王煒， 劉招偉， 邵小康， 吉帥科， 楊志勇

(1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司， 北京 100036； 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院， 北京 100083)

漂石地層是一種顆粒級(jí)配極為不均、膠結(jié)性弱、強(qiáng)度高、磨蝕性強(qiáng)的地層，地層中的大粒徑漂石給盾構(gòu)施工造成嚴(yán)重困擾，使得漂石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)充滿(mǎn)著挑戰(zhàn)性。一些研究者借鑒砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)試圖解決漂石地層中的工程難題往往適用性不強(qiáng)，根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范分類(lèi)法，卵石地層為粒徑大于20 mm的顆粒質(zhì)量占比超過(guò)50%，漂石地層的定義為粒徑大于200 mm的顆粒質(zhì)量占比超過(guò)50%，在工程中漂石地層中甚至?xí)霈F(xiàn)800～1 200 mm的大石塊。因此，直接參考砂卵石地層中的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)漂石地層中的盾構(gòu)選型適應(yīng)性不強(qiáng)。目前針對(duì)大粒徑漂石的處理主要存在兩種觀(guān)念，一種是“以排為主”的漂石處理原則，另一種是“以破為主”的原則[1-2]。這兩種漂石處理方式會(huì)形成不同的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案，前者重視漂石在刀盤(pán)上的通過(guò)性，一般會(huì)設(shè)計(jì)成具有大開(kāi)口率的輻條刀盤(pán)，后者更注重對(duì)漂石的破碎能力，一般會(huì)設(shè)計(jì)成面板式刀盤(pán)，并裝配滾刀用以破碎漂石，之后將破碎的石塊從土艙中排出。

近年來(lái)，一些研究者對(duì)類(lèi)似地層條件下的盾構(gòu)選型進(jìn)行了研究：吳和北等[3]、晏啟祥等[4]針對(duì)成都地區(qū)砂卵石地層條件，總結(jié)了盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，給出了該地層條件下的盾構(gòu)選型建議；姜偉等[5]和張志龍等[6]建立了評(píng)價(jià)盾構(gòu)適應(yīng)性的模型，并應(yīng)用于盾構(gòu)工程實(shí)踐；黃新淼等[7]對(duì)不同城市的30個(gè)盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)選型情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、技術(shù)成熟程度等因素影響也是決定盾構(gòu)選型的重要因素之一；楊志勇等[8]和黃清飛[9]結(jié)合北京地區(qū)砂卵石地層特性，總結(jié)了盾構(gòu)刀盤(pán)選型設(shè)計(jì)流程，井結(jié)合具體工程研究了盾構(gòu)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)刀盤(pán)扭矩的影響；尚艷亮等[10]分析了石家莊6個(gè)區(qū)間的地表沉降數(shù)據(jù)，進(jìn)行了無(wú)水砂層盾構(gòu)選型。田四明等[11]結(jié)合太原市的地層情況，進(jìn)行了大直徑土壓平衡盾構(gòu)選型；曠斌[12]使用理論計(jì)算法對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并驗(yàn)證盾構(gòu)選型的合理性；陳健[13]對(duì)武漢軌道交通8號(hào)線(xiàn)越江隧道區(qū)間上軟下硬的復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)選型以及換刀技術(shù)進(jìn)行研究；吳沛霖等[14]針對(duì)廣深港高鐵獅子洋海底隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)該地層條件下的刀盤(pán)選擇、刀具優(yōu)化以及常壓換刀技術(shù)進(jìn)行研究。

眾多研究者針對(duì)北京、成都等地區(qū)的典型砂卵石地層進(jìn)行了盾構(gòu)選型研究，但是針對(duì)粒徑更大、強(qiáng)度更高的漂石地層的盾構(gòu)選型研究仍較為欠缺，特別是關(guān)于“以排為主”和“以破為主”的漂石處理原則的應(yīng)用效果研究仍缺乏現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。因此，現(xiàn)依托位于北京西南地區(qū)大粒徑、高含量漂石地層的盾構(gòu)工程，采用設(shè)置實(shí)際試驗(yàn)掘進(jìn)段的研究方法，通過(guò)對(duì)比兩臺(tái)采用不同刀盤(pán)方案的盾構(gòu)在同一試驗(yàn)段的掘進(jìn)效率、掘進(jìn)參數(shù)、刀具磨損情況來(lái)評(píng)判盾構(gòu)選型的適應(yīng)性，驗(yàn)證的漂石處理方式和盾構(gòu)選型方案的合理性，可為類(lèi)似地層條件的盾構(gòu)選型提供參考。

1 工程概況

北京地鐵16號(hào)線(xiàn)工程榆樹(shù)莊～宛平城區(qū)間(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：榆～宛區(qū)間)盾構(gòu)起自榆樹(shù)莊站，到達(dá)宛平城站接收，盾構(gòu)長(zhǎng)度約2.8 km，如圖1所示。區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道5座。區(qū)間隧道采用圓形預(yù)制鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)，錯(cuò)縫拼裝，弧形螺栓連接，隧道內(nèi)徑5.8 m，隧道外徑6.4 m，管片厚度為0.3 m，環(huán)寬1.2 m，管片混凝土強(qiáng)度C50、抗?jié)B等級(jí)P10。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間平面圖Fig.1 Plan of tunnel alignment

圖2 地層揭露漂石分布情況Fig.2 Distribution of boulders in the stratum

2 地層情況分析

2.1 盾構(gòu)穿越地層

隧道區(qū)間上覆土層厚9.2～20.8 m，結(jié)構(gòu)頂板所在土層主要為卵石③層及卵石④層，結(jié)構(gòu)所在土層主要為卵石③層及卵石④層，局部穿越黏土巖⑦，結(jié)構(gòu)持力層主要為卵石③層、卵石④層及黏土巖⑦。盾構(gòu)區(qū)間主要位于卵石③層及卵石④層，部分盾構(gòu)管片底位于黏土巖⑦層。如圖2所示，卵石③層、卵石④層中漂石尺寸大小多為400～800 mm，最大達(dá)1 200 mm，總量約占體積比55%；其中400～600 mm漂石約占70%，600～800 mm漂石約占20%，800～1 200 mm漂石約占10%。

2.2 漂石特性

為了全面評(píng)價(jià)漂石的特性，取不同埋深的漂石制成相應(yīng)的試件，分別對(duì)進(jìn)行全巖礦物X射線(xiàn)衍射分析試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)和磨蝕性試驗(yàn)，測(cè)定其礦物成分、力學(xué)特性、磨蝕性。

(1)礦物成分分析。對(duì)漂石巖樣進(jìn)行礦物成分分析，測(cè)試其成分含量，結(jié)果表明漂石中主要成分是石英，含量占比約85%，云母含量其次，占6%～10%。

(2)力學(xué)參數(shù)。卵石③層、卵石④層的天然密度分別為2.2、2.5 g/cm3，取漂石進(jìn)行的單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)漂石的抗壓強(qiáng)度最大超過(guò)400 MPa，試件平均強(qiáng)度高達(dá)300 MPa。

(3)磨蝕性。為了評(píng)價(jià)漂石的磨蝕性，取5塊漂石試樣用ATA-IGGⅠ巖石磨蝕伺服試驗(yàn)儀進(jìn)行磨蝕性試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)得鋼針磨蝕值換算得到漂石的Cerchar磨蝕系數(shù) (Cerchar abrasivity index, CAI)，試驗(yàn)結(jié)果顯示漂石試樣的平均CAI磨蝕值為2.63，磨蝕性較高。

表1 漂石試樣單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of uniaxial compression test

綜上，本工程面對(duì)的漂石地層有以下幾個(gè)特性：①粒徑大，大粒徑含量高。粒徑大于400 mm的漂石占比超過(guò)55%，漂石最大長(zhǎng)度可達(dá)1 200 mm；②主要礦物成分為石英與云母，其單軸抗壓強(qiáng)度極高，平均強(qiáng)度達(dá)300 MPa；③磨蝕性較高，平均CAI磨蝕值為2.63。

3 盾構(gòu)選型分析

土壓平衡盾構(gòu)常用的刀盤(pán)形式有三種，即輻條式刀盤(pán)、面板式刀盤(pán)、輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)。輻條式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)由幾根輻條組成，刮刀和先行刀安裝于輻條上，開(kāi)口率大(一般超過(guò)50%)；面板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)由面板組成，主要切削刀具安裝于面板上，開(kāi)口率小(一般在20%～40%)；輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)由輻條+面板組成，主切削刀具安裝于輻條上，面板上安裝輔助切削刀具，開(kāi)口率介于面板式和輻條式刀盤(pán)之間。

為了驗(yàn)證并得到對(duì)漂石地層更具適應(yīng)性的刀盤(pán)型式，本次研究設(shè)置了從始發(fā)井到4號(hào)檢修井的試驗(yàn)掘進(jìn)段，中途可進(jìn)行刀具磨損測(cè)量和更換刀具。試驗(yàn)段左線(xiàn)采用輻條式刀盤(pán)，右線(xiàn)采用輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)。輻條刀盤(pán)是北京地區(qū)砂卵石地層中最常用的刀盤(pán)型式，本研究設(shè)置的左線(xiàn)試驗(yàn)段可驗(yàn)證北京地區(qū)典型的卵石地層土壓平衡盾構(gòu)施工的成功經(jīng)驗(yàn)是否適用于漂石地層。試驗(yàn)段右線(xiàn)開(kāi)口率較小的輻條面板式刀盤(pán)限制大粒徑漂石進(jìn)入土艙，并在刀盤(pán)上配制滾刀破碎部分大粒徑漂石，用以對(duì)比“以排為主”和“以破為主”的漂石處理原則實(shí)際應(yīng)用效果。

3.1 刀盤(pán)型式

試驗(yàn)段左線(xiàn)采用“以排為主”的大粒徑漂石處理原則，盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)采用輻條式結(jié)構(gòu)、液驅(qū)動(dòng)力以及重型撕裂刀的配置形式。針對(duì)砂卵石地層對(duì)刀盤(pán)的耐磨性要求較高，為保證盾構(gòu)的正常掘進(jìn)，刀盤(pán)大圓環(huán)采用三圈合金耐磨塊全覆蓋，靠近切口環(huán)的大圓環(huán)部位采用合金耐磨塊全覆蓋；同時(shí)刀盤(pán)上設(shè)置有兩處油壓式磨損檢測(cè)裝置，及時(shí)檢測(cè)刀盤(pán)及刀具磨損情況。如圖3(a)所示，刀盤(pán)開(kāi)口率為56%，總質(zhì)量46 t，刀盤(pán)直徑6 680 mm，材質(zhì)為Q345B。

試驗(yàn)段右線(xiàn)盾構(gòu)采用“以排為主，排破結(jié)合”的漂石處理原則。如圖3(b)所示，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)為4輻條+4面板的復(fù)合刀盤(pán)，刀盤(pán)開(kāi)口率為43%，刀盤(pán)直徑6 680 mm，重量59 t，材質(zhì)為Q345B。刀盤(pán)的主要切削刀具為滾刀，面板上增加重型焊接撕裂刀，撕裂刀最外側(cè)鑲嵌合金塊可提高其抗沖擊性。

圖3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式Fig.3 Structure of the cutter head

3.2 刀具布置

輻條刀盤(pán)為保證刀具的強(qiáng)度及耐沖擊性，撕裂刀全部采用重型撕裂刀，并適當(dāng)加大了切刀及邊刮刀的迎渣角度。

復(fù)合式刀盤(pán)中心布置四把雙刃滾刀，滾刀為主切削刀具，第一層為滾刀，高度為175 mm，安裝于輻條上；第二層為撕裂刀，高度為155 mm，焊接在面板及刀盤(pán)輻條末端；切刀一層，刀高120 mm，采用螺栓連接；同時(shí)在刀盤(pán)面板周邊位置布置8把滾刀，用于破碎周邊大粒徑卵石，防止阻塞盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)；并將所有滾刀和撕裂刀做可互換設(shè)計(jì)。兩種刀盤(pán)型式刀具配置情況如表2所示。

表2 刀盤(pán)刀具配置表Table 2 Tool configuration of cutterhead

3.3 其他系統(tǒng)

左、右線(xiàn)兩臺(tái)盾構(gòu)均由中鐵裝備生產(chǎn)制造，除刀盤(pán)分別為輻條式、輻條面板復(fù)合式這一主要區(qū)別外，其余主要系統(tǒng)均一致。

盾構(gòu)配置10組驅(qū)動(dòng)，最大推力為4 086 t，額定扭矩為7 850 kN/m，脫困扭矩為9 500 kN/m。采用主動(dòng)式鉸接，12根鉸接油缸，鉸接推力3 378 t，可準(zhǔn)確控制前盾與中盾的角度，便于盾構(gòu)機(jī)在曲線(xiàn)段的掘進(jìn)施工以及盾尾卡死時(shí)的脫困。

4 盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)的總推力、刀盤(pán)扭矩和正常掘進(jìn)時(shí)的平均推進(jìn)速度如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Fig.4 Shield tunneling parameters

左線(xiàn)盾構(gòu)的穩(wěn)定推力的變化范圍為1.0×104～1.8×104kN，平均推力13 267 kN，穩(wěn)定刀盤(pán)扭矩4.0×103～6.0×103kN·m，平均扭矩為4 800 kN·m，平均推進(jìn)速度為68 mm/min；右線(xiàn)盾構(gòu)的推力的變化范圍為0.9×104～1.4×104kN，平均推力為11 696 kN，刀盤(pán)扭矩為3.0×103～5.0×103kN·m，平均扭矩為3 900 kN·m，平均推進(jìn)速度為84 mm/min。左線(xiàn)盾構(gòu)的總推力、刀盤(pán)扭矩均明顯高于右線(xiàn)，右線(xiàn)盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)速度比左線(xiàn)平均快16 mm/min。

圖5 左、右線(xiàn)盾構(gòu)月掘進(jìn)距離Fig.5 Shield tunneling distance per month

4.2 掘進(jìn)進(jìn)尺

左、右線(xiàn)盾構(gòu)的月掘進(jìn)環(huán)數(shù)如圖5所示，按開(kāi)工后總時(shí)間計(jì)算，左線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)效率為110 環(huán)/月，右線(xiàn)為74 環(huán)/月。為了更直觀(guān)的對(duì)比兩臺(tái)盾構(gòu)的施工效率，扣除盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的時(shí)間，按盾構(gòu)穩(wěn)定掘進(jìn)時(shí)間計(jì)算，從2020年5月至盾構(gòu)到達(dá)檢修井停機(jī)，左線(xiàn)盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)間46 d，右線(xiàn)正常掘進(jìn)53 d，左、右線(xiàn)的掘進(jìn)效率分別為10.3環(huán)/d、7.6 環(huán)/d，左線(xiàn)盾構(gòu)的掘進(jìn)效率比右線(xiàn)盾構(gòu)高35%。

4.3 停機(jī)時(shí)間

自盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)至4號(hào)檢修井停機(jī)位置，除去2020年初疫情防控導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)外，盾構(gòu)出土量超限是導(dǎo)致盾構(gòu)停機(jī)的主要因素。右線(xiàn)超排停機(jī)注漿14次，平均停機(jī)地面注漿時(shí)長(zhǎng)為6 d，右線(xiàn)因超排停機(jī)時(shí)間總長(zhǎng)為77 d；左線(xiàn)超排停機(jī)地面注漿1次，地面注漿時(shí)間為8 d。

4.4 刀盤(pán)磨損分析

進(jìn)行刀具檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)右線(xiàn)刀盤(pán)的滾刀磨損正常，磨損量2～3 mm，9把單刃滾刀出現(xiàn)刀圈崩裂，刮刀損壞嚴(yán)重，且多為磕破。右線(xiàn)刀盤(pán)的泡沫保護(hù)刀磨損嚴(yán)重，且有3路泡沫孔被砂石堵塞。左線(xiàn)輻條式刀盤(pán)的磨損情況較好，邊緣撕裂刀和保徑刀磨損較為嚴(yán)重，有1路泡沫孔出現(xiàn)堵塞。刀具檢修情況如圖6所示。

圖6 刀盤(pán)磨損情況Fig.6 Tool abrasion

由刀具檢修情況可知，左、右兩刀盤(pán)刀具出現(xiàn)“損”的破壞明顯多于“磨”，刀具被磕壞、合金塊脫落的概率較高，漂石的粒徑大、含量高、強(qiáng)度高是導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的主要因素。右線(xiàn)復(fù)合刀盤(pán)的開(kāi)口率較小，試圖使用滾刀將平均強(qiáng)度高達(dá)300 MPa的大粒徑漂石擊破是不現(xiàn)實(shí)的。大粒徑漂石聚集在刀盤(pán)前方無(wú)法進(jìn)入土艙，反而對(duì)刀具產(chǎn)生危害，造成滾刀刀圈崩裂、刮刀刀刃崩落。另外，刀盤(pán)前方聚集的石塊對(duì)渣土改良注入口造成嚴(yán)重?fù)p壞，刀盤(pán)泡沫口頻繁被堵塞，影響盾構(gòu)渣土改良系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)盾構(gòu)刀盤(pán)上方出現(xiàn)大漂石掉落引起超挖、超排時(shí)，難以通過(guò)刀盤(pán)注入孔注入膨潤(rùn)土等材料填充地層，引發(fā)地層塌陷的風(fēng)險(xiǎn)，這是右線(xiàn)頻繁停機(jī)的主要原因。左線(xiàn)輻條刀盤(pán)的開(kāi)口率更大，大漂石容易進(jìn)入土艙。刀具磨損情況、掘進(jìn)效率以及掘進(jìn)參數(shù)均表明左線(xiàn)盾構(gòu)本工程的地層條件更具適應(yīng)性。

5 結(jié)論

北京地鐵16號(hào)線(xiàn)榆～宛區(qū)間盾構(gòu)穿越粒徑大、強(qiáng)度高、磨蝕性強(qiáng)的漂石，通過(guò)對(duì)比采取輻條式刀盤(pán)、輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)的兩臺(tái)盾構(gòu)在同一試驗(yàn)段的掘進(jìn)參數(shù)、掘進(jìn)效率、刀具磨損情況，獲取了更具適應(yīng)性的盾構(gòu)選型方案，得出以下結(jié)論。

(1)相比于輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)，輻條式刀盤(pán)對(duì)大粒徑漂石地層更具適應(yīng)性。輻條式刀盤(pán)開(kāi)口率更高，大漂石更易通過(guò)，而輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)開(kāi)口小，加之滾刀對(duì)高強(qiáng)度的漂石的破碎效果差，大漂石難以進(jìn)入土艙，刀具也更容易損壞。因此，漂石地層建議采用刀盤(pán)開(kāi)口率更高的刀盤(pán)，即采取“以排為主”的漂石處理原則。

(2)采用輻板輻條復(fù)合式刀盤(pán)的盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤(pán)泡沫注入孔更易發(fā)生堵塞，渣土改良系統(tǒng)難以工作，嚴(yán)重影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)，導(dǎo)致綜合掘進(jìn)效率比輻條式刀盤(pán)盾構(gòu)低35%。

(3)漂石地層的高強(qiáng)度、高磨蝕性漂石對(duì)刀具的損害嚴(yán)重，輻條式刀盤(pán)的邊緣撕裂刀、保徑刀磨損大，特別是位于出土口處的刮刀被磕破的概率高；輻條面板復(fù)合式刀盤(pán)部分滾刀出現(xiàn)刀圈崩裂，刮刀破損嚴(yán)重，泡沫口被嚴(yán)重?fù)p壞，影響施工效率。

通過(guò)對(duì)比分析輻條式盾構(gòu)、輻條面板式盾構(gòu)在漂石地層的綜合掘進(jìn)效果，發(fā)現(xiàn)輻條式盾構(gòu)在該地層的掘進(jìn)的可靠性和效率更高，但是針對(duì)無(wú)法正常排出的超大粒徑的漂石仍然只能采用開(kāi)艙后人工擊破的處理辦法，具有一定的施工風(fēng)險(xiǎn)，此外如何解決漂石地層中盾構(gòu)刀具磨損問(wèn)題是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，建議進(jìn)一步對(duì)漂石地層中盾構(gòu)刀具設(shè)計(jì)、布置以及換刀技術(shù)開(kāi)展針對(duì)性研究。