摘要：

大粒徑卵礫石地層是北京地鐵修建過(guò)程中開(kāi)挖難度最大的地層之一，給土壓平衡盾構(gòu)施工造成了一系列的難題。刀盤(pán)是土壓平衡盾構(gòu)的重要構(gòu)件之一，合理的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式是大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構(gòu)高效、可靠運(yùn)行的前提。為了找出適用于大粒徑卵礫石地層的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式，以北京地鐵九號(hào)線盾構(gòu)工程為背景，開(kāi)展大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)挖原型試驗(yàn)，基于“北京地鐵盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)管理系統(tǒng)”和“北京地鐵建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系”收集盾構(gòu)關(guān)鍵施工參數(shù)，以現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有基礎(chǔ)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)效能、盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性及刀具磨損情況進(jìn)行了對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：1）大粒徑砂卵石地層輻條式刀盤(pán)適應(yīng)性更好，掘進(jìn)效率更高，對(duì)刀具的磨損控制更為有利；2）輻條式刀盤(pán)可適當(dāng)增大開(kāi)口率至55%～65%；3）大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤(pán)比面板式土壓力控制更加穩(wěn)定；提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度的同時(shí)，應(yīng)注意盾構(gòu)土壓力的控制，合理的盾構(gòu)推進(jìn)速度應(yīng)為20～60 mm/min。

關(guān)鍵詞：

大粒徑卵礫石地層；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；面板式；輻條式；地層適應(yīng)性

中圖分類(lèi)號(hào)：

TU 94.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-4764（2014）05-0119-06

Cutting Wheel Structure Selection of EPB TBM and Its Adaptability Evaluation in Large Particle Size Gravel Strata

Jiang Hua1，2， Jiang Yusheng1， Zhang Jinxun2，Yang Zhiyong1

（1. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083， P.R.China； 2. Postdoctoral Programme， Beijing Urban Construction Group Co.，Ltd，Beijing 10088，P.R.China）

Abstract：

Large particle size gravel strata layer is very difficult for TBM construction which brings about a series of problems for EPB TBM advancing in Beijing Metro. Cutting wheel is an important component of EPB TBM and cutting wheel with reasonable structure is essential for EPB TBM to advance steadily and effectively in large particle size gravel strata. In-situ EPB TBM advancing tests are carried out in large two adjacent shield interval where the strata conditions make it possible to find out the most efficient cutting wheel structure by monitoring key parameters through Real-time Information Management System. Based on the analysis and comparison of advancing efficiency， strata adaptability of key parameters and tools wearing， the following conclusions can be obtained： 1） Spoke cutting wheel has better strata adaptability and higher efficiency than panel cutting wheel as well as more advantages in controlling tools wearing. 2） open ratio ranging from 55% to 65% is the reasonable for cutting wheel. 3） Advancing speed and earth pressure are very important for EPB TBM construction. Compared with panel cutting wheel， spoke cutting wheel can obtained higher advancing speed and more stable earth pressure in tests. However the change of earth pressure should also be paid attention when EPB TBM advancing in fast speed. The advancing speed should be controlled in the range of 20 to 60 mm/min.

Key words：

large size gravel stratum； in-situ tests； panel-type； spoke-type； stratum adaptability

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，盾構(gòu)工法以安全、高效、機(jī)械性能高、對(duì)周?chē)h(huán)境及地層擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸取代明挖、淺埋暗挖等工法，成為城市地下隧道修建的首選工法。但盾構(gòu)要充分發(fā)揮其最佳設(shè)計(jì)性能，盾構(gòu)選型至關(guān)重要，盾構(gòu)選型不僅僅與盾構(gòu)施工成本、盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度有關(guān)，嚴(yán)重時(shí)還能影響整個(gè)工程的成敗。刀盤(pán)位于土艙的前部，直接與開(kāi)挖土體接觸，一方面具有切削和排出渣土的功能，另外刀盤(pán)本身還具有支護(hù)掌子面的功能。因此，刀盤(pán)選型是盾構(gòu)選型的關(guān)鍵，而刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)型式是盾構(gòu)選型時(shí)需要確定的主要指標(biāo)，是影響掘進(jìn)性能的決定性因素。目前國(guó)內(nèi)外常用的盾構(gòu)刀盤(pán)型式主要有輻條式和面板式兩種，在各種土層中采用哪種型式刀盤(pán)更合理一直是盾構(gòu)對(duì)地層適應(yīng)性研究的重要內(nèi)容[1-3]。

目前，尚沒(méi)有定量地計(jì)算分析刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式對(duì)地層適應(yīng)性的文獻(xiàn)，大多數(shù)研究主要基于模型試驗(yàn)，并取得了一系列的研究成果。如徐前衛(wèi)等[4-5]以北京地區(qū)砂土地層為研究對(duì)象，通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)模型試驗(yàn)得出刀盤(pán)開(kāi)口率是盾構(gòu)掘進(jìn)性能的重要影響因素，應(yīng)根據(jù)地層對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)。胡國(guó)良等^[6]研究了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層的相互關(guān)系，分析了刀盤(pán)開(kāi)口率與刀盤(pán)扭矩的相互影響規(guī)律。王洪新等[7-11]開(kāi)展了盾構(gòu)模型試驗(yàn)，研究了刀盤(pán)開(kāi)口率對(duì)盾構(gòu)推力、刀盤(pán)扭矩、出土量的影響。宋克志等^[12]研究了刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式及工程適應(yīng)性特征，重點(diǎn)對(duì)輻條式和面板式刀盤(pán)進(jìn)行了對(duì)比研究。

然而，盾構(gòu)是一種機(jī)械化、專(zhuān)業(yè)化程度較高的隧道開(kāi)挖設(shè)備，由于室內(nèi)模型試驗(yàn)容易受到模型尺寸、設(shè)備相似度、開(kāi)挖材料及測(cè)量精度等因素的限制，模型隧道開(kāi)挖試驗(yàn)很難得到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果。因此，開(kāi)展盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)，是得到精度的盾構(gòu)以北京地鐵九號(hào)線大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)工程為背景，基于北京地鐵建設(shè)安全技術(shù)管理體系，選取2個(gè)地層條件類(lèi)似的標(biāo)段開(kāi)展盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)對(duì)比研究，通過(guò)研究輻條式和面板式兩種常用刀盤(pán)在大粒徑卵礫石地層中的適應(yīng)性特征，總結(jié)出大粒徑卵礫石地層適應(yīng)性更好的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式，為將來(lái)類(lèi)似工程刀盤(pán)的設(shè)計(jì)、選型提供參考。

1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖試驗(yàn)

1.1 盾構(gòu)試驗(yàn)條件

1）地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間

北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間隧道左線長(zhǎng)為746 m，采用海瑞克S488的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開(kāi)挖直徑6.26 m，采用面板式刀盤(pán)，開(kāi)口率約為42%。盾構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層，屬于大粒徑卵礫石地層，大粒徑卵礫石含量高，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%，其中漂石最大粒徑380 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。地層中無(wú)地下水。

2）地鐵九號(hào)線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間

北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間隧道左線長(zhǎng)度1 030 m，采用石川島的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開(kāi)挖直徑6.26 m，刀盤(pán)為輻條式結(jié)構(gòu)，開(kāi)口率約為60%，盾構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層，大粒徑卵礫石的含量與02標(biāo)基本相同，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%；地層中揭露漂石最大粒徑400 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程分析

為盡量真實(shí)的反映盾構(gòu)設(shè)備與地層的適應(yīng)性特征，現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)的選取盡量貼近實(shí)際工程施工控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要分兩個(gè)階段：第1階段，北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；第2階段，北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間掘進(jìn)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)安排如下所示：

1）第1階段試驗(yàn)總歷時(shí)105 d，2010年1月17日試驗(yàn)盾構(gòu)始發(fā)，2010年5月1日試驗(yàn)盾構(gòu)到達(dá)，平均掘進(jìn)速度每天5.9環(huán)，最大掘進(jìn)速度每天14環(huán)。

2）第2階段試驗(yàn)總歷時(shí)121 d， 2011年2月21日盾構(gòu)始發(fā)，2011年6月20日試驗(yàn)盾構(gòu)到達(dá)，平均掘進(jìn)速度每天7.0環(huán)，最大掘進(jìn)速度每天31環(huán)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定、控制以“北京地鐵建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系”為準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)采集利用“盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程如下：

1）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過(guò)預(yù)先布設(shè)的光纖將地下隧道盾構(gòu)工控機(jī)上自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)傳輸至地面電腦；

2）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過(guò)Internet數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的從現(xiàn)場(chǎng)地面電腦傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器（設(shè)置在北京地鐵公司）；

3）利用“盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)”訪問(wèn)服務(wù)器，對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析和處理。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖1所示。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)效能對(duì)比研究

面板式刀盤(pán)開(kāi)口率較小，大多小于45%，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤(pán)開(kāi)口率的限制，不僅刀盤(pán)前方的大粒徑卵礫石很難快速進(jìn)入土艙，并順暢的通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出；而且，滯留在刀盤(pán)前方和土艙內(nèi)的大粒徑卵礫石會(huì)和刀盤(pán)、刀具及攪拌裝置發(fā)生2次或多次摩擦，大大增加盾構(gòu)掘進(jìn)負(fù)荷的同時(shí)，顯著降低了盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖效率。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效率比面板式盾構(gòu)約高3倍，輻條式土壓平衡盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層中掘進(jìn)的適應(yīng)性比面板式盾構(gòu)更好，對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖工期的控制更有把握。具體數(shù)據(jù)為：北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間盾構(gòu)平均速度約為23 mm/min，平均貫入度約22 mm/rpm，整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中時(shí)有推進(jìn)速度和貫入度為零的情況發(fā)生，如圖2所示；“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)平均速度67 mm/min，平均貫入度75 mm/rpm，如圖3所示。

3 盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

3.1 上土壓力控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

上土壓力是指土艙頂部壓力傳感器記錄的土壓力值，由于上土壓力對(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性和地表變形最為敏感，因此常被用于研究。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用面板式刀盤(pán)時(shí)，盾構(gòu)上土壓力控制值偏小、波動(dòng)范圍大，易出現(xiàn)地表沉降超限和地面塌方等事故；相反，采用輻條式刀盤(pán)時(shí)，盾構(gòu)上土壓力控制的更為穩(wěn)定，更有利于開(kāi)挖面穩(wěn)定及地表沉降控制。如圖4所示，41環(huán)盾構(gòu)平均控制值約為0.3 bar，且約有一半的時(shí)間上土壓力小于0.3 bar；如圖5所示，上土壓力平均控制值為0.53 bar， 且大多數(shù)時(shí)間在0.45～0.60 bar范圍內(nèi)變化，對(duì)地表沉降控制非常有利。

3.2 盾構(gòu)總推力控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

如圖6、7所示，盾構(gòu)正常推進(jìn)過(guò)程中，采用面板式刀盤(pán)時(shí)，盾構(gòu)總推力較小，約為8 000～12 000 kN；采用輻條式刀盤(pán)時(shí)，盾構(gòu)總推力較大，約為19 000～24 000 kN?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：輻條式刀盤(pán)開(kāi)口率約比面板式高30%，但盾構(gòu)總推力卻高了約50%。由于除了地層條件，盾構(gòu)總推力還受推進(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(duì)盾構(gòu)總推力的影響，將盾構(gòu)總推力進(jìn)行歸一化處理，得到地層識(shí)別參數(shù)場(chǎng)切深指數(shù)FPI（FPI=盾構(gòu)總推力/貫入度），用以評(píng)價(jià)盾構(gòu)設(shè)備的地層適應(yīng)性。如圖10所示，面板式刀盤(pán)的場(chǎng)切深指數(shù)FPI約為輻條式刀盤(pán)的2倍，結(jié)果表明：在相同密實(shí)度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤(pán)單位貫入度需比輻條式刀盤(pán)需消耗約2倍的盾構(gòu)總推力，即輻條式刀盤(pán)比面板式刀盤(pán)開(kāi)挖效率更高，更適用于大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)施工。

3.3 刀盤(pán)扭矩控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

刀盤(pán)扭矩是表征土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效能的一個(gè)綜合性指標(biāo)，刀盤(pán)扭矩控制的合理與否，對(duì)大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)適應(yīng)性至關(guān)重要。上述現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)表明：不管采用輻條式刀盤(pán)還是面板式刀盤(pán)，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進(jìn)時(shí)設(shè)備總體符荷偏大，掘進(jìn)效能較低，如圖8和圖9所示。進(jìn)一步分析可知，采用面板式刀盤(pán)時(shí)，刀盤(pán)扭矩波動(dòng)范圍較大，為1 135～5 200 kN·m；想反，輻條式刀盤(pán)的扭矩控制更為合理，浮動(dòng)范圍小，約為4 200～4 800 kN·m，如圖9所示。

類(lèi)似于盾構(gòu)總推力的分析方法，采用歸一化參數(shù)扭矩切深指數(shù)TPI（TPI=刀盤(pán)扭矩/貫入度）表征盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性特征。 如圖10所示，面板式刀盤(pán)扭矩切深指數(shù)TPI約為輻條式刀盤(pán)的3倍，結(jié)果表明：在相同密實(shí)度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤(pán)單位貫入度需比輻條式刀盤(pán)消耗約為3倍的扭矩。這一結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了雖然輻條式刀盤(pán)總扭矩要高于面板式，但產(chǎn)生了更高的推進(jìn)速度和貫入度，在大粒徑卵礫石地層輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效能和地層適應(yīng)比面板式盾構(gòu)更好。

4 刀具磨損情況對(duì)比研究

北京地鐵九號(hào)線卵礫石地層卵石含量高、粒徑大、屬于強(qiáng)磨蝕性地層，控制刀具磨損和提高合理的換刀距離對(duì)盾構(gòu)施工至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)表明，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式對(duì)刀具磨損影響較大，其中面板式刀盤(pán)開(kāi)口率較小，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，大粒徑卵礫石很難快速進(jìn)入土艙，卵礫石與刀具易發(fā)生2次或多次磨損，大大降低了刀具的正常使用壽命；采用面板式刀盤(pán)的“科—南”區(qū)間換刀距離較短，約為240 m；相反，輻條式刀盤(pán)由于開(kāi)口率足夠大，大粒徑卵礫石一經(jīng)開(kāi)挖就能快速進(jìn)入土艙，因此盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀具磨損相對(duì)較小，采用輻條式刀盤(pán)的“豐東—豐北”區(qū)間平均換刀距離約為400 m；結(jié)果表明：在大粒徑卵礫石地層，相比面板式刀盤(pán)，輻條式刀盤(pán)對(duì)刀具磨損的保護(hù)和控制更為有利，減少了盾構(gòu)換刀次數(shù)，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率，降低了盾構(gòu)施工成本。

5 結(jié) 論

以北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間和03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能、關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性及刀具磨損情況進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了如下結(jié)論：

1）從盾構(gòu)掘進(jìn)效能對(duì)比結(jié)果可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤(pán)比面板式刀盤(pán)地層適應(yīng)性更好，對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖工期的控制更有把握。

2）從盾構(gòu)上土壓力的控制情況對(duì)比可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤(pán)比面板式刀盤(pán)更有利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定和地表沉降的控制。

3）從盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性對(duì)比結(jié)果可知：相同地層條件下，貫入度相同的條件下，采用面板式刀盤(pán)比采用輻條式刀盤(pán)消耗更大的推力和刀盤(pán)扭矩。進(jìn)一步表明大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤(pán)比面板式刀盤(pán)掘進(jìn)效率更高，與地層適應(yīng)性更好。

4）大粒徑卵礫石地層輻條式刀盤(pán)可以比面板式刀盤(pán)取得更高的開(kāi)挖效率，但盾構(gòu)施工中提高推進(jìn)速度的同時(shí)應(yīng)關(guān)注土壓力變化，不宜過(guò)度強(qiáng)度提高盾構(gòu)推進(jìn)速度，建議將盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20～60 mm/min。

5）大粒徑卵礫石地層，開(kāi)口率更大的輻條式刀盤(pán)刀具的磨損比開(kāi)口率相對(duì)較小的面板式刀盤(pán)小，采用輻條式刀盤(pán)可以有效提高刀具的換刀距離；建議適當(dāng)增大刀盤(pán)開(kāi)口率至55%～65%。參考文獻(xiàn)：

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