盾構下穿既有車站切削圍護樁墻刀盤配置及關鍵施工技術

屈通通

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，線路穿越既有線的情況也隨之增多，不可避免的穿越地連墻、圍護樁等障礙物。結合臨頓路站-蘇州大學站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站地連墻、圍護樁，提出了MJS加固+新制盾構機刀盤穿越方案，對刀盤進行剛度、強度模擬計算，并增設了一套刀盤冷凍系統(tǒng)，設計冷凍管路以備應急，可為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：盾構；下穿既有線；磨樁；冷凍刀盤

1? ?工程背景

蘇州市軌道交通6號線臨頓路站-蘇州大學站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站，臨頓路南端頭左右線均為接收井，車站端頭與1號線車站距離5.95m（換乘通道長度）。臨蘇區(qū)間穿越既有線主要障礙物有1號線臨頓路站800厚圍護地墻、車站底板下Φ800臨時立柱樁及1、2號出入口Φ800圍護樁。

區(qū)間共穿越1號線車站南北側4處地下連續(xù)墻（雙洞）、車站底臨時立柱樁5根、車站附屬圍護鉆孔灌注樁30根。穿越區(qū)主要障礙物包括：1號線臨頓路站800厚圍護地墻（長33m，與車站內襯形成疊合結構）、車站底板下Φ800臨時立柱樁（底板以下內插3m長型鋼格構柱）；附屬1、2號出入口Φ800圍護樁。節(jié)點區(qū)1號線車站基底埋深18.5m，6號線車站基坑深33m，較1號線車站基底深14.5m。

2? ?總體施工方案

在盾構機下穿既有線車站前，對土體進行MJS加固。加固完成后，對1號線車站兩側地墻、站底立柱樁及附屬圍護樁均采用盾構機直接切削清障。根據(jù)下穿既有線施工環(huán)境，經專家論證新制盾構機刀盤，使其具備切割圍護樁、墻能力，并具備開倉換刀條件。

刀盤刀具總體為輻條加面板的結構類型，刀具按4個高度階梯布置。第一層次為正面超前撕裂刀，主要功能為大間距先行切削鋼筋樁體。第二層次主要以可更換的邊緣滾刀和正面栓接可更換的加強撕裂刀為主，主要以切削鋼筋混凝土為主要功能；第三層次以焊接的焊接貝殼刀為主，主要功能為第一、二層次刀具磨損后，使其仍具備切削樁體的能力；第四層次為刮刀，主要以收攏渣土進土倉為主要功能。

3? ?刀盤性能模擬驗算與分析

刀盤穿越圍護結構及地連墻時偏載力大，要求刀盤具有足夠的剛度強度。由于刀盤結構復雜，按照滿載和偏載情況，分別對刀盤結構進行有限元分析計算，驗算刀盤設計強度、刀盤牛腿焊接質量等。通過優(yōu)化設計，使提供的刀盤大部分應力在150MPa以下，有足夠的剛度強度。且在磨樁、磨墻段偏載較大的條件下，刀盤變形在彈性變形范圍以內。

3.1? ?建立模型

刀盤有限元分析所采用的三維模型如圖1所示。其有限元網格模型如圖2所示（共約95萬單元），設置材料的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

3.2? ?計算工況

結合地質條件和實際掘進情況，對該刀盤進行以下3種工況的有限元分析：

3.2.1? ?標準負載工況

中心滾刀單刃推力250kN，正面及邊緣滾刀單刃推力280kN，主驅動輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.2? ?1/2偏心負載工況

刀盤下部約一半數(shù)量的刀具受到額定推力，其余刀具不施加載荷；主驅動輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.3? ?脫困模式工況

刀盤卡住時，假設刀盤受到巖土的作用力為總推力的一半，主驅動輸出脫困扭矩9830kN·m。

3.3? ?結果分析

3.3.1? ?標準負載工況分析

標準負載工況一般出現(xiàn)在均勻性良好的地層中，掘進過程中所有刀具有效參與掘進。此時刀具承受額定推力載荷，刀具推力載荷施加在刀座正面上，主驅動輸出額定扭矩，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

標準負載工況下刀盤最大應力出現(xiàn)在支腿與環(huán)形梁的交接處，大小為194.2MPa。該工況下刀盤的Mises應力云圖如圖3所示，變形云圖如圖3所示。總變形量約為2.11mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.31‰。

3.3.2? ?1/2偏心負載工況分析

偏心負載通常出現(xiàn)在上軟下硬的地層中，在此工況下，只有部分刀具參與掘進，假定此工況刀盤下側一半的刀具參與有效掘進，施加的區(qū)域如圖5所示。扭矩按額定扭矩施加，刀具推力載荷施加在刀座正面上，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

1/2偏心負載工況下刀盤最大應力，出現(xiàn)在如圖6所示的支腿與刀盤法蘭的交接處，最大應力約為195.8MPa。變形云圖如圖7所示?？傋冃瘟考s為2.31mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.34‰。

3.3.3? ?脫困工況分析

脫困模式類似于發(fā)生在刀盤卡住的情況，在額定扭矩輸出下有可能無法轉動刀盤，需要通過短時間內加大主驅動扭矩驅使刀盤轉動[1]。假設刀盤卡住不動，刀盤承受一半的總推力，主驅動輸出脫困扭矩，推力分攤施加在刀座正面上，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

脫困工況下刀盤最大應力，出現(xiàn)在如圖8所示的支腿與刀盤法蘭的交接處，最大應力為154.7MPa。變形云圖如圖9所示?？傋冃瘟考s為2.15mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.32‰ 。

3.4? ?分析結論

分析結果匯總如表1所示。從表1可以看出，在3種工況下該刀盤的最大應力出現(xiàn)在1/2負載工況。該工況下刀盤的最大應力為195.8MPa，位于支腿與刀盤法蘭交接處的局部區(qū)域，小于強度設計值254MPa，符合刀盤的強度設計要求；最大變形量約為2.31mm，出現(xiàn)在1/2負載工況，變形率為0.34‰，符合刀盤設計的剛度要求。綜上分析可得出，該刀盤的強度和剛度滿足設計要求。

4? ?刀盤應急設計

4.1? ?冷凍系統(tǒng)設計

為保證盾構機磨樁期間在刀具磨損的情況下，為開倉換刀提供更好的施工條件，經專家論證特為盾構機增設了一套刀盤冷凍系統(tǒng)。利用刀盤為等溫體的特性，設置冷凍管路和冷凍設備，使盾構機刀盤附近土體有效凍結。刀盤同時作為承載體，承擔掌子面總荷載，凍結體只承擔開口部位荷載。

根據(jù)刀盤冷凍管路設置及智能控制系統(tǒng)，針對具體施工情況，可進行分區(qū)不均勻冷凍[2]。刀盤分2個區(qū)域，布置2進2出的兩個冷凍液循環(huán)回路。沿刀盤支腿預留接口至大法蘭背面，冷凍液通道在刀盤結構制作時完成。

4.2? ?凍結管路設計

停機時，可通過對每一回路接入冷凍液循環(huán)，使刀盤整體形成一個冷凍源，加固掌子面區(qū)域。前盾切口環(huán)設計冷凍液循環(huán)管路，用于冷凍切口環(huán)外周邊徑向土體。主驅動設計保護管路，密閉環(huán)腔內可通入循環(huán)熱水，避免主驅動溫度過低損壞密封。

4.3? ?凍結施工工藝

如果在第一道、第二道地墻處出現(xiàn)推力增大、扭矩減小，速度減小等情況，配合刀具磨損裝置分析判定刀盤刀具磨損情況。如果刀具磨損嚴重，可以啟用冷凍系統(tǒng)將周邊土體冷凍起來，增加土體自穩(wěn)能力，然后進入土倉更換刀具。下穿區(qū)地質為⑤1層粉質黏土，中部和下部為⑥1、⑥2層粉質黏土時，可采取啟用凍結刀盤凍結后，帶壓進倉檢查掌子面情況，滿足常壓進倉條件后即可開始更換刀具等施工。

5? ?磨樁施工

5.1? ?施工參數(shù)設置

磨樁施工過程中，采用慢推速、中轉速磨切樁基，推進速度設定為2～3mm/min，刀盤轉速控制在0.6～0.8r/min左右，貫入度控制在5mm左右。磨樁施工過程中樁基反作用于刀盤，刀盤正面容易受力不均，姿態(tài)控制難度較大，為此應加強姿態(tài)控制，特別是垂直姿態(tài)控制糾偏時要避免急糾、猛糾。下穿區(qū)均采用多孔管片，以利于多點位二次注漿控制。

為減少盾構下穿既有線過程中設備故障率，在盾構下穿前必須進行充分、反復的調試、檢修。合理設定土壓力，保證開挖面穩(wěn)定。減少盾構的超挖和欠挖，防止因超排土或欠排土導致地層失穩(wěn)，造成沉降或隆起。

5.2? ?螺旋輸送機出土

為使切除的鋼筋較順利輸出，螺旋機輸送過程中 需添加適量的泡沫或者高濃度膨潤土泥漿，并充分利用螺旋輸送機正轉和反轉以及伸縮螺旋機等，防止螺旋輸送機卡住。必要時，可通過螺旋輸送機觀察窗進行人工處理[3]。

5.3? ?同步注漿

同步注漿要做到及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得以及時和足量的充填[4]。根據(jù)注漿壓力及地保監(jiān)測情況，控制同步注漿量或及時進行二次補漿。通過自動化監(jiān)測實時掌握盾構掘進對1號線的影響，及時調整盾構掘進參數(shù)，并進行二次注漿。

6? ?結束語

本文結合臨頓路站-蘇州大學站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站地連墻、圍護樁，提出了MJS加固+新制盾構機刀盤穿越方案，對刀盤進行剛度、強度模擬計算，并增設了一套刀盤冷凍系統(tǒng)，設計冷凍管路以備應急。

本項目通過論證，確定復合凍結刀盤在穿越區(qū)進行垂直與水平MJS加固后直接磨樁穿越。結合刀盤刀具設計配置進行數(shù)值模擬分析，確保刀盤的強度和剛度滿足設計要求。建議對盾構穿越影響區(qū)的附屬圍護樁進行鉆孔取樣，以明確盾構切削范圍。深化設計和施工參數(shù)，減小盾構切削既有站地墻時對車站主體結構的影響。

參考文獻

[1] 丁洪波.長距離隧道TBM關鍵施工數(shù)據(jù)動態(tài)管理研究[D].大連：大連理工大學，2017.

[2] 朱勁鋒，廖鴻雁，袁守謙，等.并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構施工技術與冷凍刀盤開艙技術的創(chuàng)新與實踐[J].隧道建設（中英文），2019，39（7）：1187-1200.

[3] 徐正齊.盾構磨墻樁下穿運營地鐵站及緊鄰接收技術研究[J].科學技術創(chuàng)新，2022（8）：112-116.

[4] 詹濤.泥水盾構穿越贛江斷裂破碎帶施工關鍵技術[J].隧道建設（中英文），2017，37（S2）：205-210.