陳 健
(中鐵十四局集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250014)
隨著城市化建設(shè)進(jìn)程和地下空間開發(fā)力度的不斷加大,超大型泥水盾構(gòu)工法在穿越江、河、湖、海等復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境的隧道工程中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。隧道施工過程中面臨諸如黏土類、淤泥質(zhì)類、砂土類、礫卵石類及巖石類等復(fù)雜多變的地質(zhì)條件,尤其對(duì)同一工程,在不同地段或者同一斷面,盾構(gòu)可能穿越既有軟土類又有卵礫石類和巖石類的復(fù)合地層,對(duì)盾構(gòu)刀盤刀具的選型及其地層的適應(yīng)性提出了很高要求。同時(shí),刀具作為易磨損件,需要經(jīng)常性更換,因而刀具更換效率是決定整個(gè)盾構(gòu)隧道工程施工進(jìn)度的重要因素。在以往盾構(gòu)施工過程中,更換刀具需通過人閘進(jìn)入遠(yuǎn)高于大氣壓力的開挖艙進(jìn)行帶壓換刀作業(yè),這一過程往往存在以下缺點(diǎn): 1)帶壓進(jìn)艙更換刀具對(duì)操作人員要求高,作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)極大,對(duì)操作人員健康非常不利; 2)操作人員在開挖艙內(nèi)工作時(shí)間受限,作業(yè)效率低[5-7]。
當(dāng)前,盾構(gòu)刀盤刀具選型與帶壓換刀技術(shù)伴隨著工程的開展得到了一定的研究,并針對(duì)不同的工程地質(zhì)條件(如全斷面砂層、富水卵石層等),總結(jié)相應(yīng)的施工措施,研究帶壓換刀技術(shù)的可行性和技術(shù)要點(diǎn)[8-10],對(duì)換刀過程中刀盤前方周圍地層和刀盤艙內(nèi)氣密性要求、開挖艙氣壓的設(shè)定所存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分的分析與論證[11],總結(jié)帶壓換刀作業(yè)安全管控措施[12-13]。然而目前針對(duì)“上軟下硬”復(fù)合地質(zhì)條件所開展的研究還不夠深入,總結(jié)也不夠全面。
本文結(jié)合武漢地鐵8號(hào)線越江隧道工程,對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)長(zhǎng)距離穿越“上軟下硬”復(fù)合地質(zhì)條件下的刀盤刀具選型配置進(jìn)行分析研究,提出刀盤刀具的針對(duì)性配置方案,建立大直徑泥水盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)體系,以期解決復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工的適應(yīng)性問題。同時(shí),提出了一種常壓條件下軟土地層、軟硬復(fù)合地層安全、快速的滾刀、齒刀互換技術(shù),為大直徑盾構(gòu)長(zhǎng)距離施工受刀具磨損、換刀作業(yè)等限制提供解決方案。
武漢市軌道交通8號(hào)線越江隧道工程位于武漢長(zhǎng)江二橋上游450 m處,為直徑12.1 m的單管雙線復(fù)合襯砌盾構(gòu)隧道,見圖1和圖2。隧道全長(zhǎng)3 185 m,平面最小曲線半徑為700 m,采用直徑為12.53 m的泥水平衡盾構(gòu)施工。
圖1 武漢地鐵8號(hào)線越江隧道橫斷面示意圖
Fig. 1 Sketch of cross-section of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8
圖2 武漢地鐵8號(hào)線越江隧道位置示意圖
Fig. 2 Location of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8
武漢地鐵8號(hào)線越江隧道地層剖面如圖3所示。越江隧道在江中長(zhǎng)距離(1 100 m)穿越復(fù)合地層,上部為軟弱透水的粉細(xì)砂層,下部為強(qiáng)風(fēng)化礫巖、弱膠結(jié)礫巖及中等膠結(jié)礫巖,巖層分布長(zhǎng)度占隧道總長(zhǎng)度的42%,地層呈明顯的上軟下硬,施工難度極大。隧道最大埋深為35.5 m,最小埋深為10.49 m。江底最大水土壓力達(dá)0.59 MPa,要求盾構(gòu)承壓能力強(qiáng)。
A—粉質(zhì)黏土; B—粉砂; C—粉細(xì)砂; D—圓礫; E—礫巖。
圖3武漢地鐵8號(hào)線越江隧道地層剖面圖
Fig. 3 Geological profile of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8
復(fù)合地層以巖層為主,但絕大部分為散體狀的強(qiáng)風(fēng)化礫巖和泥質(zhì)膠結(jié)的極軟巖。隧道底部巖芯取樣如圖4所示。地層特性統(tǒng)計(jì)見表1,結(jié)果顯示有約430 m的鈣質(zhì)膠結(jié)礫巖,最大天然抗壓強(qiáng)度為24.40 MPa。
(a) 強(qiáng)風(fēng)化礫巖
(b) 弱膠結(jié)礫巖
(c) 中等膠結(jié)礫巖
Fig. 4 Bottom rock cores of Yangtze River-crossing tunnel on Wuhan Metro Line No. 8
復(fù)雜的工程地質(zhì)條件要求武漢地鐵8號(hào)線越江隧道盾構(gòu)設(shè)備選型,特別是刀盤、刀具的選型,必須保證對(duì)1 365 m長(zhǎng)的復(fù)合地層有較強(qiáng)的適應(yīng)性,以達(dá)到開挖順利、換刀次數(shù)最少的目的。
針對(duì)武漢江底特殊地層,訂購1臺(tái)泥水加壓式平衡盾構(gòu)。盾構(gòu)刀盤如圖5所示,采用創(chuàng)新性復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)理念,即在刀盤主臂內(nèi)布設(shè)軌跡覆蓋下半斷面4.5 m范圍的可常壓更換雙刃滾刀,并在其刀座上安裝可互換的并聯(lián)雙刃齒刀,當(dāng)其進(jìn)入江底復(fù)合地層后,再更換為雙刃滾刀。
刀盤開口率約28%,中心4 m范圍內(nèi)設(shè)有溜碴槽,依靠中心刀、先行刀及沖刷系統(tǒng)切削土體。
表1 地層特性統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of strata characteristics
圖5 盾構(gòu)刀盤實(shí)物Fig. 5 Shield cutterhead
根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn),在此類上軟下硬且?guī)r層強(qiáng)度較高的復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)刀具的磨損速度極快(見圖6),需要通過經(jīng)常性刀具檢查更換才可完成復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)。
合理的、針對(duì)性的刀具設(shè)計(jì)形式和布置方式可以延長(zhǎng)刀具的使用壽命,減少刀具更換次數(shù)。刀盤刀具的合理設(shè)計(jì)以及如何在高水壓下安全高效地更換刀具將是本工程的重難點(diǎn)。
針對(duì)復(fù)合地層,提出以下主要應(yīng)對(duì)措施:
1)采用貝殼型先行刀和刮刀搭配的刀具體系,刀盤外圈掘進(jìn)斷面4.5 m高度區(qū)域布置15把48.26 cm(19英寸)雙刃常壓可更換滾刀,如圖7所示。
(a) 貝殼型先行刀
(b) 重型刮刀
(c)常壓可互換滾刀齒刀
2)盾構(gòu)刀具設(shè)置應(yīng)有層次性,先行刀、滾刀(齒刀)高出常壓可更換刮刀40 mm,常壓可更換刮刀高出固定刮刀20 mm,先行刀、滾刀(齒刀)先行破碎、疏松地層,為刮刀創(chuàng)造更好的開挖切削環(huán)境,固定刮刀作為二次切削和保護(hù)刀盤的第3層刀具。
3)采用可常壓更換刀具設(shè)計(jì),刀盤內(nèi)部設(shè)計(jì)為中空,1/3的刀具可以實(shí)現(xiàn)常壓更換,其切削軌跡覆蓋整個(gè)開挖面。
4)選擇合適位置,及時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行常壓檢查更換,同時(shí)在復(fù)合地層根據(jù)刀具磨損檢測(cè)預(yù)警,及時(shí)更換刀具,避免出現(xiàn)刀具過度磨損后繼續(xù)帶傷作業(yè),傷及刀盤以致造成更大的施工風(fēng)險(xiǎn)。
5)確保盾構(gòu)推進(jìn)速度與出渣速度相匹配,減少地層中大顆粒在開挖艙中的堆積,避免刀具出現(xiàn)二次磨損。
6)全部滾刀均采用常壓可更換設(shè)計(jì),并能實(shí)現(xiàn)滾齒互換,即在上軟下硬復(fù)合地層采取滾刀、先行刀、刮刀配合開挖理念;在全斷面軟土地層,把所有滾刀更換為單刃或雙刃齒刀(刀高與先行刀一致),采用齒刀、先行刀、刮刀配合開挖理念。
常壓換刀是指施工人員在常壓下由通道進(jìn)入裝有磨損刀具的主刀臂內(nèi),利用液壓油缸并配合刀腔閘板,在常壓條件下將刀具從刀腔內(nèi)抽出,待對(duì)刀具進(jìn)行必要的檢查與更換后,將刀具裝回,實(shí)現(xiàn)常壓刀具更換。
相較于帶壓換刀,常壓換刀的明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)為:
1)換刀的整個(gè)過程均在常壓下進(jìn)行,作業(yè)人員不需要置身于高壓環(huán)境中開展換刀作業(yè),施工安全系數(shù)高且對(duì)作業(yè)人員身體健康無影響;
2)常壓條件下?lián)Q刀人員施工效率更高,同時(shí)省掉了帶壓換刀時(shí)加壓進(jìn)艙、減壓出艙等操作,并消除了帶壓換刀作業(yè)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)度受限的不利影響,常壓換刀比帶壓換刀的施工效率提高了4~5倍[14-15];
3)減少了帶壓進(jìn)艙作業(yè)所需的高黏度泥漿制備、泥漿置換和專業(yè)潛水作業(yè)及操艙人員等,精減了作業(yè)工序。
為適應(yīng)武漢地鐵8號(hào)線越江隧道江中段復(fù)合地層特點(diǎn),根據(jù)可更換刀具的切削面需覆蓋整個(gè)開挖面的要求,本工程盾構(gòu)刀盤共設(shè)有76把常壓可更換刀具,包括61把軟土刀具和15把雙刃滾刀。
4.2.1 常壓換刀程序
4.2.1.1 準(zhǔn)備工作
1)換刀前進(jìn)行泥水大循環(huán),盡可能多地排出土艙內(nèi)渣土,以防止細(xì)小砂礫在換刀時(shí)進(jìn)入刀腔,造成刀具安裝困難。
2)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤,使所需更換刀具的刀臂呈豎直方向位于底部,連接氣管和高壓水管(開關(guān)刀具閘門時(shí)起沖洗作用)并接好艙內(nèi)安全照明。
3)根據(jù)換刀專用圖紙,選擇對(duì)應(yīng)的油缸、刀箱。
4.2.1.2 刀具更換
1)初始狀態(tài)如圖8所示: ①打開蓋上的球閥進(jìn)行放氣;②關(guān)閉外殼上的球閥。
1—蓋上的球閥; 2—外殼上的球閥。
圖8刀具初始狀態(tài)
Fig. 8 Initial state of cutting tool
2)移除蓋子。過程如圖9所示: ①松開螺栓;②移去蓋子。
1—帶墊圈的螺栓; 2—蓋子。
圖9蓋子移除過程示意
Fig. 9 Sketch of cover removal process
3)伸縮油缸安裝,過程如圖10所示: ①安裝伸縮油缸;②旋進(jìn)螺栓,并將其擰緊(擰至指定轉(zhuǎn)矩)。
1—伸縮油缸; 2—帶墊圈的螺栓。
圖10伸縮油缸安裝過程示意
Fig. 10 Sketch of installation process of telescopic cylinder
4)刀具更換設(shè)備安裝。過程如圖11所示: ①固定好刀具更換設(shè)備的位置,觀察機(jī)械編碼;②插入插銷,用彈簧銷將其固定;③旋進(jìn)螺栓,并將其緊固(擰至指定轉(zhuǎn)矩);④連接液壓管。
5)移去刀具,松開螺栓,如圖12所示。
6)液壓管與油缸安裝。過程如圖13所示: ①連接液壓管;②安裝閘門夾鉗和液壓油缸。
7)移去刀具,閉合設(shè)備。過程如圖14所示: ①縮回伸縮油缸(外殼和里面的刀具回縮);②縮回滑塊和液壓油缸,使之閉合。
1—刀具更換設(shè)備; 2—插銷; 3—彈簧銷; 4—帶墊圈的螺栓; 5—防扭保護(hù)、機(jī)械編碼; 6—液壓管連接點(diǎn)。
圖11刀具更換設(shè)備安裝過程示意
Fig. 11 Sketch of installation process of cutting tool replacement equipment
1—帶墊圈的螺栓。
圖12螺栓松動(dòng)過程示意
Fig. 12 Sketch of bolt loosening process
1—液壓管連接點(diǎn); 2—夾鉗; 3—液壓油缸。
圖13液壓管與油缸安裝過程示意
Fig.13 Sketch of installation process of hydraulic pipe and cylinder
1—外殼; 2—閉合設(shè)備滑塊; 3—液壓油缸。
圖14設(shè)備閉合過程示意
Fig. 14 Sketch of equipment closure process
8)壓力補(bǔ)償。過程如圖15所示: ①當(dāng)閘門關(guān)閉后,利用球閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償。將水管拆除,觀察刀腔內(nèi)是否有壓力以及泥漿流出。如果存在壓力和泥漿流出,說明閘門沒有完全關(guān)閉;如果不存在,就可以將刀具安全抽出。②壓力補(bǔ)償完畢后,關(guān)閉球閥。
1—球閥。
圖15壓力補(bǔ)償過程示意
Fig. 15 Sketch of pressure compensation process
9)移去刀具更換設(shè)備。過程如圖16所示: ①松開螺栓;②用工具移去刀具更換設(shè)備;③刀具抽出后,根據(jù)刀頭磨損情況更換刀頭。
1—帶墊圈的螺栓; 2—刀具更換設(shè)備。
圖16刀具更換設(shè)備移除過程示意
Fig. 16 Sketch of removal process of cutting tool replacement device
4.2.1.3 刀具安裝
刀具安裝按照刀具拆除的相反順序進(jìn)行,更換刀具體時(shí)要注意核對(duì)刀具編號(hào),注意刀具合金的方向。新刀更換后將刀體準(zhǔn)確放至安裝位置,安裝之前在油缸上均勻涂抹黃油,將刀頭慢慢推進(jìn)至閘閥前,先開啟高壓水沖洗閘閥,再開閘門,然后將整個(gè)刀體準(zhǔn)確推至原位,緊固好刀體固定后座螺栓。
4.2.2 滾刀常壓更換技術(shù)要點(diǎn)
按照切削軌跡,本工程盾構(gòu)刀盤有3類可更換滾刀,對(duì)應(yīng)3種換刀方式。滾刀換刀操作步驟與軟土刀具相似,但由于滾刀工作原理更為復(fù)雜[15],故滾刀常壓更換需額外注意以下技術(shù)要點(diǎn):
1)由于滾刀一側(cè)加裝了磨損探測(cè)儀,因此在進(jìn)行換刀前,需關(guān)閉磨損探測(cè)球閥,并拆除磨損探測(cè)管線。
2)利用托架和刀筒夾具替代擺鐘型套筒,為滾刀刀筒固定和提升提供著力點(diǎn),刀筒按照操作規(guī)程抽出規(guī)定長(zhǎng)度后,安裝托架和刀筒夾具,如圖17所示。待刀筒完全抽出后,配合上方的氣動(dòng)葫蘆與吊鏈,采用水平或傾斜的方式將刀筒吊出。
圖17 托架與刀筒夾具Fig. 17 Bracket and clamp of barrel
3)根據(jù)滾刀刀筒形式的不同,可伸縮油缸前端與刀筒的連接方式有2種,如圖18所示: ①利用插銷將雙油缸連接到刀筒兩側(cè)吊耳上(須保證兩側(cè)油缸同步伸縮);②通過油缸鎖板連接到刀筒上。由于托架和夾具無法為刀筒回縮提供反作用力,因此油缸后端連接在油缸底座上。
(a) 雙油缸連接
(b) 油缸鎖板連接
4)刀筒伸縮過程中,應(yīng)嚴(yán)格確保刀筒上定位銷與閘門閥體上定位孔一致,由于滾刀布置位置的不同,部分刀筒需采取雙鏈起吊、傾斜吊出,起吊過程中須保證角度正確,吊運(yùn)過程中不出現(xiàn)大的擺動(dòng),確保施工人員人身安全。
5)本工程盾構(gòu)全部滾刀均可進(jìn)行常壓下的滾齒互換。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)斷面在土質(zhì)軟弱地層與巖質(zhì)堅(jiān)硬地層間相互轉(zhuǎn)換時(shí),需對(duì)滾刀刀位進(jìn)行滾齒互換,以滿足不同地層的切削要求。滾齒互換的刀筒抽出方式與滾刀更換相同,在刀筒抽出后對(duì)刀筒中的刀具進(jìn)行滾刀和齒刀的更換,此處不再贅述。
上軟下硬復(fù)合地質(zhì)條件對(duì)盾構(gòu)刀具布置提出了極高的要求,需要通過與地層相適應(yīng)的刀具配置來確保盾構(gòu)掘進(jìn)的高效率和刀具的低磨損。
4.3.1 全粉細(xì)砂斷面
該斷面位于武昌區(qū)一側(cè)陸基段,覆土厚度為33.49 m。
粉細(xì)砂地層相對(duì)較為松散,齒刀即可滿足土體切削的需求,因此將15把48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀全部更換為齒刀,以齒刀、中心刀、撕裂刀組成刀盤第1層刀具,可以滿足在該地層條件下的正常掘進(jìn)需求。
4.3.2 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化礫巖復(fù)合斷面
該斷面處于江中,水深23.50 m,覆土厚度為13.92 m,其中含粉細(xì)砂40.17%、強(qiáng)風(fēng)化礫巖59.83%。
該斷面包含超過一半的強(qiáng)風(fēng)化礫巖,該類巖體強(qiáng)度最高為13.2 MPa,結(jié)合齒刀的使用條件,在該地層條件下可利用齒刀對(duì)侵入巖體進(jìn)行一定范圍的切割,但是由于刀盤直徑較大,最外圈齒刀切削行程較長(zhǎng)導(dǎo)致最外圈齒刀磨損較為嚴(yán)重,因此在全粉細(xì)砂斷面的配刀基礎(chǔ)上,選擇部分最外圈齒刀更換為48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀,每個(gè)主刀臂更換1把,共計(jì)設(shè)置6把雙刃滾刀。掘進(jìn)過程中利用雙刃滾刀和齒刀并輔以中心刀、撕裂刀,對(duì)強(qiáng)風(fēng)化礫巖先行進(jìn)行破碎切削。
4.3.3 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化、弱膠結(jié)和中等膠結(jié)礫巖復(fù)合斷面
該斷面處于江中,水深21 m,覆土厚度為17.03 m,其中含粉細(xì)砂33.21%、強(qiáng)風(fēng)化礫巖40.98%、弱膠結(jié)礫巖9.06%、中等膠結(jié)礫巖16.75%。
該斷面含有強(qiáng)度達(dá)到24.4 MPa的中等膠結(jié)礫巖,該類巖體對(duì)齒刀磨損極為嚴(yán)重,且其斷面侵入高度達(dá)到2 m。在該斷面地層掘進(jìn)時(shí),應(yīng)利用雙刃滾刀作為主要破巖切削工具,確保雙刃滾刀的切削軌跡完全覆蓋中等膠結(jié)礫巖。針對(duì)本工程,需將全部齒刀更換為48.26 cm(19英寸)雙刃滾刀,以實(shí)現(xiàn)有效破巖切削。針對(duì)武漢地鐵8號(hào)線越江隧道上軟下硬復(fù)合地層提出的針對(duì)性刀具配置方案如圖19所示。
(a) 全粉細(xì)砂地層及首層刀具配置
(b) 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化礫巖復(fù)合地層及首層刀具配置
(c) 粉細(xì)砂、強(qiáng)風(fēng)化、弱膠結(jié)和中等膠結(jié)礫巖復(fù)合地層及首層刀具配置
1)針對(duì)本工程特殊的水文和地質(zhì)條件,采用創(chuàng)新性復(fù)合刀盤設(shè)計(jì)理念,通過滾刀、貝殼型先行刀和刮刀搭配的刀具切削配置體系,采用可常壓更換和滾刀齒刀互換理念,對(duì)刀盤刀具選型進(jìn)行了充分研究、實(shí)施和應(yīng)用,大大延長(zhǎng)了刀具使用壽命,保證了高水壓條件下刀具更換的作業(yè)安全,提高了刀具更換效率,降低了隧道施工風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用效果良好,是“軟土+硬巖”復(fù)合地層條件下盾構(gòu)掘進(jìn)的一個(gè)成功案例,可為類似復(fù)雜地質(zhì)條件的盾構(gòu)施工提供借鑒。
2)針對(duì)本工程江底不同巖性復(fù)合地層地質(zhì)條件,國(guó)內(nèi)首次開發(fā)應(yīng)用了常壓下滾刀更換和滾刀齒刀互換技術(shù),針對(duì)性地提出了軟土、軟土+軟巖、軟土+硬巖3種不同地質(zhì)斷面下的刀具切削配置形式,并在本工程中成功應(yīng)用,極大地提高了掘進(jìn)效率,降低了高水壓江底換刀風(fēng)險(xiǎn),縮短了作業(yè)周期。目前該隧道已順利貫通,施工中創(chuàng)造了在軟土地層月掘進(jìn)668 m、軟土+軟巖地層月掘進(jìn)226 m、軟土+硬巖地層月掘進(jìn)160 m的大型盾構(gòu)掘進(jìn)紀(jì)錄。
3)由于常壓換刀刀具、刀盤配置設(shè)計(jì)使得刀盤開口率降低,尤其刀盤中心區(qū)域開口率會(huì)更小,施工中容易造成切削碴土排出不流暢,在軟土中還易形成泥餅。為解決此類問題,在滿足刀盤切削軌跡要求的條件下,今后需進(jìn)一步優(yōu)化常壓可更換刀具的小型化設(shè)計(jì),盡可能地增大刀盤開口率;同時(shí)為防止刀盤中心易結(jié)泥餅,需對(duì)刀盤中心區(qū)域刀高和刀盤中心流碴槽進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。
隨著超大型泥水盾構(gòu)工法在穿越江、河、湖、海等復(fù)雜水文地質(zhì)環(huán)境下的廣泛應(yīng)用,尤其針對(duì)高水壓地質(zhì)條件下在土巖復(fù)合地層、球狀風(fēng)化體、巖溶分布區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)的盾構(gòu)掘進(jìn)難題,刀盤刀具的適應(yīng)性配置、磨損刀具更換以及提高刀具的耐磨性等問題將是長(zhǎng)期性的研究課題。
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