太原地鐵盾構(gòu)施工刀盤地質(zhì)適應(yīng)性分析

劉 建 文

(山西省太原市市政池渠設(shè)施管理處，山西 太原 030012)

0 引言

為了緩解太原市交通運(yùn)輸壓力，太原地鐵一號(hào)線一期工程于2018年3月正式開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)2023年建成運(yùn)營(yíng)。太原地鐵一號(hào)線全線采用地下盾構(gòu)施工技術(shù)，最大程度降低對(duì)地面交通的影響和干擾，且盾構(gòu)機(jī)在地下運(yùn)行，同明挖法等施工方式相比施工噪聲低，工程振動(dòng)影響較小，具備高效、快速、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)。刀盤結(jié)構(gòu)是盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一，是盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中開(kāi)挖、破碎巖層、加固掌子面并攪拌粉碎渣的主要工具，因此，刀盤在施工過(guò)程中的地質(zhì)適應(yīng)性直接決定了施工效率和質(zhì)量，也直接影響刀盤使用壽命，一旦刀盤與地質(zhì)力學(xué)參數(shù)不匹配非但不能正常施工，如遇地質(zhì)巖層硬度過(guò)大，將導(dǎo)致刀盤嚴(yán)重磨損甚至斷裂，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文以太原地鐵一號(hào)線盾構(gòu)施工為研究案例，就盾構(gòu)刀盤的地質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行分析，為后續(xù)的地鐵盾構(gòu)施工提供參考和借鑒。

1 太原地鐵一號(hào)線工程地質(zhì)特點(diǎn)分析

太原地鐵一號(hào)線，東西向橫跨汾河，銜接迎澤區(qū)商圈和武宿機(jī)場(chǎng)南站等交通樞紐，是太原火車站和南站的重要交通聯(lián)絡(luò)線，與在建的二號(hào)線共同組成“力”字型地鐵線路骨架。線路西起西山礦務(wù)局，東至武宿機(jī)場(chǎng)，全線里程28.95 km，地下部分21.49 km，地上7.7 km。地下隧道埋深介于9.5 m～10.5 m之間，線路呈L形分布，以直線平交為主要路線布置形式。施工區(qū)間高層建筑分布密集，穿越人流密集商業(yè)區(qū)，地下既有管線線路眾多，路上交通量較大。埋深隧道底板位于中砂層以上，僅有少部分底板位于粉砂土層以上。盾構(gòu)機(jī)施工截面穿越的地層主要為質(zhì)密的中砂層和質(zhì)地稍密的粉砂層，分析地質(zhì)勘察報(bào)告可知，部分區(qū)間層間分布有含水層，且含水層滲透系數(shù)較高，平均值為55 m/d，屬于中強(qiáng)透水層。其水含量豐富主要與橫穿汾河河道相關(guān)。總體分析，一號(hào)線全線地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，除部分區(qū)間穩(wěn)定性欠佳，且滲透性高，存在一定的透水、沉降等事故風(fēng)險(xiǎn)；此外，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，由于地下水利管網(wǎng)密集，存在廢棄的水井，存在一定的管涌和流砂風(fēng)險(xiǎn)。

2 原有盾構(gòu)機(jī)刀盤存在的問(wèn)題分析

經(jīng)過(guò)前期試掘進(jìn)過(guò)程可看出，前期使用的刀盤及道具構(gòu)造不適用于中砂巖層掘進(jìn)。主要不匹配出現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)刀盤的開(kāi)口率不足，由于巖層土體的流塑性較低，流塑性較低是砂土的典型特點(diǎn)，導(dǎo)致巖層土體不能順利通過(guò)刀盤進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，由于進(jìn)土效率較低，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的出土率不足，前方待盾構(gòu)土體承壓過(guò)大。由于壓力影響，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)刀盤與前方土體的擠壓力持續(xù)增加，若不在土體中添加潤(rùn)滑料，將導(dǎo)致刀盤扭轉(zhuǎn)力矩增加，一旦超過(guò)設(shè)備扭矩上限，將出現(xiàn)嚴(yán)重的“卡頓”問(wèn)題，嚴(yán)重情況下將直接停機(jī)，且經(jīng)擠壓后的土體形成“餅狀”物。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，為了保證盾構(gòu)刀盤前端土體的疏松性，一般在刀盤結(jié)構(gòu)上加設(shè)攪拌棒，攪拌棒設(shè)置數(shù)量為三套，長(zhǎng)度均為500 mm，攪拌棒直徑為250 mm，三套主動(dòng)式攪拌棒的運(yùn)行軌跡為同心圓。這種分布及軌跡形式不太適用于砂土層掘進(jìn)施工，尤其是盾構(gòu)刀盤截面底部的碎渣土不能及時(shí)攪拌清理，導(dǎo)致底部渣土日益密實(shí)，最終影響出渣效率，增加了渣土成餅的幾率。上述施工問(wèn)題在跨汾河盾構(gòu)施工過(guò)程中最為常見(jiàn)。

3 改造后盾構(gòu)機(jī)刀盤地質(zhì)適應(yīng)性分析

3.1 盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)改造

根據(jù)具體的地質(zhì)條件及相關(guān)特點(diǎn)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將刀盤結(jié)構(gòu)改為面板、輻條復(fù)合式刀盤結(jié)構(gòu)，且刀盤的開(kāi)口形式為對(duì)稱分布的長(zhǎng)條孔形，且刀盤開(kāi)口臨近刀盤中心，便于中心位置的巖層碎渣清理。刀盤的開(kāi)口率主要取決于安裝的刀具類型，全部采用硬質(zhì)巖時(shí)，且對(duì)應(yīng)的開(kāi)口率為30%；其中刀盤表面分布有六塊面板，且至少1/2比例的板面焊接攪拌棒設(shè)備。為了在提高刀盤開(kāi)口率的前提下還能夠保證刀盤主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)其余未安裝攪拌棒的面板進(jìn)行分割，以提高整體的開(kāi)口率。在刀盤開(kāi)口位置增加加勁肋。經(jīng)過(guò)模擬試算及工程實(shí)踐表明，改造后的刀盤結(jié)構(gòu)滿足施工工況。改造后的刀盤結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

3.2 刀盤攪拌棒改造分析

由于原有盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)的背面分布有三套軌跡為同心圓的攪拌設(shè)備，由于攪拌棒工作的局限性，導(dǎo)致刀盤底部的巖層碎屑難以及時(shí)清理，進(jìn)而增加了巖層碎屑成為“泥餅”的可能性。為了進(jìn)一步改善刀盤攪拌棒的攪拌效率，可以在原有刀盤背面加設(shè)兩套主式攪拌棒，且攪拌棒的焊接位置分布在兩根對(duì)稱的輻條結(jié)構(gòu)上。其中一根后加攪拌棒的運(yùn)行軌跡必須保證距離土倉(cāng)底部150 mm，另外一套后加主動(dòng)攪拌棒的軌跡分布距離應(yīng)與土倉(cāng)底部距離為500 mm,主動(dòng)式的攪拌棒制造材料為圓柱形錳鋼。為了降低錳鋼主動(dòng)式攪拌棒的磨損情況，必須在攪拌棒的表面增設(shè)耐磨焊接條或者增設(shè)耐磨花紋。增加主動(dòng)式攪拌棒后，在設(shè)備掘進(jìn)過(guò)程中，必須將對(duì)應(yīng)的螺旋機(jī)綁定在固定區(qū)域，并進(jìn)一步穩(wěn)固螺旋伸縮設(shè)備，防止主動(dòng)式攪拌棒觸及螺旋桿。通過(guò)攪拌棒改造后，能夠保證主動(dòng)式攪拌棒充分?jǐn)嚢鑾r層及土倉(cāng)內(nèi)的碎屑，確保盾構(gòu)后的土體始終處于疏松狀態(tài)，確保出渣率。攪拌棒加設(shè)情況具體如圖2所示。

3.3 盾構(gòu)機(jī)刀盤中心區(qū)域刀盤改造分析

為了通過(guò)盾構(gòu)機(jī)刀盤中心區(qū)域的工作效率，可以在刀盤中心部位安裝魚尾型刀片，在盾構(gòu)開(kāi)挖前，中心區(qū)域的魚尾型刀片率先觸及盾構(gòu)截面，通過(guò)定位盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)挖前的精準(zhǔn)定位，從一定程度上降低了由于盾構(gòu)機(jī)整體波動(dòng)引起的盾構(gòu)土體擾動(dòng)，減小了由于盾構(gòu)施工作用影響下的地面不均勻沉降。除此以外，在盾構(gòu)機(jī)中心區(qū)域配套中心魚尾刀盤，能夠最大程度緩解盾構(gòu)后碎渣結(jié)塊成餅的情況出現(xiàn)，通過(guò)工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)機(jī)刀盤的中心區(qū)域是最容易出現(xiàn)“泥餅”現(xiàn)象的區(qū)域。在魚尾刀盤設(shè)置過(guò)程中，應(yīng)處理好以下技術(shù)部分。

1)通過(guò)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備對(duì)待盾構(gòu)土體進(jìn)行分層分布盾構(gòu)切削，并充分利用好魚尾刀，先切削中心區(qū)域的圓柱形土體，再進(jìn)一步擴(kuò)大至全截面切削，即將魚尾刀設(shè)計(jì)與其他切刀不在一個(gè)平面上，即魚尾刀超前切刀布置，保證魚尾刀最先切削土體。

2)將前端的盾構(gòu)機(jī)魚尾型刀盤端部設(shè)計(jì)成錐形，能夠保證刀盤結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中魚尾刀盤優(yōu)先切削土體，確保在截面切向及截面徑向方向?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣分布既可以解決盾構(gòu)截面中心土體的切削不到位問(wèn)題，還能進(jìn)一步改善中心區(qū)域土體的切削土體流動(dòng)性，保證斷面整體的盾構(gòu)施工效果和質(zhì)量。

4 刀盤改造后的地質(zhì)適應(yīng)性總結(jié)

表1 刀盤改造參數(shù)

通過(guò)刀盤改造后，經(jīng)多次調(diào)整后，對(duì)盾構(gòu)土進(jìn)行改良，并選取了若干施工參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。經(jīng)過(guò)多次設(shè)備優(yōu)化，建議確定的盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力為13 000 kN，盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速為1.3 rpm～1.5 rpm，推進(jìn)速率為25 cm/min左右，保證渣土流暢出土，且出土溫度介于24 ℃～27 ℃之間，保證施工區(qū)域地表沉陷處于可控范圍內(nèi)。表1為某標(biāo)段盾構(gòu)刀盤改造后推進(jìn)相關(guān)參數(shù)。