賈會森

(中鐵十二局集團有限公司， 太原 030024)

泥水盾構(gòu)在長距離砂卵石地層穿河施工中的不換刀技術(shù)

賈會森

(中鐵十二局集團有限公司， 太原 030024)

針對沈陽地鐵9號線一期土建工程泥水平衡盾構(gòu)在砂卵石及黏土地層中下穿500 m寬渾河隧道工程，對可能遇到的刀盤刀具嚴重磨損及結(jié)泥餅現(xiàn)象進行了預判，通過對地質(zhì)顆粒成分組成及渾河水位變化情況進行分析研究，優(yōu)化創(chuàng)新了刀盤結(jié)構(gòu)形式和刀盤刀具耐磨設(shè)計，增強了環(huán)流系統(tǒng)泵送能力，改進了防結(jié)泥餅沖刷管路設(shè)計，再輔以施工輔助技術(shù)，不但實現(xiàn)了泥水盾構(gòu)在該工況下不結(jié)泥餅和不換刀，還節(jié)約了施工成本。該技術(shù)的成功運用可為今后類似工程提供參考。

軌道交通； 泥水盾構(gòu)； 砂卵石； 穿河； 不換刀

1 工程概述

沈陽地鐵9號線汪河路站—曹仲站區(qū)間單線全長2 237 m，管片外徑為6 000 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，寬度為1 200 mm。區(qū)間設(shè)聯(lián)絡(luò)通道3座和1口風井，其中風井兩段分別為1 464 m和773 m(盾構(gòu)穿越風井段采用的是砂漿回填風井法[1]，即盾構(gòu)通過風井前將風井結(jié)構(gòu)施工完成，采用砂漿回填到風井內(nèi)，待盾構(gòu)穿越風井且整個區(qū)間施工完成后再把砂漿挖出恢復風井結(jié)構(gòu))。隧道結(jié)構(gòu)斷面主要穿越中粗砂、圓礫土地層，局部含有粉質(zhì)黏土層，地層富含水，中間穿越500 m寬渾河。本區(qū)間采用直徑為φ6 300 mm的間接式泥水平衡式盾構(gòu)進行施工,盾構(gòu)由汪河路站始發(fā)，曹仲站進行接收。

2 工程地質(zhì)情況

區(qū)間以-19‰的坡度從汪河路站始發(fā)，途經(jīng)-3‰、18.2‰、3‰、17.6‰、2‰的坡度到達汪河路站，隧道斷面在始發(fā)段和出洞段為全斷面圓礫土，主要由變質(zhì)巖組成，亞圓形，堅硬，一般粒徑為2～20 mm，最大粒徑為80 mm，充填約20%的混粒砂和黏性土，局部為卵石層，地下水類型為孔隙潛水，賦存于圓礫強透水層中，滲透系數(shù)在85～120 m/d之間，且掌子面自穩(wěn)性差。

隧道斷面(見圖1)在中間段為粗砂、礫砂、中砂、局部圓礫土和局部180 m隧頂處含粉質(zhì)黏土，地層中含石英顆粒，呈亞圓形，其中圓礫最大顆粒為100 mm，粉質(zhì)黏土為硬塑，中段500 m寬渾河水位受季節(jié)影響較大，一般最大水深約為6 m(同時渾河下游水壩不定期蓄水，影響盾構(gòu)掘進水土壓力控制)，整個地層滲透系數(shù)高，掌子面自穩(wěn)性差，對刀盤及刀具磨損較大。

圖1 汪河路站—曹仲站區(qū)間地質(zhì)縱斷面Fig.1 The geological profile of the section between Wanghe Road station and Caozhong station

3 該工程對刀盤和刀具的不利因素

1) 盾構(gòu)始發(fā)與接收端頭圍護結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁，圍護結(jié)構(gòu)鋼筋采用玻璃纖維筋[2]，鉆孔灌注樁強度達到30 MPa,加固范圍強度達到10 MPa，刀具選型配置需考慮軟巖和硬巖施工因素。

2) 該工程主要地質(zhì)為粗砂、礫石及圓礫層，且石英含量高，對刀盤和刀具磨損較大，因此刀盤的耐磨性需要重點考慮[3]。

3) 該工程部分地段含粉質(zhì)黏土地層，粉質(zhì)黏土地層顆粒度小于20 μm，目前泥水分離設(shè)備技術(shù)無法處理20 μm以下的顆粒，將引起泥漿比重上升，致使環(huán)流攜渣困難，易形成泥餅，使刀盤刀具無法起到切削掘進的作用，甚至導致滾刀等刀具嚴重偏磨而無法繼續(xù)掘進施工[4]。

4) 該工程將從渾河底部穿越，地層滲透系數(shù)高，且掘進距離長，必須控制好掘進參數(shù)，有效預防刀具的磨損情況，避免因刀具損壞而進行帶壓進倉換刀作業(yè)，引起施工風險。

5) 該工程穿越風井時，采用的是回填方式，穿越強度為30 MPa的風井洞門圍護結(jié)構(gòu)及回填材料，將加劇對刀盤和刀具的磨損程度。

4 不換刀技術(shù)

4.1 刀盤及刀具的設(shè)計

根據(jù)工程特點分析，刀盤設(shè)計理念為：渣土開挖主要應以剝離為主；開口率要大，使開挖下來的渣土充分攪拌后可快速流入開挖倉內(nèi)，通過排漿泵及時排出，從而降低刀盤扭矩；同時應加強刀盤和刀具的耐磨性設(shè)計，盡可能地滿足長距離施工不換刀的要求[5]。

4.1.1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計及刀具類型選擇

刀盤設(shè)計見圖2。

圖2 刀盤設(shè)計Fig.2 Cutter head design drawings

1) 刀盤結(jié)構(gòu)采用Q345C材質(zhì)，耐磨性增強，輻條式布置，開口率為48%。

2) 進渣口采用錐形設(shè)計，進渣口部位的支撐筋板采用Z字形設(shè)計，這種特殊的設(shè)計有利于泥漿順暢地流入開挖倉，避免進渣口堵塞。

3) 刀盤攪拌棒采用十字形設(shè)計，且外圈攪拌棒盡量靠近前盾殼體，對底部渣土起到攪動、撞擊的作用。

4) 刀盤牛腿采用鑄造式牛腿，減少型鋼結(jié)構(gòu)的棱角，利于渣土流動，減少結(jié)泥餅現(xiàn)象。

5) 刀盤中心采用大流量沖刷設(shè)計，防止渣土在刀盤中心區(qū)域堆積，同時加快泥漿在開挖倉中心部位的混合，增強泥漿的流動性，極大降低中心結(jié)泥餅的可能性。

6) 刀具布置原則：本工程管片用的常規(guī)盾構(gòu)機刀盤開挖直徑設(shè)計尺寸(一般不大于6 280 mm)，實際用于本工程的刀盤開挖直徑增加了20 mm(達到6 300 mm)。盾體的直徑設(shè)計不變(與常規(guī)盾體直徑保持一致，6 250 mm)，這種設(shè)計可增加邊刀理論可磨損量，確保了開挖直徑，使同種地質(zhì)條件下可掘進有效里程增加；增加保證周邊開挖直徑的刀具數(shù)量，均分刀具磨損速度，使單個刀具的轉(zhuǎn)換磨損量增加，有利于增加盾構(gòu)的掘進里程數(shù);因主切刀全為焊接刀具，一旦施工復雜情況超過預期，將導致主切刀損壞而無法掘進施工(帶壓補焊主切刀屬于高風險作業(yè))，設(shè)計中將周邊刮刀開挖直徑增加為6 280 mm,當開挖直徑主切刀磨損刀不能滿足要求時，可采用更換周邊刮刀進行輔助掘進；主切刀貝殼刀采用雙層設(shè)計，形成刀高差，達到階梯磨損的效果，以延長盾構(gòu)掘進距離。

7) 刀具采用貝殼刀為主切刀，齒刀、超挖刀、刮刀、魚尾刀和保徑刀等進行輔助開挖，刀具數(shù)量及功能見表1。

表1 刀盤刀具配置及作用

4.1.2 刀盤及刀具耐磨性設(shè)計

1) 改進刀盤面板耐磨焊材，刀盤面板焊有12.5 mm厚的耐磨復合鋼板(美國進口的信鉻鋼，性能遠優(yōu)于原盾構(gòu)常用的Hardox板)。

2) 根據(jù)沈陽以往項目砂卵石地層中使用的盾構(gòu)刀盤周圈焊接鑲嵌合金的新型耐磨防護措施[6]，本工程刀盤設(shè)計結(jié)合刀具的耐磨設(shè)計，在采用優(yōu)質(zhì)鋼板的刀盤周圈上鑲嵌特殊耐磨合金塊，性能接近于耐磨刀具，除具有耐磨功能外，還能保證刀盤體的直徑。

3) 刀盤邊緣過渡區(qū)、刀盤進渣口以及刀盤背面加焊致密耐磨網(wǎng)格，使與渣土有較大摩擦力接觸的部位得以防護，從而提高刀盤整體的耐磨性能。

4) 刀盤上外周設(shè)有2個磨損檢測裝置，用于檢測刀具磨損情況，從而防護好刀盤整體結(jié)構(gòu)，便于施工風險控制。

5) 貝殼刀刀頭采用大塊合金，延長使用壽命。

6) 切刀、邊緣刮刀布置有3道硬質(zhì)合金，且刀體側(cè)面加焊耐磨網(wǎng)格，在增強耐磨性的同時，可提高其抗沖擊性。

4.2 盾構(gòu)機輔助裝置設(shè)計

刀盤刀具的設(shè)計是不能保障長距離復雜地層不換刀施工的，必須通過設(shè)計合理的盾構(gòu)配套設(shè)備輔助完成。從該工程地質(zhì)特點來看，輔助裝置重點需要解決的是：防止泥餅的形成和形成泥餅后的處理，開挖倉內(nèi)渣土的堆積使刀盤刀具摩擦面積增大而加快磨損以及粉質(zhì)黏土等微細顆粒引起的環(huán)流攜渣等問題。

4.2.1 攪拌裝置

原盾構(gòu)氣墊倉排漿管路設(shè)計方案為碎石機，主要考慮因地質(zhì)勘探不明而存在的孤石和大粒徑卵石等對盾構(gòu)施工的影響，后根據(jù)車站施工開挖渣土實際情況及隨機補勘抽樣結(jié)果顯示，區(qū)間隧道內(nèi)大顆粒卵石不超過100 mm。

為解決小粒徑砂卵石和粉質(zhì)黏土在排渣口堆積導致環(huán)流攜渣不暢的現(xiàn)象，將攪拌裝置替代碎石機設(shè)置，主要解決底部沉渣攪拌問題，同時由于攪拌裝置負荷比碎石機小，不但降低了設(shè)備的故障率，還減少了設(shè)備的維修風險。

4.2.2 沖刷管路

該工程沖刷管路設(shè)計主要是便于渣土流動、防止泥餅的形成、泥餅形成后的處理、氣墊倉和開挖倉(安全門處)底部沉渣的稀釋等，但砂卵石地層管路沖刷應減少對掌子面的沖刷影響，避免掌子面因沖刷過度導致坍塌現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，開挖倉內(nèi)共設(shè)置6路泥漿沖刷管路，分別為頂部2路沖刷刀盤用，中部1路沖刷刀盤中心部位，底部2路沖刷安全門，1路反沖洗管路；氣墊內(nèi)底部布置2路沖刷攪拌裝置。全方位的沖刷管路解決了渣土攪拌的和易性和刀盤結(jié)泥餅等問題，減少了渣土對刀盤刀具的磨損[7]。

4.2.3 環(huán)流系統(tǒng)

該工程的粉質(zhì)黏土細微顆粒是泥水盾構(gòu)施工的克星，因此環(huán)流系統(tǒng)的設(shè)計必須重點考慮攜渣能力，避免渣土堆積在開挖倉內(nèi)，加速刀盤和刀具的磨損。

通過加大進排漿泵的功率和管路直徑，確保環(huán)流系統(tǒng)攜渣順暢和提高整體施工效率。該工程環(huán)流系統(tǒng)泵站功率設(shè)計是同規(guī)格類似盾構(gòu)的1.2～2倍，中繼泵由1臺進漿泵和2臺排漿泵組成，進排漿管徑由常規(guī)的250 mm變更為300 mm[8]。

4.3 施工技術(shù)措施

4.3.1 掘進參數(shù)控制

盾構(gòu)施工掘進必須合理控制相關(guān)施工參數(shù)，尤其是刀盤扭矩(在不超過額定扭矩的60%前提下提高推進速度，貫入度不超過30 mm,轉(zhuǎn)速為1.6 r/min左右)和泥水指標(根據(jù)掘進地層不斷做出調(diào)整，在粉質(zhì)黏土地層需增加高分子材料防止泥餅的形成)。通過掘進參數(shù)的控制，減少了意外情況的發(fā)生(刀具受力狀況及環(huán)流攜渣匹配等問題)，達到延長刀盤刀具使用壽命的效果[9]。

4.3.2 壓濾設(shè)備

該工程地質(zhì)含有粉質(zhì)黏土地層，顆粒直徑小于20 μm，泥水分離系統(tǒng)是無法處理的，易造成泥漿比重上升，攜渣能力減弱，從而使渣土堆積在開挖倉內(nèi)，增加刀盤刀具摩擦面積和摩擦力，因此額外增加壓濾設(shè)備對泥漿進行黏土分離，確保了泥漿的相關(guān)指標，保證了環(huán)流攜渣能力[10]。

4.3.3 風井回填處理方法

經(jīng)過推算，該工程盾構(gòu)穿越風井時，風井主體結(jié)構(gòu)(設(shè)計為兩層)只能完成底層的施工任務(wù)，且風井距離渾河較近，施工降水困難，盾構(gòu)到達風井后需長時間停機，施工風險巨大，決定對風井采用先回填處理，待盾構(gòu)通過后再恢復的方案。此方案最終導致盾構(gòu)需長距離掘進，而風井圍護結(jié)構(gòu)與回填材料將可能加劇盾構(gòu)刀盤和刀具的磨損。

為減小風井圍護結(jié)構(gòu)與回填材料對刀盤刀具的影響，綜合風井施工中的降水風險，決定對風井圍護結(jié)構(gòu)采用邊鑿除邊回填的方式，并確定回填材料為塑性水泥砂漿，將整個風井回填材料最高強度控制到5 MPa以內(nèi)[11]。

5 施工效果

以上刀盤刀具等設(shè)計及施工技術(shù)保障措施滿足了盾構(gòu)在長距離砂卵石穿河施工中不換刀要求。整個隧道貫通后，發(fā)現(xiàn)刀盤整體結(jié)構(gòu)良好，周圈磨損約2 mm(面板耐磨網(wǎng)格),刀具磨損比較嚴重，貝殼刀最大磨損量達10 cm(屬于完全報廢狀態(tài)),周邊刮刀部分刀座由于刀具布置軌跡未全斷面覆蓋而磨損(見圖3)。

圖3 盾構(gòu)貫通出洞后的刀盤Fig.3 The cutter head image after the shield penetrates the hole

5.1 施工安全和進度

該區(qū)間不換刀技術(shù)的實現(xiàn)，不但為正常掘進提供了更多有效時間，達到日掘進記錄21環(huán)(25.2 m)，實現(xiàn)不足6個月時間完成單線隧道貫通的目標，同時還消除了帶壓進倉換刀的重大風險，實現(xiàn)安全和進度的雙豐收。

5.2 經(jīng)濟效果

按照以往沈陽泥水盾構(gòu)在砂卵石地層穿河施工過程中的經(jīng)驗，至少需進行5次帶壓換刀方能實現(xiàn)該長度的區(qū)間貫通，每次帶壓進倉換刀至少耗時5 d，每次帶壓進倉費用(含泥漿護壁、刀具、帶壓換刀勞務(wù)及工期延誤等費用)不低于60萬元，間接節(jié)約資金約300萬元。

6 結(jié)語

從以上盾構(gòu)施工不換刀技術(shù)措施來看，提前做好盾構(gòu)刀盤刀具設(shè)計優(yōu)化和配套施工技術(shù)輔助措施，將為實際施工帶來巨大的安全、進度和經(jīng)濟效益。

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TechnologyforNotReplacingtheCutteroftheSlurryShieldMachineCrossingtheRiverintheLong-DistanceSandandGravelStratum

JIAHuisen

(China Railway 12th Bureau Group Co., Ltd., Taiyuan 030024)

For the tunnel engineering by slurry shield machine crossing the 500 meter-wide Hun River in the sand-gravel and clay stratum, the phenomena of serious cutter wear and mud cakes are predicted and analyzed in advance; through analysis and study on the changes of the geological particle composition and the water level of the Hun River, structure type and wear-resisting design of the cutter are optimized and innovated; the circulation pumping capacity is enhanced, and the pipeline design for mud cakes proofing is improved; and some assistant construction measures are put forward. Thus no mud cakes are produced and there is no need to replace the cutter for the slurry shield machine. As a result, the construction costs are reduced.

rail transit; slurry shield machine; sand and gravel; cross river; not replacing cutter

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.012

U231

A

1672-6073(2017)06-0069-05

2017-01-21

2017-02-28

賈會森，男，大學本科，工程師，主要從事城市軌道交通盾構(gòu)施工管理工作，278819903@qq.com

(編輯：郝京紅)