可模擬盾構切削混凝土地下連續墻的試驗技術

張 雯

（上海隧道工程有限公司,上海市 200233）

0 引言

國內外盾構進出洞的通常做法為人工鑿除洞門范圍內圍護結構后再進行盾構掘進，故圍護結構前方土體加固止水的優劣直接決定了盾構進出洞時的施工風險[1]。一般情況下都必須保證洞口土體具有較好的密實性和自立性，反之則會造成洞口土體坍塌以及地下水涌入盾構井內等災害[2]。常規的盾構進出洞土體加固技術主要有降水固結法[3]、高壓旋噴樁法[4]、深層攪拌樁法[5]、凍結法[6]等。然而，人工鑿除圍護結構費時費力，存在施工風險，而土體加固又往往存在以下2個難題：（1）洞口土體加固質量不達標，或加固強度未達到設計施工要求而產生土體塌方，或者因加固不均勻、隔水效果差，造成漏水、漏泥等現象；（2）在鑿除洞門混凝土或拔除洞門鋼板樁后，盾構為及時靠上土體，使正面土體失去支撐造成塌方。

另外，封門+前方土體加固的盾構進出洞方案是有應用局限性的，通常適用于埋深相對較淺的盾構項目，深埋或超深埋盾構井圍護結構優選地下連續墻（簡稱地連墻）。

上海市蘇州河段深層排水調蓄管道系統工程試驗段是上海市“十三五”重大民生工程。蘇州河深隧工程苗圃試驗段主井開挖深度為56.3 m，采用1.5 m地下連續墻圍護結構，墻深達103 m。由于作為后續綜合設施的地連墻無法人工破除，故須采用盾構機切削通過[7]。

地下連續墻混凝土材料初步定于M30高強砂漿或C35水下混凝土，為探索研究合適的刀盤設計型式以及對比2種混凝土材料的盾構切削效果，尋找最佳的混凝土配合比，本文進行了可模擬盾構切削混凝土地連墻相應試驗技術的制定、初步試驗結果的分析以及試驗技術的優化，研究成果可直接為蘇州河深隧工程盾構進出洞施工方案提供技術指導，同時也可為同類超深地連墻混凝土材料的切削研究提供可借鑒經驗。

1 盾構切削地連墻設備

試驗用 ?1 860 mm模擬盾構機由刀盤、殼體、螺旋輸送機、刀盤驅動裝置、主頂裝置等組成（見圖1），殼體長度為1 595 mm、外徑為 1 860 mm，由30 mm鋼板卷制而成。

圖1 模擬切削用盾構機

為了實現盾構在不同刀盤條件下的模擬切削，根據需要將刀盤設計成部分可拆卸式以完成面板式刀盤和輻條式刀盤的轉換，并且可改變刀盤的開口率。本次切削模擬的刀盤如圖2所示。

圖2 刀盤布置

刀盤驅動由液壓系統提供動力，通過驅動刀盤上2個液壓馬達小齒輪、大軸承上的內齒圈、矩形筒和受力環來帶動刀盤旋轉。刀盤驅動液壓系統主要技術參數如下：

刀盤扭矩：117 kN·m（1.5 r/min）；刀盤轉速：0～6 r/min；刀盤驅動：液壓馬達2臺（型號：A2FE45）；減速機：2 臺 GFB 36 T3。

功能上，刀盤能實現雙向回轉和轉速連續實時可調，另外還在刀盤系統上安裝了轉速轉矩傳感器，實時反饋刀盤工作信息。

螺旋輸送機由液壓系統提供動力，驅動螺旋輸送機上的液壓馬達帶動螺旋機的螺桿旋轉。同時，也由液壓系統提供動力，驅動螺旋輸送機上的2個閘門油缸完成閘門的開啟與關閉動作。本次試驗暫不使用螺旋輸送機排渣。

主頂由主頂動力泵站提供壓力油至6個油缸完成伸縮動作，完成盾構機的頂進動作，主要技術參數如下：

油缸行程：1 500 mm；油缸個數：6個；推進速度：0～60 mm/min；額定頂力：3 000 kN；最大頂力：3 900 kN；額定壓力：24 MPa；最大壓力：30 MPa。

模擬盾構機結構圖見圖3。

圖3 模擬盾構機結構圖

2 混凝土材料配合比調整

為滿足盾構切削混凝土地連墻的試驗要求，以高滲透性和特深連續地墻施工性為材料關鍵指標，擬定材料參數：抗滲等級P8，擴展度（550±50）mm，坍落度（220±20）mm。

選取低強砂漿、高強砂漿、塑性填芯混凝土和C35水下混凝土4種類型材料進行配合性能測試，具體配合比見表1，試驗結果見表2。

表1 材料配合比 kg/m3

表2 混凝土性能測試結果

由表2可知：M15低強砂漿抗滲等級為P6,泌水嚴重；塑性填芯混凝土1、2強度相對較低，不符合試驗要求。M30高強砂漿和C35水下混凝土強度符合要求，流動性佳，抗滲等級滿足P8要求。此外，針對礦粉對材料早期強度有著較為明顯的影響這一特性，將膠凝材料中各組分比例進行調整，使之達到最佳摻量，調整后的配合比見表3。

表3 調整后混凝土與砂漿配合比 kg/m3

由2種材料強度發展觀測結果可以看出，M30高強砂漿和C35水下混凝土均符合盾構切削地下連續墻施工強度要求，且前期強度增長較緩，易于切削。

3 盾構切削地連墻的模擬試驗技術

3.1 地連墻模擬試件

切削試件見圖4，切削試件尺寸為2.5m×2.5m×0.6 m，切削面為 ?1.8 m的圓面。

圖4 切削試件

盾構切削范圍內玻璃纖維筋和鋼筋分布如圖5所示，其中玻璃纖維筋采用雙層雙向 ?22@300的型式進行布置。

圖5 玻璃纖維筋及鋼筋布置（單位：mm）

本次模擬試件分別采用M30高強砂漿和C35水下混凝土2種材料進行澆筑，對比常規超深地連墻澆筑材料的切削性能。

3.2 試驗方法設計

試驗時將模擬地連墻試件固定于固定裝置處（見圖6），底部采用固定支座墊高并調節好高度，使盾構機的切削面位于試件正中部。為防止盾構機在切削時發生自身轉動，在盾構機殼體與軌道交界處焊有防轉動裝置。切削面外側安裝攝像機進行切削觀測。推進油缸內置位移傳感器，能實時監測推進距離及推進壓力。刀盤內裝有轉速傳感器和液壓傳感器，實時測量刀盤扭矩和轉速。同時，在刀盤切削位置裝有紅外溫度傳感器，測量刀盤溫度和管片表面溫度。

圖6 試驗平臺結構圖

3.3 試驗過程及參數監測

本次試驗的操作流程見圖7。

圖7 試驗流程圖

先進行M30高強砂漿試件的切削試驗。將模擬盾構機推進速度設定至最低值，刀盤轉速設定至較高的固定值，保持刀盤轉速不變，推進切削砂漿試件。若可以順利切削，推進5 min后逐級增加推進速度，每級增加1 mm/min。觀察切削效果，當推進速度增加至無法切削時，停止推進并記錄相關數據。

在此基礎上，根據記錄的推進推力值，設定一固定推力進行推進，保持恒定刀盤轉速，穩定切削30 min至1 h，記錄推進距離，得出平均推進速度。用同樣的方式得出C35水下混凝土試件的平均推進速度進行對比。

試驗時每個試件前10 cm行程主要進行切削調試，調整各向切削參數進行試驗；10～20 cm行程主要進行穩定切削參數試驗，得出一固定推力；20～30 cm行程進行連續切削，計算得出平均切削速度以便對比；30～60 cm行程暫作備用。

切削參數監測方法如下：

推進速度、刀盤轉速、刀盤扭矩及總推力直接由數據采集系統進行采集。刀具磨損方面，分別對所有刀具進行編號，并在同一角度下對所有刀具進行拍攝，每次推進工況結束后，退出機頭，再次在同一角度下對所有刀具進行拍攝，以便進行前后對比。試件切削面方面，對每次切削工況完成后的試件切削面進行拍攝記錄，切削面上若存在玻璃纖維筋的進行標記后拍攝記錄。

4 試驗結果及技術優化

M30高強砂漿試件切削面情況如圖8所示，刀具磨損情況如圖9所示。

圖8 M30高強砂漿試件切削面

圖9 刀具磨損情況

通過2組材料的切削情況對比，發現以下2個問題：（1）試件材料強度偏高，切削速度慢；（2）刀盤磨損較為嚴重。

故后續將進行以下技術優化：（1）調整混凝土材料配比，降低切削材料強度；（2）調整刀具布置，優化刀盤切削性能；（3）優化切削參數設置。

5 結語

本文闡述了可模擬盾構切削地連墻混凝土材料的試驗裝置和試驗材料，詳細制定了相應的試驗模擬方法和試驗參數監測方案。對試驗結果進行的初步分析可知，在試件材料和刀盤設計兩個方面存在一定的改進空間，故提出下一步在試驗材料和試驗技術兩個方面的優化方案，以期獲得更優的試驗結果。