm，其屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力［δs］≧254 MPa，大于216.5 MPa，刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足設(shè)計(jì)要求的。

圖1 刀盤三維模型

圖2 刀盤網(wǎng)格模型

2.3 盾構(gòu)刀具適應(yīng)性分析

2.3.1 換刀統(tǒng)計(jì)分析

盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，上行線完成5 次換刀，下行線完成6 次換刀，2 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在完成整個(gè)區(qū)間的掘進(jìn)過程中滾刀更換的最多，下行線更換滾刀共計(jì)98 把，上行線更換滾刀126 把，累計(jì)更換滾刀224 把；刮刀更換較少，下行線沒有需要更換的刮刀，上行線更換了36 把刮刀；齒刀沒有更換。根據(jù)換刀結(jié)果分析刀具磨損情況，發(fā)現(xiàn)大量刀具均發(fā)生了非正常磨損，尤其是滾刀刀具。

2.3.2 滾刀非正常磨損分析

工程中刀盤設(shè)計(jì)時(shí)共配置滾刀39 把，其中中心滾刀8 把，正面滾刀22 把，邊緣滾刀9 把。上下行線每次的換刀數(shù)目可得滾刀每次換刀的換刀率。下行線在第一次換刀時(shí)（第238 環(huán)處）滾刀全部換掉，在第四次換刀時(shí)（第292 環(huán)處），換刀率也高達(dá)69%，第六次換刀率卻僅為5%，第二、五次換刀（第366、567 環(huán)處）換刀率分別為33%和44%。上行線在第一次換刀時(shí)（第245環(huán)處）滾刀也全部被換掉，第三、四次（第976、988 環(huán)處）換刀時(shí)滾刀換刀率也分別高達(dá)79%和62%，第二次換掉近50%滾刀，第五次（第1060 環(huán)處）換掉36%滾刀。

3 工程效果

通過建立刀具受力模型，分析刀具切削力，結(jié)合實(shí)際刀具破壞形式，進(jìn)行磨損分析，在后續(xù)幾次換刀中，加強(qiáng)了滾刀的耐磨情況，減少每次換刀時(shí)滾刀數(shù)量，同時(shí)減少了滾刀脫落情況。節(jié)約費(fèi)用經(jīng)分析計(jì)算如下：

（1）根據(jù)各種刀具計(jì)價(jià)金額（滾刀18 500 元/把、切刀5000元/把、刮刀7000 元/把，導(dǎo)流刀3000 元/把，保徑刀5000 元/把），節(jié)約刀具直接經(jīng)濟(jì)成本115 把×18 500 元＋31 把×7000 元＋93 把×5000 元+50 把×3000 元+24 把×5000 元=3 079 500 元。

（2）節(jié)約更換刀具人工費(fèi)用115 把×800 元＋31 把×300 元＋93 把×300 元＋50 把×300 元＋24 把×300 元=151 400 元。

（3）節(jié)約推進(jìn)人工費(fèi)用30 人×56 天×450 元=756 000 元。

（4）節(jié)約盾構(gòu)機(jī)臺(tái)班費(fèi)用56×3×3000 元=504 000 元。

（5）節(jié)約盾構(gòu)停機(jī)用電費(fèi)用約56 天×3 臺(tái)班×1841 度×30%×0.85 元=78 868 元。

（6）其他油料、水費(fèi)等零星材料235 000 元。

（7）節(jié)約管理費(fèi)用約126 000 元。

根據(jù)理論分析，提高了盾構(gòu)機(jī)及其刀具的適應(yīng)性施工，減少刀具損壞數(shù)量，節(jié)省開倉換刀時(shí)間及開倉換刀次數(shù)，節(jié)約人工成本及時(shí)盾構(gòu)機(jī)使用費(fèi)用，提高盾構(gòu)施工效率。經(jīng)計(jì)算，工程節(jié)約成本約493.08 萬元。

4 結(jié)束語

對(duì)海陸交互相復(fù)雜地層盾構(gòu)機(jī)適用性進(jìn)行分析并優(yōu)化，同時(shí)分析海陸交互相復(fù)雜地層條件下?lián)Q刀統(tǒng)計(jì)，并對(duì)滾刀、刮刀以及海陸交互相復(fù)雜地層條件下的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，盾構(gòu)在海陸交互相復(fù)雜地層中掘進(jìn)時(shí)，為提高掘進(jìn)效率，減小刀具非正常磨損，盾構(gòu)推力值宜取（15 000～25 000）kN，扭矩宜?。?800～3500）kN·m，掘進(jìn)速度宜?。?0～20）mm/min。一般在海陸交互相復(fù)雜地層中刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為1.5 r/min 為合適值。提出的施工掘進(jìn)參數(shù)，可為類似地層盾構(gòu)施工提供借鑒。