張 雯

（上海隧道工程有限公司,上海市 200233）

0 引言

國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)進(jìn)出洞的通常做法為人工鑿除洞門范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)前方土體加固止水的優(yōu)劣直接決定了盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)的施工風(fēng)險(xiǎn)[1]。一般情況下都必須保證洞口土體具有較好的密實(shí)性和自立性，反之則會(huì)造成洞口土體坍塌以及地下水涌入盾構(gòu)井內(nèi)等災(zāi)害[2]。常規(guī)的盾構(gòu)進(jìn)出洞土體加固技術(shù)主要有降水固結(jié)法[3]、高壓旋噴樁法[4]、深層攪拌樁法[5]、凍結(jié)法[6]等。然而，人工鑿除圍護(hù)結(jié)構(gòu)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，存在施工風(fēng)險(xiǎn)，而土體加固又往往存在以下2個(gè)難題：（1）洞口土體加固質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，或加固強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)施工要求而產(chǎn)生土體塌方，或者因加固不均勻、隔水效果差，造成漏水、漏泥等現(xiàn)象；（2）在鑿除洞門混凝土或拔除洞門鋼板樁后，盾構(gòu)為及時(shí)靠上土體，使正面土體失去支撐造成塌方。

另外，封門+前方土體加固的盾構(gòu)進(jìn)出洞方案是有應(yīng)用局限性的，通常適用于埋深相對(duì)較淺的盾構(gòu)項(xiàng)目，深埋或超深埋盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)選地下連續(xù)墻（簡(jiǎn)稱地連墻）。

上海市蘇州河段深層排水調(diào)蓄管道系統(tǒng)工程試驗(yàn)段是上海市“十三五”重大民生工程。蘇州河深隧工程苗圃試驗(yàn)段主井開(kāi)挖深度為56.3 m，采用1.5 m地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻深達(dá)103 m。由于作為后續(xù)綜合設(shè)施的地連墻無(wú)法人工破除，故須采用盾構(gòu)機(jī)切削通過(guò)[7]。

地下連續(xù)墻混凝土材料初步定于M30高強(qiáng)砂漿或C35水下混凝土，為探索研究合適的刀盤設(shè)計(jì)型式以及對(duì)比2種混凝土材料的盾構(gòu)切削效果，尋找最佳的混凝土配合比，本文進(jìn)行了可模擬盾構(gòu)切削混凝土地連墻相應(yīng)試驗(yàn)技術(shù)的制定、初步試驗(yàn)結(jié)果的分析以及試驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)化，研究成果可直接為蘇州河深隧工程盾構(gòu)進(jìn)出洞施工方案提供技術(shù)指導(dǎo)，同時(shí)也可為同類超深地連墻混凝土材料的切削研究提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。

1 盾構(gòu)切削地連墻設(shè)備

試驗(yàn)用 ?1 860 mm模擬盾構(gòu)機(jī)由刀盤、殼體、螺旋輸送機(jī)、刀盤驅(qū)動(dòng)裝置、主頂裝置等組成（見(jiàn)圖1），殼體長(zhǎng)度為1 595 mm、外徑為 1 860 mm，由30 mm鋼板卷制而成。

圖1 模擬切削用盾構(gòu)機(jī)

為了實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在不同刀盤條件下的模擬切削，根據(jù)需要將刀盤設(shè)計(jì)成部分可拆卸式以完成面板式刀盤和輻條式刀盤的轉(zhuǎn)換，并且可改變刀盤的開(kāi)口率。本次切削模擬的刀盤如圖2所示。

圖2 刀盤布置

刀盤驅(qū)動(dòng)由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過(guò)驅(qū)動(dòng)刀盤上2個(gè)液壓馬達(dá)小齒輪、大軸承上的內(nèi)齒圈、矩形筒和受力環(huán)來(lái)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)。刀盤驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

刀盤扭矩：117 kN·m（1.5 r/min）；刀盤轉(zhuǎn)速：0～6 r/min；刀盤驅(qū)動(dòng)：液壓馬達(dá)2臺(tái)（型號(hào)：A2FE45）；減速機(jī)：2 臺(tái) GFB 36 T3。

功能上，刀盤能實(shí)現(xiàn)雙向回轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速連續(xù)實(shí)時(shí)可調(diào)，另外還在刀盤系統(tǒng)上安裝了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，實(shí)時(shí)反饋刀盤工作信息。

螺旋輸送機(jī)由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋輸送機(jī)上的液壓馬達(dá)帶動(dòng)螺旋機(jī)的螺桿旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，也由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋輸送機(jī)上的2個(gè)閘門油缸完成閘門的開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)作。本次試驗(yàn)暫不使用螺旋輸送機(jī)排渣。

主頂由主頂動(dòng)力泵站提供壓力油至6個(gè)油缸完成伸縮動(dòng)作，完成盾構(gòu)機(jī)的頂進(jìn)動(dòng)作，主要技術(shù)參數(shù)如下：

油缸行程：1 500 mm；油缸個(gè)數(shù)：6個(gè)；推進(jìn)速度：0～60 mm/min；額定頂力：3 000 kN；最大頂力：3 900 kN；額定壓力：24 MPa；最大壓力：30 MPa。

模擬盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3。

圖3 模擬盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 混凝土材料配合比調(diào)整

為滿足盾構(gòu)切削混凝土地連墻的試驗(yàn)要求，以高滲透性和特深連續(xù)地墻施工性為材料關(guān)鍵指標(biāo)，擬定材料參數(shù)：抗?jié)B等級(jí)P8，擴(kuò)展度（550±50）mm，坍落度（220±20）mm。

選取低強(qiáng)砂漿、高強(qiáng)砂漿、塑性填芯混凝土和C35水下混凝土4種類型材料進(jìn)行配合性能測(cè)試，具體配合比見(jiàn)表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 材料配合比 kg/m3

表2 混凝土性能測(cè)試結(jié)果

由表2可知：M15低強(qiáng)砂漿抗?jié)B等級(jí)為P6,泌水嚴(yán)重；塑性填芯混凝土1、2強(qiáng)度相對(duì)較低，不符合試驗(yàn)要求。M30高強(qiáng)砂漿和C35水下混凝土強(qiáng)度符合要求，流動(dòng)性佳，抗?jié)B等級(jí)滿足P8要求。此外，針對(duì)礦粉對(duì)材料早期強(qiáng)度有著較為明顯的影響這一特性，將膠凝材料中各組分比例進(jìn)行調(diào)整，使之達(dá)到最佳摻量，調(diào)整后的配合比見(jiàn)表3。

表3 調(diào)整后混凝土與砂漿配合比 kg/m3

由2種材料強(qiáng)度發(fā)展觀測(cè)結(jié)果可以看出，M30高強(qiáng)砂漿和C35水下混凝土均符合盾構(gòu)切削地下連續(xù)墻施工強(qiáng)度要求，且前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩，易于切削。

3 盾構(gòu)切削地連墻的模擬試驗(yàn)技術(shù)

3.1 地連墻模擬試件

切削試件見(jiàn)圖4，切削試件尺寸為2.5m×2.5m×0.6 m，切削面為 ?1.8 m的圓面。

圖4 切削試件

盾構(gòu)切削范圍內(nèi)玻璃纖維筋和鋼筋分布如圖5所示，其中玻璃纖維筋采用雙層雙向 ?22@300的型式進(jìn)行布置。

圖5 玻璃纖維筋及鋼筋布置（單位：mm）

本次模擬試件分別采用M30高強(qiáng)砂漿和C35水下混凝土2種材料進(jìn)行澆筑，對(duì)比常規(guī)超深地連墻澆筑材料的切削性能。

3.2 試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

試驗(yàn)時(shí)將模擬地連墻試件固定于固定裝置處（見(jiàn)圖6），底部采用固定支座墊高并調(diào)節(jié)好高度，使盾構(gòu)機(jī)的切削面位于試件正中部。為防止盾構(gòu)機(jī)在切削時(shí)發(fā)生自身轉(zhuǎn)動(dòng)，在盾構(gòu)機(jī)殼體與軌道交界處焊有防轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。切削面外側(cè)安裝攝像機(jī)進(jìn)行切削觀測(cè)。推進(jìn)油缸內(nèi)置位移傳感器，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)距離及推進(jìn)壓力。刀盤內(nèi)裝有轉(zhuǎn)速傳感器和液壓傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速。同時(shí)，在刀盤切削位置裝有紅外溫度傳感器，測(cè)量刀盤溫度和管片表面溫度。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

3.3 試驗(yàn)過(guò)程及參數(shù)監(jiān)測(cè)

本次試驗(yàn)的操作流程見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)流程圖

先進(jìn)行M30高強(qiáng)砂漿試件的切削試驗(yàn)。將模擬盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度設(shè)定至最低值，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定至較高的固定值，保持刀盤轉(zhuǎn)速不變，推進(jìn)切削砂漿試件。若可以順利切削，推進(jìn)5 min后逐級(jí)增加推進(jìn)速度，每級(jí)增加1 mm/min。觀察切削效果，當(dāng)推進(jìn)速度增加至無(wú)法切削時(shí)，停止推進(jìn)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)記錄的推進(jìn)推力值，設(shè)定一固定推力進(jìn)行推進(jìn)，保持恒定刀盤轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定切削30 min至1 h，記錄推進(jìn)距離，得出平均推進(jìn)速度。用同樣的方式得出C35水下混凝土試件的平均推進(jìn)速度進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)時(shí)每個(gè)試件前10 cm行程主要進(jìn)行切削調(diào)試，調(diào)整各向切削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)；10～20 cm行程主要進(jìn)行穩(wěn)定切削參數(shù)試驗(yàn)，得出一固定推力；20～30 cm行程進(jìn)行連續(xù)切削，計(jì)算得出平均切削速度以便對(duì)比；30～60 cm行程暫作備用。

切削參數(shù)監(jiān)測(cè)方法如下：

推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩及總推力直接由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集。刀具磨損方面，分別對(duì)所有刀具進(jìn)行編號(hào)，并在同一角度下對(duì)所有刀具進(jìn)行拍攝，每次推進(jìn)工況結(jié)束后，退出機(jī)頭，再次在同一角度下對(duì)所有刀具進(jìn)行拍攝，以便進(jìn)行前后對(duì)比。試件切削面方面，對(duì)每次切削工況完成后的試件切削面進(jìn)行拍攝記錄，切削面上若存在玻璃纖維筋的進(jìn)行標(biāo)記后拍攝記錄。

4 試驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)優(yōu)化

M30高強(qiáng)砂漿試件切削面情況如圖8所示，刀具磨損情況如圖9所示。

圖8 M30高強(qiáng)砂漿試件切削面

圖9 刀具磨損情況

通過(guò)2組材料的切削情況對(duì)比，發(fā)現(xiàn)以下2個(gè)問(wèn)題：（1）試件材料強(qiáng)度偏高，切削速度慢；（2）刀盤磨損較為嚴(yán)重。

故后續(xù)將進(jìn)行以下技術(shù)優(yōu)化：（1）調(diào)整混凝土材料配比，降低切削材料強(qiáng)度；（2）調(diào)整刀具布置，優(yōu)化刀盤切削性能；（3）優(yōu)化切削參數(shù)設(shè)置。

5 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了可模擬盾構(gòu)切削地連墻混凝土材料的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)材料，詳細(xì)制定了相應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)M方法和試驗(yàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)方案。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的初步分析可知，在試件材料和刀盤設(shè)計(jì)兩個(gè)方面存在一定的改進(jìn)空間，故提出下一步在試驗(yàn)材料和試驗(yàn)技術(shù)兩個(gè)方面的優(yōu)化方案，以期獲得更優(yōu)的試驗(yàn)結(jié)果。