地鐵站頂管工程刀盤刀具選型及盲區(qū)對策研究

孫占剛，張炎，秦世朋，殷會迎，戴葉謙

（1.濟南軌道交通集團建設投資有限公司，山東 濟南 250000；2.河海大學，江蘇 南京 210000；3.中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，山東 濟南 250000）

SUN Zhan-gang,ZHANG Yan,QIN Shi-peng,YIN Hui-ying,DAI Ye-qian

地鐵作為大容量公共出行方式，在緩解交通擁堵問題方面有著重要作用。頂管法作為一種快速高效的施工方法也越來越多地應用于地鐵隧道建設，特別是在地鐵出入口通道建設中應用越來越廣泛。

刀盤刀具作為頂管機的切削工具，在頂管機掘進工作中發(fā)揮著極其關鍵的作用。刀盤刀具的選擇不當，施工效率低下，施工擾動大，對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響，給生產(chǎn)安全造成極大威脅。開挖盲區(qū)的產(chǎn)生，使得工程進度受阻，影響開挖。彭立敏等認為刀盤切削面積大，對土層的擾動范圍大，易造成地面及管線沉降，控制難度大。譚青等研究了盾構(gòu)切刀作用下巖石響應機制，發(fā)現(xiàn)了切刀作用于巖層時的相關規(guī)律。賈連輝論述了矩形頂管機的一般結(jié)構(gòu)形式，介紹了矩形頂管在城市過街通道，地下商業(yè)空間，地下停車場等領域地下空間開發(fā)中的應用成果及其他方面的應用前景。

現(xiàn)有國內(nèi)外研究頂管刀盤刀具多集中于創(chuàng)新刀盤刀具種類以及形式，使其能夠適應巖層掘進環(huán)境。而對于頂管工程所產(chǎn)生的擾動與沉降問題，研究多集中于土層分析。本文則針對淺覆土層下軟土工作環(huán)境的刀盤刀具選擇以及盲區(qū)的產(chǎn)生進行了相應的研究。

1 工程概況

八里橋站是濟南市軌道交通2 號線工程近期中間站，車站位于濟齊路與張莊路交叉口西南側(cè)，沿張莊路東西布置。該站設置4 號出入口穿越張莊路，采用頂管實施。

1.1 頂管工程簡介

如圖1 所示，車站出入口頂管工程自南向北，由出入口始發(fā)，向車站方向頂進，頂管段覆土厚度約為5.1m。通道采用外包尺寸為6 900mm×4 900mm 矩形頂管，內(nèi)部凈空尺寸為6 000mm×4 000mm，壁厚450mm，管節(jié)為整環(huán)結(jié)構(gòu)，單節(jié)管長為1.5m，重約40t。采用強度C50 混凝土預制，抗?jié)B等級為P10。

圖1 出入口頂管通道平面示意圖

1.2 交通、建筑及地下管線情況

八里橋站4 號出入口位于張莊路南側(cè)朝西布置。出入口西側(cè)為濟南燃料集團宿舍樓，距離出入口18.3m，南側(cè)為濟南燃料集團宿舍樓，距離出入口18.9m。頂管穿越張莊路，為現(xiàn)狀六車道、次干路，地面交通繁忙。地下管線眾多，主要有天然氣管、雨水管、熱力管、飲用水管，其中熱力管線距離頂管凈距僅1.6m。

1.3 工程地質(zhì)

如圖2 所示，八里橋站為山前沖洪積傾斜地貌單元。地層主要以粘性土、沙及卵石層為主。

圖2 地質(zhì)剖面圖

1.4 工程重難點分析

濟南地鐵R2 線連接東西城區(qū)，穿行線路長，線路所在區(qū)域人口密集，交通繁忙，地下管線老舊管線數(shù)量大，沉降控制的要求高。

頂管施工由于對土層擾動，易引起管線和地面道路的沉降。由于管線在長期的服役過程中會出現(xiàn)自然腐蝕、老化等故障，沉降過大會使脆弱地下管線被破壞，導致污水泄漏、生活及工業(yè)用水污染、電力與通訊系統(tǒng)中斷等問題。同時，由于頂管穿越道路均為城市主干道，周邊交通繁忙，人流量較大，地面沉降過大會對來往行人與駕駛員產(chǎn)生心理上的負擔乃至威脅其人身安全。

2 刀盤刀具選型

刀盤刀具是頂管頂進工作的重要部件，選擇合適的配套工具將有利于掘進工作的順利開展，并使成本控制在合理的范圍內(nèi)。

2.1 刀盤種類及針對選型

地鐵出入口開挖斷面為矩形斷面，需要使用矩形頂管機掘進，針對矩形開挖斷面，可以選用組合式旋轉(zhuǎn)刀盤與偏心多軸擺動刀盤。組合式旋轉(zhuǎn)刀盤切削速率高扭矩小對周圍土體擾動較小，但存在切削盲區(qū)。偏心多軸擺動刀盤不存在切削盲區(qū)，但對土體的擾動很大。針對工程覆土較淺的特點，應盡量避免對土體的擾動使地表產(chǎn)生較大形變，選擇組合式旋轉(zhuǎn)刀盤較為合理。

組合式旋轉(zhuǎn)刀盤的單刀盤較盾構(gòu)單刀盤組成更加簡單，但外形上更多變，需結(jié)合刀盤尺寸、地質(zhì)條件、埋深情況及周邊環(huán)境等選擇具體的刀盤組合形式。圓形刀盤輻條數(shù)常見6 根，星型刀盤輻條數(shù)為5 根，亦有三角型刀盤輻條數(shù)為3 根。刀盤配置刀具一般為切刀刮刀等切削土體刀具。如圖3 所示，本工程選用組合式旋轉(zhuǎn)刀盤，刀盤為呈十字形排列的四輻條設計。3 組大刀盤3 組小刀盤，保證切削效率的同時選擇合理的輻條數(shù)目減小擾動。

圖3 矩形頂管機刀盤設計圖

2.2 刀具種類及針對選型

本工程頂管機穿越地層主要為粉質(zhì)黏土及黏土，基本功能要求為軟弱土體切削，具有破巖功能的滾刀等刀具由于功能傾向不符，啟動扭矩難以滿足使用條件等問題，不適宜在此軟土地層使用。結(jié)合國內(nèi)外頂管施工經(jīng)驗，刀具選型建議如下。

1）魚尾刀先于其他刀具刮削刀盤中心部的土體，使地層松動，提高刀盤中心部位土體的流動性，方便其他刀具進行切削，減少其他刀具的切削阻力，并降低其磨損。

2）先行刀或超前刀先于切削刀具切削，可以分割土體，提高土體流動性，方便切削刀具進一步工作。

3）貝型刀用于處理刀盤受沖擊引起的刀盤磨損，同時刀盤底部會有積土土渣，貝型刀可以進行清理工作，提高掘進效率。

4）切刀及刮刀用于軟土層的切削，刮刀亦可刮削軟巖，清理刮削渣土。

5）齒刀用于軟巖切削，滾刀用于破巖，不適宜軟土層切削，同時易產(chǎn)生較大擾動。

6）仿形刀或者超挖刀用于機體調(diào)整方向，需要油缸配合，頂管機調(diào)整方向可以采用糾偏油缸進行，此種刀具的應用需結(jié)合具體的頂管機功能使用。

本工程頂管機基本功能要求為軟土切削，對于軟土層切削功能的要求，選用魚尾刀、切刀刮刀，切削效果良好。大刀盤刀具布置為中心魚尾刀，每根輻條排列對稱的4 對刮刀，先行刀與刮刀錯開布置。小刀盤相對刀盤刀具數(shù)目一致，為3 對或4 對刮刀，先行刀布置同刮刀布置方式。

3 盲區(qū)對策研究

3.1 矩形頂管與圓形頂管開挖盲區(qū)的區(qū)別

圓形頂管斷面形狀為圓形，使用圓形單刀盤，刀盤中心與頂管機開挖斷面中心重合，可以使刀盤切削運動軌跡與開挖斷面符合，單個刀盤即可實現(xiàn)全斷面無盲區(qū)切削。

矩形頂管開挖斷面為矩形，使用單刀盤難以覆蓋開挖斷面的所有區(qū)域，采用多刀盤組合形式，盡量多的覆蓋斷面區(qū)域并減少盲區(qū)的產(chǎn)生，但多刀盤組合形式不能完全解決盲區(qū)存在的問題。

如圖4 和表1 所示，矩形頂管中盲區(qū)出現(xiàn)在刀盤之間的非重疊部分以及刀盤與頂管機管壁之間的間隔區(qū)域，而盲區(qū)具體的分布主要有兩種形式：①在重疊刀盤頂管的斷面中，內(nèi)部刀盤由于重疊遮蓋了間隙區(qū)域，盲區(qū)主要分布在頂管機兩側(cè)腰部的位置；②在非重疊刀盤頂管的斷面中，斷面內(nèi)部刀盤與刀盤之間存在間隙，盲區(qū)出現(xiàn)在頂管機斷面中部一些區(qū)域。

圖4 幾種矩形頂管盲區(qū)示意圖

表1 盲區(qū)面積及盲區(qū)率估算表

3.2 刀盤開挖盲區(qū)引起的工程問題

當頂管機在軟黏土等土體強度較低的環(huán)境中工作時，由于土體強度不高，對土體不需施加較大的影響就可以使土體產(chǎn)生流動、脫離，盲區(qū)的處理也相對簡單，尤其是小范圍的盲區(qū)通過推進以及管壁的鏟刀作用就可以使盲區(qū)處的土體脫落。

當頂管機在土體強度較高的硬土層中頂進時，由于土體不易產(chǎn)生形變，會結(jié)成泥餅，頂進時的推力也需要適應性提高，刀盤切削時的扭矩增大。另外由于土體塑性形變小，使地面產(chǎn)生隆起或沉降等問題。這些問題最終會影響施工效率，導致施工進度放緩，工程延期。

3.3 應對盲區(qū)問題相關措施

3.3.1 通過刀盤選型避免盲區(qū)產(chǎn)生

在覆土厚度足夠深或地面擾動的影響不會產(chǎn)生嚴重后果的工作環(huán)境中，可以使用偏心多軸擺動刀盤等異形刀盤來避免盲區(qū)產(chǎn)生。

在覆土較淺時，應合理進行大小刀盤組合、輻條數(shù)量設計。

3.3.2 優(yōu)化刀盤設計減少盲區(qū)產(chǎn)生

1）重疊刀盤。刀盤相交區(qū)域雖然對切削功能的需求有溢出，但保證了在土層中較好地處理頂管機斷面中部的土層開挖盲區(qū)問題，避免盲區(qū)在斷面中心部產(chǎn)生，使盲區(qū)問題集中在開挖斷面腰部解決。

2）合理設計各分體刀盤大小及形狀，進行優(yōu)化布置，在保證切削能力與切削速度的前提下，減小單個盲區(qū)的面積從而減小整個斷面上盲區(qū)的總面積，從而減小并弱化盲區(qū)問題對頂進工作的影響并便于采取其他措施處理盲區(qū)問題。

3.3.3 盲區(qū)處理措施

1）在頂管機對應的盲區(qū)設置劈刀，并在刃口上設置鏟齒，直接對盲區(qū)土體進行鉆裂破體。

2）頂管機管壁設置管殼切刀或其他能夠起到分割土體的切削設備，對應解決刀盤與頂管機管壁之間的盲區(qū)土體問題。

3）使用效果較好的土體改良劑，輔助切削刀具發(fā)揮作用，使土體在原基礎上更易被破壞，盲區(qū)土體更易產(chǎn)生破壞。

4）增設攪拌裝置，減少堆土，設置分渣器。若切削土體未能及時排出，甚至堆積在刀盤附近，與盲區(qū)連通并擠壓密實，對盲區(qū)的處理會變得更加困難，引發(fā)更多問題影響頂進工作。設置攪拌裝置等可以及時疏通土體，避免堆積以及并發(fā)問題產(chǎn)生。

5）盲區(qū)設萬向球頭風鉆，對開挖盲區(qū)可能存在的大型障礙物進行處理。

6）盲區(qū)設高壓水噴口、錐環(huán)，對開挖盲區(qū)可能存在的泥餅進行防治、處理。

3.3.4 本工程措施

如圖5、圖6 和表2 所示本工程使用重疊刀盤設計，配合管殼邊緣切刀，避免斷面中心區(qū)域產(chǎn)生盲區(qū)，并解決了開挖斷面腰部的盲區(qū)土層問題，效果較好。

圖5 現(xiàn)場出洞刀盤圖

圖6 本工程頂管盲區(qū)示意圖

表2 本工程盲區(qū)面積及盲區(qū)率表

4 結(jié)論

1）刀盤刀具選型及盲區(qū)處理不當將對土層產(chǎn)生較大擾動、降低施工效率，帶來安全隱患。

2）頂管機工作環(huán)境為軟土，且覆土較淺時，應選用組合式旋轉(zhuǎn)刀盤，降低對土層擾動，刀具選擇以切刀、刮刀等土體切削刀具為主。

3）頂管施工盲區(qū)問題的解決，可從以下3 個方面應對：①刀盤選型避免盲區(qū)產(chǎn)生；②優(yōu)化刀盤設計減少盲區(qū)面積；③盲區(qū)產(chǎn)生后處理。

4）本工程使用重疊刀盤設計，配合管殼邊緣切刀，避免斷面中心區(qū)域產(chǎn)生盲區(qū)，并解決了開挖斷面腰部的盲區(qū)土層問題，效果較好。