固結(jié)黏土地層盾構(gòu)直接破除排水板關(guān)鍵技術(shù)研究

李鳳遠(yuǎn)， 楊延棟， 許華國

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

排水板固結(jié)法是軟基處理的方法之一，廣泛應(yīng)用于軟土地層高速公路路基的處理，用于提高路基的固結(jié)度和穩(wěn)定性[1-7]。隨著城市軌道交通的發(fā)展，采用盾構(gòu)施工的地鐵隧道不可避免地需要穿越高速公路路基[8]，如處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致高速公路路基沉降或者盾構(gòu)被困。通過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)廣佛2期下穿裕和路[9-10]、珠海橫琴三通道等工程需穿越排水板路基區(qū)域，盾構(gòu)刀具直接切斷破除排水板時(shí)，排水板未被切斷且纏繞刀盤和螺旋機(jī)，導(dǎo)致盾構(gòu)被迫停機(jī)[11-12]。對(duì)于固結(jié)高黏性土質(zhì)地層盾構(gòu)施工，刀盤結(jié)泥餅處理是重難點(diǎn)技術(shù)[13-14]，特別是如果為了切除排水板而降低刀盤開口率，將增加刀盤結(jié)泥餅可能性。如何采用合理的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行排水板切除及分析掘進(jìn)參數(shù)關(guān)聯(lián)性，是研究的重點(diǎn)[15-17]。因此，采用盾構(gòu)法穿越高速公路塑料排水板路基工程時(shí)，有必要對(duì)排水板破除方法進(jìn)行研究，便于盾構(gòu)選型和施工，以確保工程建設(shè)安全、可靠。

土體固結(jié)排水板的破除理論上可采用盾構(gòu)刀具直接切斷破除法、高溫熔化破除法、冷凍破除法、化學(xué)腐蝕破除法等。采用高溫熔化法時(shí)，排水板的耐高溫性在120 ℃左右，而盾構(gòu)密封能承受的最高溫度為80 ℃，采用該方法易導(dǎo)致盾構(gòu)密封失效；采用冷凍破除法時(shí)，排水板在-35 ℃不裂僅變脆，而盾構(gòu)密封在低溫下容易失效，刀盤盾體可能因土體凍結(jié)受困；采用化學(xué)腐蝕的方法可使排水板降解，但注入困難且用量難以控制；采用盾構(gòu)刀具直接切斷排水板的方法，在以往盾構(gòu)施工中，發(fā)生過未切斷排水板纏繞刀盤和螺旋機(jī)導(dǎo)致盾構(gòu)被迫停機(jī)或者地表沉降的事故。由于塑料排水板具有較強(qiáng)的抗撕裂能力和延展性，盾構(gòu)直接掘進(jìn)通過塑料排水板區(qū)域時(shí)，可能存在以下問題： 1)塑料排水板不能被刀盤刀具完全切斷，而被刀盤拖拽形成空洞，造成路基下沉超標(biāo)； 2)塑料排水板纏繞刀盤，減小刀盤開口率，造成出碴不暢； 3)塑料排水板在土艙底部堆積，堵塞螺旋輸送機(jī)出土口，導(dǎo)致無法出土； 4)塑料排水板纏繞螺旋輸送機(jī)，導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)受困。

所見文獻(xiàn)更多從工程應(yīng)用角度進(jìn)行總結(jié)分析，本文主要通過室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)盾構(gòu)較長(zhǎng)距離穿越含排水板的固結(jié)黏土地層時(shí)，不采用輔助工法直接通過可行性、盾構(gòu)刀盤刀具優(yōu)化、盾構(gòu)裝備參數(shù)選擇及施工掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化等方面開展研究。

1 工程概況

寧波地鐵5號(hào)線1期富強(qiáng)路站至前殷停車場(chǎng)出入場(chǎng)線下穿杭甬高速公路路基工程中，盾構(gòu)隧道斜穿高速公路路基段，穿越長(zhǎng)度(坡腳至坡腳)40 m，斜交角度68°，隧道頂部與高速公路路面豎向距離8～9 m。盾構(gòu)隧道與高速路基及塑料排水板位置關(guān)系如圖1所示。

(a) 隧道平面

(b) 隧道縱面

Fig. 1 Relationships among shield tunnel, highway roadbed and drainage plates

盾構(gòu)隧道穿越高速公路路基段，路基與地面高程差3 m，地面以下20 m范圍采用SPB-B型塑料排水板進(jìn)行排水固結(jié)。排水板布置間距為500 mm、寬度100 mm、厚度1.2 mm，斷裂拉伸強(qiáng)度≥16 MPa。

盾構(gòu)隧道穿越的塑料排水板區(qū)域地層以淤泥質(zhì)黏土為主，從上往下依次為填土(1～3.1 m)、黏土(0.6～1 m)、淤泥質(zhì)黏土(13.2～16.9)、粉質(zhì)黏土(4.1～7.2 m)。

2 試驗(yàn)裝置及主要參數(shù)

盾構(gòu)刀具切削排水板研究主要采用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓泵站、掘進(jìn)裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、碴土輸送裝置及其控制系統(tǒng)等構(gòu)成，可以分別以垂直和水平狀態(tài)針對(duì)各種巖土樣用不同的刀具、刀間距以及掘進(jìn)參數(shù)開展試驗(yàn)，研究其掘進(jìn)效率。平臺(tái)的實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2所示，平臺(tái)參數(shù)如表1所示。

圖2 TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)平臺(tái)

項(xiàng)目主要參數(shù)整機(jī)尺寸6880mm×4050mm×5176mm整機(jī)質(zhì)量120t刀盤直徑?2280mm巖箱尺寸?2500mm×1000mm裝備轉(zhuǎn)矩250kN·m最高轉(zhuǎn)速6r/min裝備推力4000kN刀間距調(diào)整范圍80～100mm中心刀具及數(shù)量3把雙刃刀正面刀具及數(shù)量8把單刃刀

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 試樣制作

擬建設(shè)工程的塑料排水板段地質(zhì)為淤泥質(zhì)黏土并處于固結(jié)狀態(tài)，為了接近現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境，采用機(jī)械夯實(shí)機(jī)對(duì)試驗(yàn)黏土進(jìn)行夯實(shí)，且用排水板平面與刀盤面板平面平行的最不利刀具切削工況布置試驗(yàn)排水板。現(xiàn)場(chǎng)排水板布置間距為500 mm，為了更好地驗(yàn)證刀具對(duì)排水板的切斷效果，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)排水板加密，間距為250 mm，且呈多層布置，層間距為150 mm，層間用黏土夯實(shí)。

3.2 刀具選型

試驗(yàn)采用3種典型軟土刀具，按照軟土盾構(gòu)常規(guī)刀盤刀具刀間距100 mm的方式布置刀具。3種典型刀具主要特征如下： 1)常規(guī)齒刀，一般軟土刀盤配置常規(guī)齒刀，刀頭采用大合金布置，刃角為80°，如圖3(a)所示； 2)新型鋸齒刃齒刀，選擇常用于固結(jié)地層的鋸齒刃齒刀，其焊接合金的刃角為100°、合金塊厚度15 mm、合金塊間距40 mm，每把焊接3塊硬質(zhì)合金, 如圖3(b)所示； 3)改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀設(shè)計(jì)理念，本工程排水板斷裂拉伸強(qiáng)度較高(≥16 MPa)，采用傳統(tǒng)常規(guī)齒刀及新型鋸齒刃齒刀在固結(jié)黏土地層破除排水板可能效果不明顯。基于單刀分層立體切削理念，在新型鋸齒刃齒刀基礎(chǔ)上，前部焊接銳利合金刃用于排水板的切斷，并試制了樣刀，如圖3(c)所示。在盾構(gòu)推力和刀盤轉(zhuǎn)矩作用下，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)貫入土層時(shí)，頂部銳利合金刃先行切斷排水板，然后裙部合金破除固結(jié)黏土。

(a) 常規(guī)齒刀

(b) 新型鋸齒刃齒刀

(c) 改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀

3.3 測(cè)試及傳感器布置

開展排水板切削試驗(yàn)時(shí)，利用量程為20 kN的應(yīng)變式拉力傳感器測(cè)量排水板拉拽力。應(yīng)變式拉力傳感器及數(shù)據(jù)采集軟件如圖4和圖5所示。

圖4 應(yīng)變式拉力傳感器

圖5 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件

排水板拉拽力測(cè)試傳感器的布置如圖6所示。為了獲取刀具切割排水板時(shí)的拉拽力，排水板的一端通過角鐵與巖箱鋼圈緊固，另一端與應(yīng)變式負(fù)荷傳感器通過特制夾板連接，并施加預(yù)應(yīng)力拉緊，該端鋼圈層間連接螺栓松開，使排水板連接傳感器一端處于自由狀態(tài)。

3.4 試驗(yàn)過程

刀盤掘進(jìn)推力、轉(zhuǎn)矩、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等通過TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)平臺(tái)PLC系統(tǒng)自動(dòng)記錄。首先測(cè)試空推、空轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)，初始化平臺(tái)，參數(shù)歸零。

試驗(yàn)制作2盤巖箱，第1盤安裝鋸齒刃齒刀；第2盤先安裝常規(guī)齒刀，然后更換焊接銳利刃鋸齒刀。通過統(tǒng)計(jì)同一試驗(yàn)組不同掘進(jìn)參數(shù)下排水板的切斷效果，重點(diǎn)評(píng)判不同刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度對(duì)切斷效果的影響； 通過不同試驗(yàn)組，統(tǒng)計(jì)不同刀具情況下排水板的切斷效果，重點(diǎn)評(píng)判刀具設(shè)計(jì)對(duì)切斷效果的影響。

(a) 排水板自由端安裝傳感器

(b) 排水板固定端約束方式

4 排水板破除數(shù)據(jù)分析

第1盤試樣采用新型鋸齒刃齒刀進(jìn)行排水板破除試驗(yàn)，4層排水板掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不同。第1層采用高推進(jìn)速度、中刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)(序號(hào)1)；第2層采用低推進(jìn)速度、中刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)(序號(hào)2)；第3層采用低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)(序號(hào)3)；第4層采用高推進(jìn)速度、低轉(zhuǎn)速掘進(jìn)(序號(hào)4)。

第2盤試樣先采用全盤常規(guī)齒刀進(jìn)行排水板破除試驗(yàn)(序號(hào)5)，然后更換焊接銳利刃鋸齒刀進(jìn)行排水板破除試驗(yàn)(序號(hào)6)。每種齒刀破除2層排水板，采用低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)。每層9根平行的排水板從一側(cè)到另一側(cè)從1到9依次編號(hào)，其中，5#通過巖箱直徑，3#—7#5根排水板安裝測(cè)力傳感器。利用應(yīng)變式負(fù)荷傳感器獲得不同試驗(yàn)組刀具對(duì)排水板的拉拽力，進(jìn)而優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均值如表2所示。

表2 不同刀具破除排水板試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)比序號(hào)1—4組鋸齒刃齒刀破除排水板試驗(yàn)結(jié)果可知： 第3層低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速組拉拽力最小； 第4層高推進(jìn)速度、低刀盤轉(zhuǎn)速組拉拽力最大。因此，盾構(gòu)穿越排水板地層時(shí)，為了降低刀具拉拽排水板對(duì)地層的擾動(dòng)，宜采用低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)。

序號(hào)3、5、6組試驗(yàn)，均采用低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速工況，采用常規(guī)齒刀最大拉拽力的平均值約為1.35 kN，采用新型鋸齒刃齒刀約為0.84 kN，采用改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀的為0.28 kN。可見新型鋸齒刃齒刀對(duì)于降低刀具對(duì)排水板的拉拽力有一定的作用，但效果不明顯；采用改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀時(shí)，排水板承受拉拽力較小。

從推力、轉(zhuǎn)矩測(cè)試數(shù)據(jù)看，推力、轉(zhuǎn)矩與推進(jìn)速度具有正相關(guān)性。圖7示出第3組試驗(yàn)中推力、轉(zhuǎn)矩隨油缸位移的變化曲線，由推力、轉(zhuǎn)矩在破除排水板前后的變化可知，破除排水板工況時(shí)，推力無太大影響，但會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的增加。

圖7 試驗(yàn)組3推力、轉(zhuǎn)矩隨油缸位移變化曲線

Fig. 7 Curves of thrust force and torque varying with cylinder displacement in test group No. 3

不同試驗(yàn)參數(shù)和不同類型刀具破除含排水板的固結(jié)黏土地層試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明： 低推進(jìn)速度、高刀盤轉(zhuǎn)速，配置改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀進(jìn)行黏土地層排水板破除理論可行，但是應(yīng)注意在破除排水板過程中，雖然推力參數(shù)變化不大，但會(huì)引起轉(zhuǎn)矩參數(shù)的波動(dòng)，這對(duì)于減小地層擾動(dòng)不利。

5 排水板破除效果分析

從常規(guī)齒刀和新型鋸齒刃齒刀黏土切削效果看： 采用常規(guī)齒刀破除黏土，有明顯土脊，同時(shí)掌子面不整齊，土體不規(guī)則脫落；而采用新型鋸齒刃齒刀破除黏土，掌子面切削軌跡規(guī)律整齊，基本無土脊出現(xiàn)，如圖8所示。新型鋸齒刃齒刀刃角大于常規(guī)齒刀，相鄰刀具切削土體損傷疊加效應(yīng)明顯，更利于固結(jié)黏土切削。

(a) 常規(guī)齒刀破除黏土效果

(b) 鋸齒刃狀齒刀破除黏土效果

從排水板切斷效果試驗(yàn)看： 采用常規(guī)齒刀和新型鋸齒刃齒刀進(jìn)行排水板破壞時(shí)，排水板切口不整齊，明顯屬于拉應(yīng)力損壞；而采用焊接銳利刃鋸齒刀對(duì)排水板進(jìn)行破壞時(shí)，排水板切口規(guī)整，屬于典型的剪切切斷，如圖9所示。

一般軟土刀盤配置的常規(guī)齒刀(刃角80°)，適合大多數(shù)軟土切削；新型鋸齒刃齒刀(刃角100°)，刃角相對(duì)較大，且合金塊間存在間隙，利用切削碴土流動(dòng)，對(duì)于固結(jié)的硬塑黏土切削更有利；新設(shè)計(jì)試制的改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀，其刃頂銳利合金刃角30°，裙部刃角100°，這種分層立體設(shè)計(jì)樣刀，前置刀刃先行切斷排水板，后置較大角度的刃角保證了黏土的有效破除，更有利于黏土排水板地層施工。

(a) 常規(guī)齒刀切斷斷口

(b) 鋸齒刃齒刀切斷斷口

(c) 焊接銳利刃鋸齒刀切斷斷口

6 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)為寧波地鐵5號(hào)線1期工程建設(shè)提供了參考，結(jié)果表明： 1)盾構(gòu)穿越含排水板的固結(jié)黏土軟土路基時(shí)，在盾構(gòu)刀盤刀具配置合理、掘進(jìn)參數(shù)可控情況下，可以直接穿越通過； 2)盾構(gòu)刀具選型宜考慮在廠家定制類似改進(jìn)型焊接銳利刃鋸齒刀試驗(yàn)樣刀的軟土刀具，有利于排水板的有效切斷； 3)盾構(gòu)裝備參數(shù)選型時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速建議采用高低速控制方式； 4)為了減小排水板拉拽力、降低對(duì)地層的擾動(dòng)，施工中建議采用低推進(jìn)速度(保持小的貫入度)、高刀盤轉(zhuǎn)速掘進(jìn)，但應(yīng)注意刀盤轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，嚴(yán)格控制土艙平衡壓力，防止因轉(zhuǎn)矩過度波動(dòng)引起地層變形。

本研究中，排水板材料是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供參數(shù)新購的，現(xiàn)場(chǎng)地層中排水板的固結(jié)情況、老化程度等需要進(jìn)一步調(diào)查；另外，對(duì)于盾構(gòu)直接穿越排水板地層，高溫熔化、化學(xué)腐蝕等是新型的破除方法，其在盾構(gòu)裝備選型設(shè)計(jì)及工法可行性方面的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。