青島地鐵盾構(gòu)刀盤與地層適應(yīng)性研究

韓 旭 王旭春 曹云飛 吳文瑞 滕宏偉

青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山東 青島 266033

盾構(gòu)法施工越來越受到國內(nèi)外隧道建設(shè)的重視以及青睞，盾構(gòu)刀盤的主要功能有穩(wěn)定工作面、攪拌土砂以及開挖土體，刀盤的配置和選型很大程度上依賴施工經(jīng)驗(yàn)，合理的刀盤結(jié)構(gòu)及形式能夠提高盾構(gòu)的開挖效率和使用壽命，并且能夠降低一定的刀具費(fèi)用。詹金武等[1]通過對復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)與地層的適應(yīng)性進(jìn)行研究，對復(fù)合地層的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，通過掘進(jìn)效果，表明了該盾構(gòu)的刀盤與地質(zhì)條件具有良好的適應(yīng)性；李茂松[2]改造了盾構(gòu)的刀具布置以及刀盤的結(jié)構(gòu)形式等，改造后的刀盤提升了掘進(jìn)性能，具有更良好的適應(yīng)性，給類似地層的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)以及盾構(gòu)施工提供了相應(yīng)的參考；夏毅敏等[3]針對盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性配刀的復(fù)雜性與模糊性，提出一種基于模糊數(shù)學(xué)理論的地質(zhì)適應(yīng)性配刀方法并應(yīng)用到工程中，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性；寧銳等[4]對盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，通過對盾構(gòu)的掘進(jìn)性能研究，分析并驗(yàn)證了該刀盤與復(fù)合地質(zhì)的適應(yīng)性；江華等[5]通過原型試驗(yàn)得到在大粒徑卵礫石地層中，輻條式刀盤的適應(yīng)性要比面板式刀盤的適應(yīng)性好，而且參數(shù)控制更加穩(wěn)定的結(jié)論，該結(jié)論的得出也是依賴于對現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)的對比研究；徐前衛(wèi)等[6]對盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)在不同地層條件下的適應(yīng)性進(jìn)行了相應(yīng)的研究，該研究是依賴于模型試驗(yàn)以及相似理論的原理，對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)進(jìn)行了相應(yīng)的模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并得出了一些實(shí)用的結(jié)論；宋克志等[7]對2種基本刀盤形式在刀盤負(fù)荷、刀盤土艙構(gòu)造及地層適應(yīng)性等方面進(jìn)行了比較和分析。現(xiàn)有研究對盾構(gòu)穿越多種復(fù)雜地層的刀盤適應(yīng)性研究較少，且在不同地層中的刀盤適應(yīng)性對比方面缺乏相應(yīng)的理論依據(jù)。

本文以青島地鐵4號線靜沙區(qū)間盾構(gòu)工程為依托，針對不同地層條件，采用CE6250型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，通過對刀盤結(jié)構(gòu)形式以及該區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)的研究，對盾構(gòu)刀盤與不同地層的適應(yīng)性進(jìn)行評價(jià)。

1 靜沙區(qū)間地層概況

1.1工程概況

靜沙區(qū)間位于青島市嶗山區(qū)靜港路站至沙子口站之間。區(qū)間線路出靜港路站后，沿李沙路路中向南敷設(shè)，線路在YDK25＋100.000附近偏離李沙路，向東方向敷設(shè)，從東尖山西北側(cè)下方穿越后，往沙子口鎮(zhèn)方向前進(jìn)，在沙子口鎮(zhèn)中心空地到達(dá)沙子口站。靜沙區(qū)間左線全長1 123.531 m（礦山段452.1 m、盾構(gòu)段687.5 m），右線全長1 143.346 m（右線礦山段504.8 m、右線盾構(gòu)段634.8 m），靜沙區(qū)間平面如圖1所示。

圖1 靜沙區(qū)間平面示意

1.2工程地質(zhì)水文地質(zhì)情況

靜沙區(qū)間場地地形地貌受人工改造較大，跨越河流階地區(qū)、構(gòu)造剝蝕區(qū)及濱海堆積區(qū)，地形較平坦，區(qū)間盾構(gòu)段主要穿越12 1層碎石土、11 層粉質(zhì)黏土和18 8層微風(fēng)化凝灰?guī)r，局部穿越上軟下硬地層。本工程地下水類型主要為第四系潛水、第四系承壓水和基巖裂隙水，其中第四系潛水、第四系承壓水向下補(bǔ)給基巖裂隙水。

1.3隧道穿越地層分析

靜沙區(qū)間左線隧道總環(huán)數(shù)為761環(huán)，目前盾構(gòu)已掘進(jìn)至532環(huán)，區(qū)間隧道依次穿越粉質(zhì)黏土與碎石土復(fù)合地層、碎石土地層、微風(fēng)化凝灰?guī)r地層。其中穿越粉質(zhì)黏土與碎石土復(fù)合地層占比最高，達(dá)到52.17%，其次是碎石土地層，占比26.09%，最后是微風(fēng)化凝灰?guī)r地層，占比21.74%。

2 靜沙區(qū)間盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)

2.1刀盤結(jié)構(gòu)形式

1）面板式刀盤。選用面板式刀盤的優(yōu)點(diǎn)是由于該刀盤結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使得進(jìn)入土倉的卵礫石的直徑能夠得到有效的限制；缺點(diǎn)是在進(jìn)行隧道開挖時，由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得開挖面的土壓力較難控制，這就造成了對土壓力的管理控制較為困難。盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中刀盤面板受到開口率的限制，容易造成黏結(jié)堵塞等問題，降低了刀盤刀具的使用壽命。

2）輻條式刀盤。輻條式刀盤與面板式刀盤相比能夠較好地控制土壓，因?yàn)檩棗l式刀盤僅有幾根輻條，開口率較大，而且沒有面板的阻礙，所以切削下來的渣土能夠順利進(jìn)入土倉而沒有壓力的衰減，且在輻條后設(shè)置了攪拌頁，保證了砂土的流動性，這樣就使得土壓力得到較好的控制，從而對地面的沉降進(jìn)行有效控制。輻條式刀盤更適用于砂、土等單一的軟土地層，且刀具的負(fù)荷較小，使用的壽命比較長。

3）復(fù)合式刀盤。復(fù)合式刀盤具有前兩者的優(yōu)點(diǎn)，既能有效保證開挖面的穩(wěn)定性，又具有較大的刀盤開口率，并可以同時安裝盤形滾刀和切削型刀具，對青島地區(qū)復(fù)雜地層具有良好的地質(zhì)適應(yīng)性。

2.2盤形滾刀

盾構(gòu)滾刀有齒形滾刀和盤形滾刀這2種滾刀形式，被廣泛應(yīng)用在盾構(gòu)上的為盤形滾刀。盤形滾刀根據(jù)滾刀刀圈的數(shù)量分為3種形式，分別為單刃滾刀、雙刃滾刀及多刃滾刀。

盾構(gòu)在較軟的地層掘進(jìn)時一般用的是雙刃滾刀，但在硬巖地層中掘進(jìn)時采用的是單刃滾刀。盤形滾刀又可根據(jù)刀圈的材質(zhì)分為多種不同形式的滾刀，分別為耐磨層表面刀圈、標(biāo)準(zhǔn)鋼刀圈、重型鋼刀圈以及鑲齒硬質(zhì)合金刀圈滾刀等。4種刀圈適應(yīng)性見表1。盤形滾刀的標(biāo)準(zhǔn)尺寸規(guī)格一般根據(jù)隧道的開挖直徑來選擇，如表2所示。

表1 不同滾刀刀圈適應(yīng)性

表2 滾刀尺寸與隧道直徑的對應(yīng)關(guān)系

2.3刀具的布置

在復(fù)合刀盤掘進(jìn)過程中，滾刀具有先導(dǎo)破巖的作用，切刀主要用來切削未固結(jié)的土壤，并把切削土刮入土倉中。因此，為了能夠獲得最大的破巖能力以及最大程度地減小刀具的磨損，應(yīng)對相鄰滾刀的刀間距進(jìn)行合理、有效的布置，不同地層中的滾刀間距如表3所示。

表3 不同地層中的滾刀間距

2.4靜沙區(qū)間刀盤布置

靜沙區(qū)間采用CE6250型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤形式為復(fù)合式刀盤，且刀盤采用高強(qiáng)度鋼板和耐磨材料焊接而成，在適應(yīng)當(dāng)前區(qū)間地層施工的同時，考慮了最大的通用性，針對全斷面巖石區(qū)間段，采用6輻條硬巖刀盤方案，中間支撐，開口率33%。滾刀選擇17#及18#標(biāo)準(zhǔn)滾刀，與盾構(gòu)隧道開挖直徑相適應(yīng)，針對硬巖段，采用重型刀圈鑲嵌硬質(zhì)合金的滾刀。中心滾刀間距90 mm，正面滾刀間距85 mm。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖2所示，刀盤技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 刀盤技術(shù)參數(shù)

圖2 刀盤示意

3 盾構(gòu)刀盤與地質(zhì)適應(yīng)性初步評價(jià)

CE6250型復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤適應(yīng)性分析如下：

1）滾刀選擇17#及18#標(biāo)準(zhǔn)滾刀，與盾構(gòu)隧道開挖直徑6 280 mm相適應(yīng)。

2）用高強(qiáng)度鋼板和耐磨材料焊接而成的刀盤，提高了施工的安全性，同時配備的高破巖能力滾刀可使刀盤在復(fù)雜地層中具有更良好的適應(yīng)性。滾刀與齒刀能夠完全互換安裝，這也使得刀盤在掘進(jìn)過程中更具靈活性。

3）針對區(qū)間穿越硬巖地層，刀盤上單刃滾刀和中心雙聯(lián)滾刀全部更換成重型刀圈鑲嵌硬質(zhì)合金的滾刀，母體硬度為HRC40，重型刀圈硬度均為HRC58～60，刀圈和刀轂加耐磨焊，增加耐磨焊后刀具耐磨性也增加，且具有一定的抗沖擊能力，磨蝕性高，能夠在上軟下硬和硬巖地層掘進(jìn)時增加工效。

4）為了防止切刀、貝殼刀以及邊刮刀在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)磨損較快的問題以及提高刀具的耐沖擊性能，對3種刀具采用了合金設(shè)計(jì)，刀座的背部也采用了耐磨的焊層及保護(hù)塊，可以較好地保護(hù)刀座。配置的刀具在各種地層的掘進(jìn)過程中分別起到開挖、收渣及倒流作用。

5）針對全斷面巖石區(qū)間段，采用6輻條硬巖刀盤方案，中間支撐，開口率33%，中心區(qū)域開口率38%，可以有效避免刀盤結(jié)泥餅的不良工作狀態(tài)。

綜上所述，借鑒已有的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和青島復(fù)合地層中盾構(gòu)施工的成功經(jīng)驗(yàn)，CE6250型復(fù)合式土壓盾構(gòu)機(jī)的刀盤具有良好的適應(yīng)性。

4 不同地層盾構(gòu)刀盤與地質(zhì)適應(yīng)性評價(jià)

4.1復(fù)合地層盾構(gòu)刀盤與地質(zhì)適應(yīng)性評價(jià)

靜沙區(qū)間左線施工段以粉質(zhì)黏土與碎石土復(fù)合地層為主，盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土和碎石土復(fù)合地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進(jìn)速度如圖3所示。

圖3 復(fù)合地層掘進(jìn)參數(shù)變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時，盾構(gòu)總推力控制在9 300～15 300 kN，刀盤扭矩控制在1 400～4 000 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，貫入度控制在15～55 mm/r，掘進(jìn)速度控制在15～56 mm/min，且平均掘進(jìn)速度控制在41 mm/min，這表明在技術(shù)性能范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)取得了良好的掘進(jìn)速度，即刀盤對該地質(zhì)條件具有良好的適應(yīng)性。

3）盾構(gòu)在穿越該地層時的總推力、刀盤扭矩及掘進(jìn)速度變化相對較穩(wěn)定，盾構(gòu)處于一個安全、高效率的工作狀態(tài)，可看出刀盤對該地質(zhì)條件有較好的適應(yīng)性。

4.2碎石土地層盾構(gòu)刀盤與地質(zhì)適應(yīng)性評價(jià)

盾構(gòu)穿越碎石土地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進(jìn)速度如圖4所示。

圖4 碎石土地層速度變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時，盾構(gòu)總推力及刀盤扭矩皆趨于大致穩(wěn)定的狀態(tài)，盾構(gòu)總推力控制在10 000～15 000 kN，刀盤扭矩控制在1 100～3 900 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，貫入度控制在10～57 mm/r，掘進(jìn)速度控制在9～59 mm/min，且平均掘進(jìn)速度控制在40 mm/min，表明在技術(shù)性能范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度良好，即刀盤對該地質(zhì)條件的適應(yīng)性良好。

3）盾構(gòu)在121～170環(huán)掘進(jìn)過程中的總推力、刀盤扭矩及掘進(jìn)速度變化相對來說都比較穩(wěn)定，掘進(jìn)到171～180環(huán)時掘進(jìn)速度呈直線下降，原因是地質(zhì)勘探存在一定誤差，掘進(jìn)至171環(huán)時刀盤已接觸到硬巖，從而使得掘進(jìn)速度產(chǎn)生較大幅度的變化。

4.3微風(fēng)化凝灰?guī)r地層盾構(gòu)刀盤與地質(zhì)適應(yīng)性評價(jià)

盾構(gòu)穿越微風(fēng)化凝灰?guī)r地層段的總推力、刀盤扭矩、貫入度和掘進(jìn)速度如圖5所示。

圖5 微風(fēng)化凝灰?guī)r地層速度變化曲線

從圖中可以看出：

1）盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時，盾構(gòu)總推力及刀盤扭矩皆趨于大致穩(wěn)定的狀態(tài)，盾構(gòu)總推力控制在5 000～14 000 kN，刀盤扭矩控制在1 010～3 330 kN·m，小于裝備推力39 894 kN及刀盤裝備扭矩5 794 kN·m。

2）盾構(gòu)在復(fù)合地層中掘進(jìn)時，貫入度控制在2.5～10 mm/r，掘進(jìn)速度控制在3～11 mm/min，且平均掘進(jìn)速度控制在6.83 mm/min，能夠明顯看出盾構(gòu)在硬巖地層中掘進(jìn)時的掘進(jìn)速度較其他2種地層低，但總體也能控制在一個較理想的范圍，即刀盤對該地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好。

4.4盾構(gòu)穿越地層適應(yīng)性對比研究

由于盾構(gòu)總推力及刀盤扭矩還受掘進(jìn)速度和貫入度的影響，因此，為了消除掘進(jìn)速度和貫入度對盾構(gòu)總推力的影響，將盾構(gòu)總推力及刀盤扭矩進(jìn)行歸一化處理，得到地層識別參數(shù)場切深指數(shù)FPI（FPI＝盾構(gòu)總推力/貫入度）、扭矩切深指數(shù)TPI（TPI＝刀盤扭矩/貫入度），如圖6所示。從圖中可以看出，微風(fēng)化凝灰?guī)r的場切深指數(shù)FPI為復(fù)合地層及碎石土地層的5～6倍，扭矩切深指數(shù)TPI為復(fù)合地層及碎石土地層的4.5～5.5倍，以上表明：盾構(gòu)在硬巖地層中掘進(jìn)時的單位貫入度需比其他2種地層消耗5～6倍的盾構(gòu)總推力，且在硬巖地層中掘進(jìn)時的刀盤單位貫入度需比其他2種地層消耗4.5～5.5倍的扭矩，即盾構(gòu)在復(fù)合地層及碎石土地層中的開挖效率更高。

圖6 3種地層FPI和TPI的變化曲線

5 結(jié)語

1）依據(jù)盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和青島地區(qū)不同地層中盾構(gòu)施工的成功經(jīng)驗(yàn)，從刀具選型、刀具布置、刀盤結(jié)構(gòu)形式等方面表明了3種不同地質(zhì)條件與CE6250型復(fù)合式土壓盾構(gòu)機(jī)刀盤之間的適應(yīng)性。盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)表明，在技術(shù)性能范圍內(nèi)，CE6250型復(fù)合式土壓盾構(gòu)機(jī)取得了較高的掘進(jìn)速度，盾構(gòu)刀盤對3種不同地質(zhì)條件均具有良好的適應(yīng)性。

2）盾構(gòu)在復(fù)合地層及碎石土地層中取得的41 mm/min和40 mm/min的平均掘進(jìn)速度優(yōu)于在微風(fēng)化凝灰?guī)r地層中6.83 mm/min的平均掘進(jìn)速度，即盾構(gòu)刀盤在復(fù)合地層及碎石土地層中的適應(yīng)性更好，對盾構(gòu)隧道開挖工期的控制更有把握。

3）盾構(gòu)在復(fù)合地層、碎石土地層及微風(fēng)化凝灰?guī)r地層中的FPI平均值分別為351、390及2 080，TPI平均值分別為74、86及405，即貫入度相同的條件下，盾構(gòu)在微風(fēng)化凝灰?guī)r地層中掘進(jìn)時刀盤要消耗更大的推力和刀盤扭矩。進(jìn)一步表明，在3種地層條件下，盾構(gòu)刀盤在復(fù)合地層及碎石土地層中的適應(yīng)性更好。