屈通通

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，線路穿越既有線的情況也隨之增多，不可避免的穿越地連墻、圍護(hù)樁等障礙物。結(jié)合臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號(hào)線臨頓路站地連墻、圍護(hù)樁，提出了MJS加固+新制盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)穿越方案，對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度模擬計(jì)算，并增設(shè)了一套刀盤(pán)冷凍系統(tǒng)，設(shè)計(jì)冷凍管路以備應(yīng)急，可為類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；下穿既有線；磨樁；冷凍刀盤(pán)

1? ?工程背景

蘇州市軌道交通6號(hào)線臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號(hào)線臨頓路站，臨頓路南端頭左右線均為接收井，車(chē)站端頭與1號(hào)線車(chē)站距離5.95m（換乘通道長(zhǎng)度）。臨蘇區(qū)間穿越既有線主要障礙物有1號(hào)線臨頓路站800厚圍護(hù)地墻、車(chē)站底板下Φ800臨時(shí)立柱樁及1、2號(hào)出入口Φ800圍護(hù)樁。

區(qū)間共穿越1號(hào)線車(chē)站南北側(cè)4處地下連續(xù)墻（雙洞）、車(chē)站底臨時(shí)立柱樁5根、車(chē)站附屬圍護(hù)鉆孔灌注樁30根。穿越區(qū)主要障礙物包括：1號(hào)線臨頓路站800厚圍護(hù)地墻（長(zhǎng)33m，與車(chē)站內(nèi)襯形成疊合結(jié)構(gòu)）、車(chē)站底板下Φ800臨時(shí)立柱樁（底板以下內(nèi)插3m長(zhǎng)型鋼格構(gòu)柱）；附屬1、2號(hào)出入口Φ800圍護(hù)樁。節(jié)點(diǎn)區(qū)1號(hào)線車(chē)站基底埋深18.5m，6號(hào)線車(chē)站基坑深33m，較1號(hào)線車(chē)站基底深14.5m。

2? ?總體施工方案

在盾構(gòu)機(jī)下穿既有線車(chē)站前，對(duì)土體進(jìn)行MJS加固。加固完成后，對(duì)1號(hào)線車(chē)站兩側(cè)地墻、站底立柱樁及附屬圍護(hù)樁均采用盾構(gòu)機(jī)直接切削清障。根據(jù)下穿既有線施工環(huán)境，經(jīng)專(zhuān)家論證新制盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)，使其具備切割圍護(hù)樁、墻能力，并具備開(kāi)倉(cāng)換刀條件。

刀盤(pán)刀具總體為輻條加面板的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，刀具按4個(gè)高度階梯布置。第一層次為正面超前撕裂刀，主要功能為大間距先行切削鋼筋樁體。第二層次主要以可更換的邊緣滾刀和正面栓接可更換的加強(qiáng)撕裂刀為主，主要以切削鋼筋混凝土為主要功能；第三層次以焊接的焊接貝殼刀為主，主要功能為第一、二層次刀具磨損后，使其仍具備切削樁體的能力；第四層次為刮刀，主要以收攏渣土進(jìn)土倉(cāng)為主要功能。

3? ?刀盤(pán)性能模擬驗(yàn)算與分析

刀盤(pán)穿越圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地連墻時(shí)偏載力大，要求刀盤(pán)具有足夠的剛度強(qiáng)度。由于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照滿載和偏載情況，分別對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，驗(yàn)算刀盤(pán)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、刀盤(pán)牛腿焊接質(zhì)量等。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使提供的刀盤(pán)大部分應(yīng)力在150MPa以下，有足夠的剛度強(qiáng)度。且在磨樁、磨墻段偏載較大的條件下，刀盤(pán)變形在彈性變形范圍以內(nèi)。

3.1? ?建立模型

刀盤(pán)有限元分析所采用的三維模型如圖1所示。其有限元網(wǎng)格模型如圖2所示（共約95萬(wàn)單元），設(shè)置材料的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

3.2? ?計(jì)算工況

結(jié)合地質(zhì)條件和實(shí)際掘進(jìn)情況，對(duì)該刀盤(pán)進(jìn)行以下3種工況的有限元分析：

3.2.1? ?標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況

中心滾刀單刃推力250kN，正面及邊緣滾刀單刃推力280kN，主驅(qū)動(dòng)輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.2? ?1/2偏心負(fù)載工況

刀盤(pán)下部約一半數(shù)量的刀具受到額定推力，其余刀具不施加載荷；主驅(qū)動(dòng)輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.3? ?脫困模式工況

刀盤(pán)卡住時(shí)，假設(shè)刀盤(pán)受到巖土的作用力為總推力的一半，主驅(qū)動(dòng)輸出脫困扭矩9830kN·m。

3.3? ?結(jié)果分析

3.3.1? ?標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況分析

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況一般出現(xiàn)在均勻性良好的地層中，掘進(jìn)過(guò)程中所有刀具有效參與掘進(jìn)。此時(shí)刀具承受額定推力載荷，刀具推力載荷施加在刀座正面上，主驅(qū)動(dòng)輸出額定扭矩，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤(pán)法蘭上施加約束。

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況下刀盤(pán)最大應(yīng)力出現(xiàn)在支腿與環(huán)形梁的交接處，大小為194.2MPa。該工況下刀盤(pán)的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，變形云圖如圖3所示。總變形量約為2.11mm，相對(duì)于刀盤(pán)大圓環(huán)直徑的變形率為0.31‰。

3.3.2? ?1/2偏心負(fù)載工況分析

偏心負(fù)載通常出現(xiàn)在上軟下硬的地層中，在此工況下，只有部分刀具參與掘進(jìn)，假定此工況刀盤(pán)下側(cè)一半的刀具參與有效掘進(jìn)，施加的區(qū)域如圖5所示。扭矩按額定扭矩施加，刀具推力載荷施加在刀座正面上，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤(pán)法蘭上施加約束。

1/2偏心負(fù)載工況下刀盤(pán)最大應(yīng)力，出現(xiàn)在如圖6所示的支腿與刀盤(pán)法蘭的交接處，最大應(yīng)力約為195.8MPa。變形云圖如圖7所示?？傋冃瘟考s為2.31mm，相對(duì)于刀盤(pán)大圓環(huán)直徑的變形率為0.34‰。

3.3.3? ?脫困工況分析

脫困模式類(lèi)似于發(fā)生在刀盤(pán)卡住的情況，在額定扭矩輸出下有可能無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，需要通過(guò)短時(shí)間內(nèi)加大主驅(qū)動(dòng)扭矩驅(qū)使刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。假設(shè)刀盤(pán)卡住不動(dòng)，刀盤(pán)承受一半的總推力，主驅(qū)動(dòng)輸出脫困扭矩，推力分?jǐn)偸┘釉诘蹲嫔?，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤(pán)法蘭上施加約束。

脫困工況下刀盤(pán)最大應(yīng)力，出現(xiàn)在如圖8所示的支腿與刀盤(pán)法蘭的交接處，最大應(yīng)力為154.7MPa。變形云圖如圖9所示?？傋冃瘟考s為2.15mm，相對(duì)于刀盤(pán)大圓環(huán)直徑的變形率為0.32‰ 。

3.4? ?分析結(jié)論

分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表1可以看出，在3種工況下該刀盤(pán)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1/2負(fù)載工況。該工況下刀盤(pán)的最大應(yīng)力為195.8MPa，位于支腿與刀盤(pán)法蘭交接處的局部區(qū)域，小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值254MPa，符合刀盤(pán)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求；最大變形量約為2.31mm，出現(xiàn)在1/2負(fù)載工況，變形率為0.34‰，符合刀盤(pán)設(shè)計(jì)的剛度要求。綜上分析可得出，該刀盤(pán)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4? ?刀盤(pán)應(yīng)急設(shè)計(jì)

4.1? ?冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證盾構(gòu)機(jī)磨樁期間在刀具磨損的情況下，為開(kāi)倉(cāng)換刀提供更好的施工條件，經(jīng)專(zhuān)家論證特為盾構(gòu)機(jī)增設(shè)了一套刀盤(pán)冷凍系統(tǒng)。利用刀盤(pán)為等溫體的特性，設(shè)置冷凍管路和冷凍設(shè)備，使盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)附近土體有效凍結(jié)。刀盤(pán)同時(shí)作為承載體，承擔(dān)掌子面總荷載，凍結(jié)體只承擔(dān)開(kāi)口部位荷載。

根據(jù)刀盤(pán)冷凍管路設(shè)置及智能控制系統(tǒng)，針對(duì)具體施工情況，可進(jìn)行分區(qū)不均勻冷凍[2]。刀盤(pán)分2個(gè)區(qū)域，布置2進(jìn)2出的兩個(gè)冷凍液循環(huán)回路。沿刀盤(pán)支腿預(yù)留接口至大法蘭背面，冷凍液通道在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)制作時(shí)完成。

4.2? ?凍結(jié)管路設(shè)計(jì)

停機(jī)時(shí)，可通過(guò)對(duì)每一回路接入冷凍液循環(huán)，使刀盤(pán)整體形成一個(gè)冷凍源，加固掌子面區(qū)域。前盾切口環(huán)設(shè)計(jì)冷凍液循環(huán)管路，用于冷凍切口環(huán)外周邊徑向土體。主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)保護(hù)管路，密閉環(huán)腔內(nèi)可通入循環(huán)熱水，避免主驅(qū)動(dòng)溫度過(guò)低損壞密封。

4.3? ?凍結(jié)施工工藝

如果在第一道、第二道地墻處出現(xiàn)推力增大、扭矩減小，速度減小等情況，配合刀具磨損裝置分析判定刀盤(pán)刀具磨損情況。如果刀具磨損嚴(yán)重，可以啟用冷凍系統(tǒng)將周邊土體冷凍起來(lái)，增加土體自穩(wěn)能力，然后進(jìn)入土倉(cāng)更換刀具。下穿區(qū)地質(zhì)為⑤1層粉質(zhì)黏土，中部和下部為⑥1、⑥2層粉質(zhì)黏土?xí)r，可采取啟用凍結(jié)刀盤(pán)凍結(jié)后，帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查掌子面情況，滿足常壓進(jìn)倉(cāng)條件后即可開(kāi)始更換刀具等施工。

5? ?磨樁施工

5.1? ?施工參數(shù)設(shè)置

磨樁施工過(guò)程中，采用慢推速、中轉(zhuǎn)速磨切樁基，推進(jìn)速度設(shè)定為2～3mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速控制在0.6～0.8r/min左右，貫入度控制在5mm左右。磨樁施工過(guò)程中樁基反作用于刀盤(pán)，刀盤(pán)正面容易受力不均，姿態(tài)控制難度較大，為此應(yīng)加強(qiáng)姿態(tài)控制，特別是垂直姿態(tài)控制糾偏時(shí)要避免急糾、猛糾。下穿區(qū)均采用多孔管片，以利于多點(diǎn)位二次注漿控制。

為減少盾構(gòu)下穿既有線過(guò)程中設(shè)備故障率，在盾構(gòu)下穿前必須進(jìn)行充分、反復(fù)的調(diào)試、檢修。合理設(shè)定土壓力，保證開(kāi)挖面穩(wěn)定。減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，防止因超排土或欠排土導(dǎo)致地層失穩(wěn)，造成沉降或隆起。

5.2? ?螺旋輸送機(jī)出土

為使切除的鋼筋較順利輸出，螺旋機(jī)輸送過(guò)程中 需添加適量的泡沫或者高濃度膨潤(rùn)土泥漿，并充分利用螺旋輸送機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及伸縮螺旋機(jī)等，防止螺旋輸送機(jī)卡住。必要時(shí)，可通過(guò)螺旋輸送機(jī)觀察窗進(jìn)行人工處理[3]。

5.3? ?同步注漿

同步注漿要做到及時(shí)、均勻、足量，確保其建筑空隙得以及時(shí)和足量的充填[4]。根據(jù)注漿壓力及地保監(jiān)測(cè)情況，控制同步注漿量或及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)掌握盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)1號(hào)線的影響，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，并進(jìn)行二次注漿。

6? ?結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號(hào)線臨頓路站地連墻、圍護(hù)樁，提出了MJS加固+新制盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)穿越方案，對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度模擬計(jì)算，并增設(shè)了一套刀盤(pán)冷凍系統(tǒng)，設(shè)計(jì)冷凍管路以備應(yīng)急。

本項(xiàng)目通過(guò)論證，確定復(fù)合凍結(jié)刀盤(pán)在穿越區(qū)進(jìn)行垂直與水平MJS加固后直接磨樁穿越。結(jié)合刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)配置進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確保刀盤(pán)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。建議對(duì)盾構(gòu)穿越影響區(qū)的附屬圍護(hù)樁進(jìn)行鉆孔取樣，以明確盾構(gòu)切削范圍。深化設(shè)計(jì)和施工參數(shù)，減小盾構(gòu)切削既有站地墻時(shí)對(duì)車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響。

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