大粒徑卵礫石地層盾構刀盤選型及適應性評價

摘要：

大粒徑卵礫石地層是北京地鐵修建過程中開挖難度最大的地層之一，給土壓平衡盾構施工造成了一系列的難題。刀盤是土壓平衡盾構的重要構件之一，合理的刀盤結構型式是大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構高效、可靠運行的前提。為了找出適用于大粒徑卵礫石地層的刀盤結構型式，以北京地鐵九號線盾構工程為背景，開展大粒徑卵礫石地層土壓平衡盾構開挖原型試驗，基于“北京地鐵盾構施工實時管理系統”和“北京地鐵建設安全風險技術管理體系”收集盾構關鍵施工參數，以現場掘進試驗數據有基礎，對盾構掘進效能、盾構關鍵參數地層適應性及刀具磨損情況進行了對比研究。研究結果表明：1）大粒徑砂卵石地層輻條式刀盤適應性更好，掘進效率更高，對刀具的磨損控制更為有利；2）輻條式刀盤可適當增大開口率至55%～65%；3）大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式土壓力控制更加穩定；提高盾構掘進速度的同時，應注意盾構土壓力的控制，合理的盾構推進速度應為20～60 mm/min。

關鍵詞：

大粒徑卵礫石地層；現場試驗；面板式；輻條式；地層適應性

中圖分類號：

TU 94.1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2014）05-0119-06

Cutting Wheel Structure Selection of EPB TBM and Its Adaptability Evaluation in Large Particle Size Gravel Strata

Jiang Hua1，2， Jiang Yusheng1， Zhang Jinxun2，Yang Zhiyong1

（1. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083， P.R.China； 2. Postdoctoral Programme， Beijing Urban Construction Group Co.，Ltd，Beijing 10088，P.R.China）

Abstract：

Large particle size gravel strata layer is very difficult for TBM construction which brings about a series of problems for EPB TBM advancing in Beijing Metro. Cutting wheel is an important component of EPB TBM and cutting wheel with reasonable structure is essential for EPB TBM to advance steadily and effectively in large particle size gravel strata. In-situ EPB TBM advancing tests are carried out in large two adjacent shield interval where the strata conditions make it possible to find out the most efficient cutting wheel structure by monitoring key parameters through Real-time Information Management System. Based on the analysis and comparison of advancing efficiency， strata adaptability of key parameters and tools wearing， the following conclusions can be obtained： 1） Spoke cutting wheel has better strata adaptability and higher efficiency than panel cutting wheel as well as more advantages in controlling tools wearing. 2） open ratio ranging from 55% to 65% is the reasonable for cutting wheel. 3） Advancing speed and earth pressure are very important for EPB TBM construction. Compared with panel cutting wheel， spoke cutting wheel can obtained higher advancing speed and more stable earth pressure in tests. However the change of earth pressure should also be paid attention when EPB TBM advancing in fast speed. The advancing speed should be controlled in the range of 20 to 60 mm/min.

Key words：

large size gravel stratum； in-situ tests； panel-type； spoke-type； stratum adaptability

隨著科學技術的不斷發展和城市化進程的不斷加快，盾構工法以安全、高效、機械性能高、對周圍環境及地層擾動小等優點，已經逐漸取代明挖、淺埋暗挖等工法，成為城市地下隧道修建的首選工法。但盾構要充分發揮其最佳設計性能，盾構選型至關重要，盾構選型不僅僅與盾構施工成本、盾構掘進進度有關，嚴重時還能影響整個工程的成敗。刀盤位于土艙的前部，直接與開挖土體接觸，一方面具有切削和排出渣土的功能，另外刀盤本身還具有支護掌子面的功能。因此，刀盤選型是盾構選型的關鍵，而刀盤的結構型式是盾構選型時需要確定的主要指標，是影響掘進性能的決定性因素。目前國內外常用的盾構刀盤型式主要有輻條式和面板式兩種，在各種土層中采用哪種型式刀盤更合理一直是盾構對地層適應性研究的重要內容[1-3]。

目前，尚沒有定量地計算分析刀盤結構型式對地層適應性的文獻，大多數研究主要基于模型試驗，并取得了一系列的研究成果。如徐前衛等[4-5]以北京地區砂土地層為研究對象，通過盾構掘進模型試驗得出刀盤開口率是盾構掘進性能的重要影響因素，應根據地層對其進行專項設計。胡國良等^[6]研究了盾構掘進參數與地層的相互關系，分析了刀盤開口率與刀盤扭矩的相互影響規律。王洪新等[7-11]開展了盾構模型試驗，研究了刀盤開口率對盾構推力、刀盤扭矩、出土量的影響。宋克志等^[12]研究了刀盤結構型式及工程適應性特征，重點對輻條式和面板式刀盤進行了對比研究。

然而，盾構是一種機械化、專業化程度較高的隧道開挖設備，由于室內模型試驗容易受到模型尺寸、設備相似度、開挖材料及測量精度等因素的限制，模型隧道開挖試驗很難得到預期的試驗結果。因此，開展盾構現場掘進試驗，是得到精度的盾構以北京地鐵九號線大粒徑卵礫石地層盾構工程為背景，基于北京地鐵建設安全技術管理體系，選取2個地層條件類似的標段開展盾構現場掘進試驗對比研究，通過研究輻條式和面板式兩種常用刀盤在大粒徑卵礫石地層中的適應性特征，總結出大粒徑卵礫石地層適應性更好的刀盤結構型式，為將來類似工程刀盤的設計、選型提供參考。

1 盾構隧道現場開挖試驗

1.1 盾構試驗條件

1）地鐵九號線02標“科—南”區間

北京地鐵九號線02標段“科—南”區間隧道左線長為746 m，采用海瑞克S488的土壓平衡盾構進行現場試驗，開挖直徑6.26 m，采用面板式刀盤，開口率約為42%。盾構隧道主要穿越卵石⑤層，屬于大粒徑卵礫石地層，大粒徑卵礫石含量高，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%，其中漂石最大粒徑380 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。地層中無地下水。

2）地鐵九號線03標“豐東—豐北”區間

北京地鐵九號線03標“豐東—豐北”區間隧道左線長度1 030 m，采用石川島的土壓平衡盾構進行現場試驗，開挖直徑6.26 m，刀盤為輻條式結構，開口率約為60%，盾構隧道主要穿越卵石⑤層，大粒徑卵礫石的含量與02標基本相同，卵礫石粒徑大于20 mm的含量約占80%～90%，粒徑大于200 mm的漂石含量約占15%～45%；地層中揭露漂石最大粒徑400 mm，卵礫石平均粒徑20～80 mm。

1.2 試驗過程分析

為盡量真實的反映盾構設備與地層的適應性特征，現場盾構掘進試驗參數的選取盡量貼近實際工程施工控制標準。現場試驗主要分兩個階段：第1階段，北京地鐵九號線02標段“科—南”區間現場試驗；第2階段，北京地鐵九號線03標段“豐東—豐北”區間掘進試驗。具體試驗安排如下所示：

1）第1階段試驗總歷時105 d，2010年1月17日試驗盾構始發，2010年5月1日試驗盾構到達，平均掘進速度每天5.9環，最大掘進速度每天14環。

2）第2階段試驗總歷時121 d， 2011年2月21日盾構始發，2011年6月20日試驗盾構到達，平均掘進速度每天7.0環，最大掘進速度每天31環。

1.3 試驗數據的采集與分析

現場試驗數據設定、控制以“北京地鐵建設安全風險技術管理體系”為準則，數據采集利用“盾構施工信息管理系統”。數據采集和分析過程如下：

1）利用數據傳輸軟件通過預先布設的光纖將地下隧道盾構工控機上自動采集的數據傳輸至地面電腦；

2）利用數據傳輸軟件通過Internet數據實時的從現場地面電腦傳輸至遠程服務器（設置在北京地鐵公司）；

3）利用“盾構施工實時信息管理系統”訪問服務器，對盾構施工參數進行分析和處理。數據傳輸過程如圖1所示。

2 盾構掘進效能對比研究

面板式刀盤開口率較小，大多小于45%，盾構在大粒徑卵礫石地層掘進時，由于刀盤開口率的限制，不僅刀盤前方的大粒徑卵礫石很難快速進入土艙，并順暢的通過螺旋輸送機排出；而且，滯留在刀盤前方和土艙內的大粒徑卵礫石會和刀盤、刀具及攪拌裝置發生2次或多次摩擦，大大增加盾構掘進負荷的同時，顯著降低了盾構掘進開挖效率。現場試驗結果表明：輻條式土壓平衡盾構掘進效率比面板式盾構約高3倍，輻條式土壓平衡盾構在大粒徑卵礫石地層中掘進的適應性比面板式盾構更好，對盾構隧道開挖工期的控制更有把握。具體數據為：北京地鐵九號線02標段“科—南”區間盾構平均速度約為23 mm/min，平均貫入度約22 mm/rpm，整個推進過程中時有推進速度和貫入度為零的情況發生，如圖2所示；“豐東—豐北”區間盾構平均速度67 mm/min，平均貫入度75 mm/rpm，如圖3所示。

3 盾構關鍵參數控制及地層適應性對比研究

3.1 上土壓力控制及地層適應性對比研究

上土壓力是指土艙頂部壓力傳感器記錄的土壓力值，由于上土壓力對開挖面穩定性和地表變形最為敏感，因此常被用于研究。

現場試驗結果表明：采用面板式刀盤時，盾構上土壓力控制值偏小、波動范圍大，易出現地表沉降超限和地面塌方等事故；相反，采用輻條式刀盤時，盾構上土壓力控制的更為穩定，更有利于開挖面穩定及地表沉降控制。如圖4所示，41環盾構平均控制值約為0.3 bar，且約有一半的時間上土壓力小于0.3 bar；如圖5所示，上土壓力平均控制值為0.53 bar， 且大多數時間在0.45～0.60 bar范圍內變化，對地表沉降控制非常有利。

3.2 盾構總推力控制及地層適應性對比研究

如圖6、7所示，盾構正常推進過程中，采用面板式刀盤時，盾構總推力較小，約為8 000～12 000 kN；采用輻條式刀盤時，盾構總推力較大，約為19 000～24 000 kN。現場試驗結果表明：輻條式刀盤開口率約比面板式高30%，但盾構總推力卻高了約50%。由于除了地層條件，盾構總推力還受推進速度和貫入度的影響，因此，為了消除掘進速度和貫入度對盾構總推力的影響，將盾構總推力進行歸一化處理，得到地層識別參數場切深指數FPI（FPI=盾構總推力/貫入度），用以評價盾構設備的地層適應性。如圖10所示，面板式刀盤的場切深指數FPI約為輻條式刀盤的2倍，結果表明：在相同密實度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤單位貫入度需比輻條式刀盤需消耗約2倍的盾構總推力，即輻條式刀盤比面板式刀盤開挖效率更高，更適用于大粒徑卵礫石地層盾構施工。

3.3 刀盤扭矩控制及地層適應性對比研究

刀盤扭矩是表征土壓平衡盾構掘進效能的一個綜合性指標，刀盤扭矩控制的合理與否，對大粒徑卵礫石地層盾構適應性至關重要。上述現場掘進試驗表明：不管采用輻條式刀盤還是面板式刀盤，盾構在大粒徑卵礫石地層掘進時設備總體符荷偏大，掘進效能較低，如圖8和圖9所示。進一步分析可知，采用面板式刀盤時，刀盤扭矩波動范圍較大，為1 135～5 200 kN·m；想反，輻條式刀盤的扭矩控制更為合理，浮動范圍小，約為4 200～4 800 kN·m，如圖9所示。

類似于盾構總推力的分析方法，采用歸一化參數扭矩切深指數TPI（TPI=刀盤扭矩/貫入度）表征盾構設備的適應性特征。 如圖10所示，面板式刀盤扭矩切深指數TPI約為輻條式刀盤的3倍，結果表明：在相同密實度和軟硬程度的卵礫石地層，面板式刀盤單位貫入度需比輻條式刀盤消耗約為3倍的扭矩。這一結論進一步驗證了雖然輻條式刀盤總扭矩要高于面板式，但產生了更高的推進速度和貫入度，在大粒徑卵礫石地層輻條式土壓平衡盾構掘進效能和地層適應比面板式盾構更好。

4 刀具磨損情況對比研究

北京地鐵九號線卵礫石地層卵石含量高、粒徑大、屬于強磨蝕性地層，控制刀具磨損和提高合理的換刀距離對盾構施工至關重要。現場掘進試驗表明，刀盤結構型式對刀具磨損影響較大，其中面板式刀盤開口率較小，盾構掘進過程中，大粒徑卵礫石很難快速進入土艙，卵礫石與刀具易發生2次或多次磨損，大大降低了刀具的正常使用壽命；采用面板式刀盤的“科—南”區間換刀距離較短，約為240 m；相反，輻條式刀盤由于開口率足夠大，大粒徑卵礫石一經開挖就能快速進入土艙，因此盾構掘進過程中刀具磨損相對較小，采用輻條式刀盤的“豐東—豐北”區間平均換刀距離約為400 m；結果表明：在大粒徑卵礫石地層，相比面板式刀盤，輻條式刀盤對刀具磨損的保護和控制更為有利，減少了盾構換刀次數，提高了盾構掘進效率，降低了盾構施工成本。

5 結 論

以北京地鐵九號線02標“科—南”區間和03標“豐東—豐北”區間盾構工程為背景，進行現場掘進試驗，對大粒徑卵礫石地層盾構掘進效能、關鍵參數地層適應性及刀具磨損情況進行了對比研究，得出了如下結論：

1）從盾構掘進效能對比結果可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤地層適應性更好，對盾構隧道開挖工期的控制更有把握。

2）從盾構上土壓力的控制情況對比可知：大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤更有利于開挖面的穩定和地表沉降的控制。

3）從盾構掘進關鍵參數地層適應性對比結果可知：相同地層條件下，貫入度相同的條件下，采用面板式刀盤比采用輻條式刀盤消耗更大的推力和刀盤扭矩。進一步表明大粒徑卵礫石地層，輻條式刀盤比面板式刀盤掘進效率更高，與地層適應性更好。

4）大粒徑卵礫石地層輻條式刀盤可以比面板式刀盤取得更高的開挖效率，但盾構施工中提高推進速度的同時應關注土壓力變化，不宜過度強度提高盾構推進速度，建議將盾構推進速度控制在20～60 mm/min。

5）大粒徑卵礫石地層，開口率更大的輻條式刀盤刀具的磨損比開口率相對較小的面板式刀盤小，采用輻條式刀盤可以有效提高刀具的換刀距離；建議適當增大刀盤開口率至55%～65%。參考文獻：

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