王海明 夏清華 黃福昌 張 浩

(中鐵十六局集團地鐵工程有限公司 北京 100073)

1 地質(zhì)情況介紹

北京西南地區(qū)處于永定河沖積扇中上部，隧道主要穿越7號無水大粒徑砂卵石地層，此種地層是一種典型的力學(xué)不穩(wěn)定地層，其基本特征表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)松散，呈大小不等的顆粒狀，砂卵石地層顆粒之間的孔隙大，顆粒之間的黏聚力為零。這種地層一旦被擾動，就極易破壞原來的相對穩(wěn)定或平衡的狀態(tài)，使開挖面或洞壁失去約束而產(chǎn)生不穩(wěn)定狀態(tài)。刀盤旋轉(zhuǎn)切削時，圍巖容易發(fā)生擾動，切削刀的開挖力傳遞到開挖部位周圍時，圍巖中的大塊卵石、礫石越多，粒徑越大，這種擾動程度則更大，特別是隧道頂部大塊卵石剝落會引起上覆地層的突然沉陷。

北京西南地區(qū)某標段盾構(gòu)隧道全線主要穿越第四系沉積土中的卵石層，此地段為典型的無水砂卵石地層，卵石顆粒密集，100 mm以上粒徑的卵石約占80%，最大粒徑達1700 mm，含砂量約30%，且隧道底部分布有厚約1000 mm的膠結(jié)巖層，強度較高(見圖1)。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)井及盾構(gòu)隧道施工地層

2 刀具優(yōu)化

無水大粒徑砂卵石地層進行土壓平衡盾構(gòu)施工，刀具磨損嚴重，主要表現(xiàn)在刮刀合金塊剝落、滾刀偏磨等情況。為減少開倉換刀次數(shù)，降低刀具成本，結(jié)合工程地層特點，針對各種刀具的磨損情況，對刀具合金形式和合金材質(zhì)分析后，對刀具的種類配備進行了全面優(yōu)化。

2.1 刮刀(齒刀和邊緣刮刀)

刮刀是軟土刀具，一般適用于粒徑小于400 mm的砂、卵石、黏土等松散體地層。

圖2 加強方形刮刀

針對砂卵石地層開挖面整體單軸抗壓強度較低，土質(zhì)疏松等特點，在邊緣刮刀及正面方形刮刀的主切削刃上，采用鑲嵌深度較大的大圓角硬質(zhì)合金塊(合金牌號 JZ10，硬度 HRA為88.0 ～90.0，耐磨性為 7.01/cm3)(見圖2)，以提高刀具的耐磨及耐沖擊的能力，刀具硬質(zhì)合金塊與渣土接觸面積大，可減小鋼基體的磨損量，延長刀具的使用壽命，同時可改變硬質(zhì)合金塊的角度，增加其貫入度，提高其切削土體的能力。

圖3 渣土流動軌跡線及后刀面磨損分析

在刀盤正反轉(zhuǎn)過程中，刮刀長距離地掘進，其后刀面磨損嚴重。在后刀面位置增加若干硬質(zhì)合金(見圖3)，可有效地削弱渣土對刀體的磨損。

2.2 貝殼刀

圖4 超大合金貝殼刀

貝殼刀實質(zhì)上是先行刀(見圖4)，主要是先行于刮刀犁動地層，可有效保護好刮刀，防止刀盤磨損。刀盤配置兩種貝殼刀:一種是可更換式貝殼刀，替代正面滾刀;另外一種是焊接式貝殼刀，焊接在刀盤上，主要分布在刀盤上大半徑區(qū)域，交錯分布。

由于大粒徑砂卵石地層對刀具的沖擊磨損大，為應(yīng)對這種對刀真高沖擊、高磨損的地層，采用焊接式強化先行刀，其工作高度高于切刀和邊緣刮刀，與滾刀工作高度一致。為了延長刀具的使用壽命，發(fā)揮其高耐磨特性，宜采用工作截面相對較小、刀體兩端焊接超大硬質(zhì)合金的貝殼刀，可以得到更小的分配扭矩，當遇到較大卵石時，還能相應(yīng)實現(xiàn)對卵石的“錘擊”破碎的作用。

2.3 保徑刀

刀盤外周圈為刀盤上工作距離最長的部位，最易磨損，當其直徑小于盾體直徑時，導(dǎo)致盾構(gòu)機推力增大、盾體磨損。保徑刀安裝或焊接在刀盤外周，與邊緣刮刀、外周耐磨板組合協(xié)同工作。對整個刀盤外周圈進行保護，外周保護刀高出外周耐磨板5～10 mm為宜，一般等分45°焊接刀盤外周(見圖5)。

圖5 保徑刀安裝位置

2.4 滾刀

滾刀破巖的原理是依靠刀具滾動產(chǎn)生剪切碾碎的作用達到破碎巖石的目的。在無水大粒徑砂卵石地層中，刀盤中心半徑在1.5 m范圍內(nèi)，刀箱里容易擠滿砂土，經(jīng)過壓密結(jié)塊形成泥餅，產(chǎn)生力矩阻止?jié)L刀轉(zhuǎn)動，造成滾刀偏磨或弦磨而失效，掘進中滾刀受力情況見圖6。因此在半徑1.5 m范圍內(nèi)多采用貝殼刀，其余部分仍采用滾刀。

圖6 滾刀受力圖

無水大粒徑砂卵石地層中滾刀宜采用轉(zhuǎn)動扭矩小(約25 Nm)、刀轂面較寬的合金鋼圈來增加其破碎亂石的能力，延長刀具的使用壽命。

3 土體改良

在盾構(gòu)始發(fā)階段雖然進行了常規(guī)的土體改良，但因土體不能達到流塑狀態(tài)而無法建立真正的土壓平衡，且盾構(gòu)機刀盤進土口渣土易凝結(jié)成餅(見圖7)，導(dǎo)致刀盤扭矩為4500～7000 kNm，推力一般為13000～17000 kN，掘進速度只有1～10 mm/min，而且經(jīng)常出現(xiàn)無掘進速度的現(xiàn)象，超挖現(xiàn)象難以控制。

圖7 盾構(gòu)機刀盤進土口處泥餅

3.1 優(yōu)化后土體改良措施

3.1.1 注入泡沫

根據(jù)本工程具體的地層特點，經(jīng)過大量的配比試驗(見圖8)，主要從泡沫劑的類型、種類、注入?yún)?shù)等方面進行了優(yōu)化，將以前單純的泡沫劑更換為SLF30+10%SLFP1型泡沫劑，同時加入了Rheosoil143發(fā)泡聚合物及HHZ-02分散型泡沫劑，采取多種改良材料共同對掌子面土體進行塑流化改良。泡沫注入?yún)?shù)調(diào)整為:膨脹率(FER)值在1∶10 ～1∶20，注入比(FIR)值在40% ～80%，泡沫流量在400～600 L/min，但需根據(jù)掌子面地層情況及時調(diào)整注入?yún)?shù)。在這幾種措施的綜合作用下，渣土的流塑性得到了有效改善，土壓平衡得以真正建立，刀盤的扭矩也由以前的20 MPa降至15 MPa，并且排土順暢，效果明顯。

圖8 泡沫劑配比試驗

3.1.2 注入膨潤土

根據(jù)本工程具體的地層特點，經(jīng)過多種嘗試(見圖9)，最終選用更加適用于無水砂卵石地層條件的鈉基優(yōu)質(zhì)膨潤土、純堿和羧甲基纖維素鈉(簡稱CMC)的混合漿液來代替原先的純膨潤土漿液，優(yōu)化后混合膨潤土漿液(質(zhì)量)配比為水∶膨潤土∶CMC=1000∶80∶2;發(fā)酵膨化時間最少保持在18 h以上，最佳為24 h，使其充分溶解發(fā)酵，黏稠度以50～60 s為最佳。

圖9 膨潤土配置池及泥漿黏度測定

3.1.3 注入水

1)一定壓力的水注射到掌子面土體內(nèi)，使沖刷下來的、流動性好的土體能及時通過開口率較小的刀盤面板進入土倉，減少了刮刀、齒刀的磨損。

2)冷卻刀盤面板上的各種刀具，特別是刀具的硬質(zhì)合金部分。

3)水與潤滑劑的混合液具有減摩作用，可降低刀盤扭矩，延長刀具使用壽命。

4)加在刀盤前方的水隨土體進入土倉內(nèi)，在刀盤后方攪拌棒的作用下，土體流動性加大，有利于順利出土，可減少卵石對螺旋機螺桿和葉片的磨損。

針對刀盤每次凝結(jié)泥餅的情況，在容易形成泥餅的部位(或其附近)增設(shè)3根加水管路，水量注入的大小需根據(jù)出渣情況及時調(diào)整。

3.2 優(yōu)化后土體改良效果

1)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施，渣土的流塑性得到了有效改善(見圖10)。

圖10 土體改良措施優(yōu)化前后渣土

2)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施，土壓平衡得以真正建立，刀盤的扭矩由優(yōu)化以前的20 MPa降至15 MPa(見圖11)。

3)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施后，盾構(gòu)掘進速度有了大幅度的提高，平均掘進速度由優(yōu)化前的1～10 mm/min提高至40mm/min，最大可達70 mm/min(見圖12)。

圖12 土體改良措施優(yōu)化前后掘進速度對比

4)土體改良措施經(jīng)優(yōu)化實施后，盾構(gòu)機推力有了大幅度下降，推力由優(yōu)化前的11000～17000 kN下降至7000 kN(見圖13)。

圖13 土體改良措施優(yōu)化前后盾構(gòu)機推力對比

4 無水大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)選型的建議

通過本區(qū)間的盾構(gòu)施工，證明加泥式土壓平衡盾構(gòu)機對無水大粒徑砂卵石地層有一定的適應(yīng)性，并曾創(chuàng)造了單班掘進12環(huán)(1.2 m/環(huán))的紀錄。

4.1 選擇復(fù)合式刀盤的成效與問題

本工程運用優(yōu)化后的刀盤及刀具之后，大大降低了施工中的換刀次數(shù)，提高到420 m不換刀，降低了因刀盤周邊部分磨損而產(chǎn)生的盾構(gòu)機推力大、盾體磨損加劇等問題，但由于刀盤采用中間支撐的形式，且中間位置開口小，渣土難以置換，造成中間位置易結(jié)泥餅。

4.2 刀盤驅(qū)動功率的選擇

刀盤驅(qū)動形式主要分為變頻電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動及定速電機驅(qū)動。

鑒于定速電機驅(qū)動，刀盤轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，目前一般不采用;變頻驅(qū)動價格昂貴，多用于大直徑盾構(gòu)機;液壓驅(qū)動較變頻電機驅(qū)動而言，具有調(diào)速靈活、控制簡單、液壓馬達體積小、安裝方便、價格低、啟動力矩小等優(yōu)點，在目前的中小型盾構(gòu)上廣泛使用。

在大粒徑砂卵石地層中掘進時，刀盤扭矩經(jīng)常超過220 MPa，出現(xiàn)刀具卡死等情況。本工程盾構(gòu)選型時采用液壓驅(qū)動，配有3個315 kw的電機，9個3級液壓馬達以增大驅(qū)動功率，提高脫困扭矩。主軸承選用配有潤滑系統(tǒng)的直徑為3 m的主軸承，支撐方式采用3排軸向滾軸，增大了驅(qū)動單元的驅(qū)動能力及抗疲勞強度，可防扭矩過大造成損壞(見圖14)。

圖14 本工程采用的盾構(gòu)機主軸承及驅(qū)動馬達

4.3 帶式螺旋運輸機選型的論證

當水壓大于0.3 MPa時，宜采用泥水盾構(gòu);小于0.3 MPa時多采用土壓平衡盾構(gòu)。選用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機必須對螺旋機進行考慮，螺旋機直徑與帶距根據(jù)進入土倉卵石的粒徑大小來選擇，需保證土倉內(nèi)大粒徑卵石能順利從螺旋機中排出。

本工程配備與礫石直徑條件相適應(yīng)的螺旋輸送機排除礫石，開口尺寸達到800 mm，能滿足290 mm×520 mm的漂石直接通過。

螺旋機鋼結(jié)構(gòu)為重型設(shè)計并有專門的耐磨保護，螺旋機筒體內(nèi)前段及前半部分螺旋葉片上有焊接式Hardox耐磨保護(見圖15)，以延長螺旋機的使用壽命。

圖15 螺旋機焊接的耐磨塊

無軸式螺旋運輸機能夠適應(yīng)較大粒徑卵石的排出，但其本身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致脫困扭矩小。北京西南地區(qū)隧道穿越的密集大粒徑卵石可能會造成螺旋機旋轉(zhuǎn)時扭矩超限卡死，在北京地鐵9號線某標曾采用無軸螺旋機，致使在盾構(gòu)施工過程中螺旋機中間焊接處扭斷。

圖16 螺旋葉片部分的檢查及補焊

本工程選用帶式螺旋機采取的加焊耐磨塊措施，雖然有效地延緩了砂卵石對螺旋機造成的磨損，但仍不能避免螺旋機的磨損，圖16為換刀過程中對螺旋機螺旋葉片部分的檢查及補焊。

4.4 無水大粒徑砂卵石地層盾構(gòu)選型的建議

國內(nèi)外類似地層盾構(gòu)施工的實例及采用的加泥式土壓平衡盾構(gòu)產(chǎn)生的效果表明，此類地層選用土壓平衡盾構(gòu)機仍存在不可解決的問題。

推力及扭矩過大，刀盤對地層造成長時間的擾動，容易造成地表沉降;土體改良成功是以添加大量昂貴的材料為基礎(chǔ);刀盤、刀具及螺旋機不可避免地產(chǎn)生磨損。

針對無水砂卵石地層的特點，建議選用泥水盾構(gòu)或敞開式盾構(gòu)。

泥水平衡盾構(gòu)機對場地限制較大，盾構(gòu)施工成本較高，且與土壓平衡盾構(gòu)機一樣對于刀具磨損、頻繁換刀等問題仍不能真正解決;敞開式盾構(gòu)針對無水砂卵石地層，可以避免以上問題，敞開式盾構(gòu)較泥水盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)具有以下優(yōu)點:

1)敞開式盾構(gòu)科技含量少，可以國產(chǎn)化，成本低。

2)敞開式盾構(gòu)(見圖 17)，無刀具，不存在刀具磨損、增加換刀成本及結(jié)泥餅情況。

3)根據(jù)北京西南地區(qū)車站、暗挖隧道揭露的地質(zhì)情況來看，掌子面的自穩(wěn)性較好(見圖18)，地層基本處于無水狀態(tài)，進行敞開式盾構(gòu)施工無需輔以壓氣、降水等措施，部分砂層可輔以注漿加固等措施，控制地面因擾動產(chǎn)生的沉降。

4)敞開式盾構(gòu)無需渣土改良，挖掘狀態(tài)為干狀態(tài)，且敞開式盾構(gòu)的開挖面可形成多種斷面形式(如敞開式網(wǎng)格盾構(gòu))，大粒徑卵石無需破碎，出土效率高，可日掘進13.5 m。

5)敞開式盾構(gòu)掌子面裸露，人員可直接了解掌子面情況，能夠更及時、更快、更準確地調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)。

6)敞開式盾構(gòu)斷面類型豐富，可根據(jù)隧道斷面來設(shè)計盾構(gòu)機形式。

5 小結(jié)

1)加泥式土壓平衡盾構(gòu)機對無水大粒徑砂卵石地層有一定的適應(yīng)性。

2)在無水大粒徑砂卵石地層中進行盾構(gòu)施工，對刀具磨損嚴重、刀盤中心部位易結(jié)泥餅等問題雖有一定效果，但仍值得研究。

3)在無水大粒徑砂卵石地層中采用敞開式或半敞開式盾構(gòu)機具有可行性。

［1］ Maidl B，Herrenknecht M，Anheuser L，etal.Mechanised shield tunnelling［M］.德國，1996.

［2］周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］樂貴平.淺談北京地區(qū)地鐵隧道施工用盾構(gòu)機選型［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003:17-33.

［4］何其平.土壓平衡盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)探討［J］.工程機械，2003(11):14-20，3.

［5］張國京.北京地區(qū)土壓式盾構(gòu)刀具的適應(yīng)性分析［J］.市政技術(shù)，2005(23):12-16.

［6］胡顯鵬，袁大軍.無水砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)添加劑研究［J］.都市快軌交通，2006(增刊).