固結黏土地層盾構直接破除排水板關鍵技術研究

李鳳遠， 楊延棟， 許華國

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

排水板固結法是軟基處理的方法之一，廣泛應用于軟土地層高速公路路基的處理，用于提高路基的固結度和穩定性[1-7]。隨著城市軌道交通的發展，采用盾構施工的地鐵隧道不可避免地需要穿越高速公路路基[8]，如處理不當，可能導致高速公路路基沉降或者盾構被困。通過調研，發現廣佛2期下穿裕和路[9-10]、珠海橫琴三通道等工程需穿越排水板路基區域，盾構刀具直接切斷破除排水板時，排水板未被切斷且纏繞刀盤和螺旋機，導致盾構被迫停機[11-12]。對于固結高黏性土質地層盾構施工，刀盤結泥餅處理是重難點技術[13-14]，特別是如果為了切除排水板而降低刀盤開口率，將增加刀盤結泥餅可能性。如何采用合理的掘進參數進行排水板切除及分析掘進參數關聯性，是研究的重點[15-17]。因此，采用盾構法穿越高速公路塑料排水板路基工程時，有必要對排水板破除方法進行研究，便于盾構選型和施工，以確保工程建設安全、可靠。

土體固結排水板的破除理論上可采用盾構刀具直接切斷破除法、高溫熔化破除法、冷凍破除法、化學腐蝕破除法等。采用高溫熔化法時，排水板的耐高溫性在120 ℃左右，而盾構密封能承受的最高溫度為80 ℃，采用該方法易導致盾構密封失效；采用冷凍破除法時，排水板在-35 ℃不裂僅變脆，而盾構密封在低溫下容易失效，刀盤盾體可能因土體凍結受困；采用化學腐蝕的方法可使排水板降解，但注入困難且用量難以控制；采用盾構刀具直接切斷排水板的方法，在以往盾構施工中，發生過未切斷排水板纏繞刀盤和螺旋機導致盾構被迫停機或者地表沉降的事故。由于塑料排水板具有較強的抗撕裂能力和延展性，盾構直接掘進通過塑料排水板區域時，可能存在以下問題： 1)塑料排水板不能被刀盤刀具完全切斷，而被刀盤拖拽形成空洞，造成路基下沉超標； 2)塑料排水板纏繞刀盤，減小刀盤開口率，造成出碴不暢； 3)塑料排水板在土艙底部堆積，堵塞螺旋輸送機出土口，導致無法出土； 4)塑料排水板纏繞螺旋輸送機，導致螺旋輸送機受困。

所見文獻更多從工程應用角度進行總結分析，本文主要通過室內臺架試驗，對盾構較長距離穿越含排水板的固結黏土地層時，不采用輔助工法直接通過可行性、盾構刀盤刀具優化、盾構裝備參數選擇及施工掘進參數優化等方面開展研究。

1 工程概況

寧波地鐵5號線1期富強路站至前殷停車場出入場線下穿杭甬高速公路路基工程中，盾構隧道斜穿高速公路路基段，穿越長度(坡腳至坡腳)40 m，斜交角度68°，隧道頂部與高速公路路面豎向距離8～9 m。盾構隧道與高速路基及塑料排水板位置關系如圖1所示。

(a) 隧道平面

(b) 隧道縱面

Fig. 1 Relationships among shield tunnel, highway roadbed and drainage plates

盾構隧道穿越高速公路路基段，路基與地面高程差3 m，地面以下20 m范圍采用SPB-B型塑料排水板進行排水固結。排水板布置間距為500 mm、寬度100 mm、厚度1.2 mm，斷裂拉伸強度≥16 MPa。

盾構隧道穿越的塑料排水板區域地層以淤泥質黏土為主，從上往下依次為填土(1～3.1 m)、黏土(0.6～1 m)、淤泥質黏土(13.2～16.9)、粉質黏土(4.1～7.2 m)。

2 試驗裝置及主要參數

盾構刀具切削排水板研究主要采用盾構及掘進技術國家重點實驗室TBM掘進模態綜合試驗平臺。該平臺由機械結構、液壓泵站、掘進裝置、旋轉裝置、碴土輸送裝置及其控制系統等構成，可以分別以垂直和水平狀態針對各種巖土樣用不同的刀具、刀間距以及掘進參數開展試驗，研究其掘進效率。平臺的實物結構如圖2所示，平臺參數如表1所示。

圖2 TBM掘進模態綜合試驗平臺

項目主要參數整機尺寸6880mm×4050mm×5176mm整機質量120t刀盤直徑?2280mm巖箱尺寸?2500mm×1000mm裝備轉矩250kN·m最高轉速6r/min裝備推力4000kN刀間距調整范圍80～100mm中心刀具及數量3把雙刃刀正面刀具及數量8把單刃刀

3 試驗方案設計

3.1 試樣制作

擬建設工程的塑料排水板段地質為淤泥質黏土并處于固結狀態，為了接近現場地質環境，采用機械夯實機對試驗黏土進行夯實，且用排水板平面與刀盤面板平面平行的最不利刀具切削工況布置試驗排水板。現場排水板布置間距為500 mm，為了更好地驗證刀具對排水板的切斷效果，對室內試驗排水板加密，間距為250 mm，且呈多層布置，層間距為150 mm，層間用黏土夯實。

3.2 刀具選型

試驗采用3種典型軟土刀具，按照軟土盾構常規刀盤刀具刀間距100 mm的方式布置刀具。3種典型刀具主要特征如下： 1)常規齒刀，一般軟土刀盤配置常規齒刀，刀頭采用大合金布置，刃角為80°，如圖3(a)所示； 2)新型鋸齒刃齒刀，選擇常用于固結地層的鋸齒刃齒刀，其焊接合金的刃角為100°、合金塊厚度15 mm、合金塊間距40 mm，每把焊接3塊硬質合金, 如圖3(b)所示； 3)改進型焊接銳利刃鋸齒刀設計理念，本工程排水板斷裂拉伸強度較高(≥16 MPa)，采用傳統常規齒刀及新型鋸齒刃齒刀在固結黏土地層破除排水板可能效果不明顯。基于單刀分層立體切削理念，在新型鋸齒刃齒刀基礎上，前部焊接銳利合金刃用于排水板的切斷，并試制了樣刀，如圖3(c)所示。在盾構推力和刀盤轉矩作用下，刀盤轉動貫入土層時，頂部銳利合金刃先行切斷排水板，然后裙部合金破除固結黏土。

(a) 常規齒刀

(b) 新型鋸齒刃齒刀

(c) 改進型焊接銳利刃鋸齒刀

3.3 測試及傳感器布置

開展排水板切削試驗時，利用量程為20 kN的應變式拉力傳感器測量排水板拉拽力。應變式拉力傳感器及數據采集軟件如圖4和圖5所示。

圖4 應變式拉力傳感器

圖5 傳感器數據采集軟件

排水板拉拽力測試傳感器的布置如圖6所示。為了獲取刀具切割排水板時的拉拽力，排水板的一端通過角鐵與巖箱鋼圈緊固，另一端與應變式負荷傳感器通過特制夾板連接，并施加預應力拉緊，該端鋼圈層間連接螺栓松開，使排水板連接傳感器一端處于自由狀態。

3.4 試驗過程

刀盤掘進推力、轉矩、推進速度、刀盤轉速等通過TBM掘進模態綜合試驗平臺PLC系統自動記錄。首先測試空推、空轉試驗臺，初始化平臺，參數歸零。

試驗制作2盤巖箱，第1盤安裝鋸齒刃齒刀；第2盤先安裝常規齒刀，然后更換焊接銳利刃鋸齒刀。通過統計同一試驗組不同掘進參數下排水板的切斷效果，重點評判不同刀盤轉速、貫入度對切斷效果的影響； 通過不同試驗組，統計不同刀具情況下排水板的切斷效果，重點評判刀具設計對切斷效果的影響。

(a) 排水板自由端安裝傳感器

(b) 排水板固定端約束方式

4 排水板破除數據分析

第1盤試樣采用新型鋸齒刃齒刀進行排水板破除試驗，4層排水板掘進參數設置不同。第1層采用高推進速度、中刀盤轉速掘進(序號1)；第2層采用低推進速度、中刀盤轉速掘進(序號2)；第3層采用低推進速度、高刀盤轉速掘進(序號3)；第4層采用高推進速度、低轉速掘進(序號4)。

第2盤試樣先采用全盤常規齒刀進行排水板破除試驗(序號5)，然后更換焊接銳利刃鋸齒刀進行排水板破除試驗(序號6)。每種齒刀破除2層排水板，采用低推進速度、高刀盤轉速掘進。每層9根平行的排水板從一側到另一側從1到9依次編號，其中，5#通過巖箱直徑，3#—7#5根排水板安裝測力傳感器。利用應變式負荷傳感器獲得不同試驗組刀具對排水板的拉拽力，進而優化掘進參數。試驗結果數據均值如表2所示。

表2 不同刀具破除排水板試驗數據

對比序號1—4組鋸齒刃齒刀破除排水板試驗結果可知： 第3層低推進速度、高刀盤轉速組拉拽力最小； 第4層高推進速度、低刀盤轉速組拉拽力最大。因此，盾構穿越排水板地層時，為了降低刀具拉拽排水板對地層的擾動，宜采用低推進速度、高刀盤轉速掘進。

序號3、5、6組試驗，均采用低推進速度、高刀盤轉速工況，采用常規齒刀最大拉拽力的平均值約為1.35 kN，采用新型鋸齒刃齒刀約為0.84 kN，采用改進型焊接銳利刃鋸齒刀的為0.28 kN。可見新型鋸齒刃齒刀對于降低刀具對排水板的拉拽力有一定的作用，但效果不明顯；采用改進型焊接銳利刃鋸齒刀時，排水板承受拉拽力較小。

從推力、轉矩測試數據看，推力、轉矩與推進速度具有正相關性。圖7示出第3組試驗中推力、轉矩隨油缸位移的變化曲線，由推力、轉矩在破除排水板前后的變化可知，破除排水板工況時，推力無太大影響，但會導致轉矩波動的增加。

圖7 試驗組3推力、轉矩隨油缸位移變化曲線

Fig. 7 Curves of thrust force and torque varying with cylinder displacement in test group No. 3

不同試驗參數和不同類型刀具破除含排水板的固結黏土地層試驗數據表明： 低推進速度、高刀盤轉速，配置改進型焊接銳利刃鋸齒刀進行黏土地層排水板破除理論可行，但是應注意在破除排水板過程中，雖然推力參數變化不大，但會引起轉矩參數的波動，這對于減小地層擾動不利。

5 排水板破除效果分析

從常規齒刀和新型鋸齒刃齒刀黏土切削效果看： 采用常規齒刀破除黏土，有明顯土脊，同時掌子面不整齊，土體不規則脫落；而采用新型鋸齒刃齒刀破除黏土，掌子面切削軌跡規律整齊，基本無土脊出現，如圖8所示。新型鋸齒刃齒刀刃角大于常規齒刀，相鄰刀具切削土體損傷疊加效應明顯，更利于固結黏土切削。

(a) 常規齒刀破除黏土效果

(b) 鋸齒刃狀齒刀破除黏土效果

從排水板切斷效果試驗看： 采用常規齒刀和新型鋸齒刃齒刀進行排水板破壞時，排水板切口不整齊，明顯屬于拉應力損壞；而采用焊接銳利刃鋸齒刀對排水板進行破壞時，排水板切口規整，屬于典型的剪切切斷，如圖9所示。

一般軟土刀盤配置的常規齒刀(刃角80°)，適合大多數軟土切削；新型鋸齒刃齒刀(刃角100°)，刃角相對較大，且合金塊間存在間隙，利用切削碴土流動，對于固結的硬塑黏土切削更有利；新設計試制的改進型焊接銳利刃鋸齒刀，其刃頂銳利合金刃角30°，裙部刃角100°，這種分層立體設計樣刀，前置刀刃先行切斷排水板，后置較大角度的刃角保證了黏土的有效破除，更有利于黏土排水板地層施工。

(a) 常規齒刀切斷斷口

(b) 鋸齒刃齒刀切斷斷口

(c) 焊接銳利刃鋸齒刀切斷斷口

6 結論與討論

本試驗為寧波地鐵5號線1期工程建設提供了參考，結果表明： 1)盾構穿越含排水板的固結黏土軟土路基時，在盾構刀盤刀具配置合理、掘進參數可控情況下，可以直接穿越通過； 2)盾構刀具選型宜考慮在廠家定制類似改進型焊接銳利刃鋸齒刀試驗樣刀的軟土刀具，有利于排水板的有效切斷； 3)盾構裝備參數選型時，刀盤轉速建議采用高低速控制方式； 4)為了減小排水板拉拽力、降低對地層的擾動，施工中建議采用低推進速度(保持小的貫入度)、高刀盤轉速掘進，但應注意刀盤轉矩的波動，嚴格控制土艙平衡壓力，防止因轉矩過度波動引起地層變形。

本研究中，排水板材料是根據現場提供參數新購的，現場地層中排水板的固結情況、老化程度等需要進一步調查；另外，對于盾構直接穿越排水板地層，高溫熔化、化學腐蝕等是新型的破除方法，其在盾構裝備選型設計及工法可行性方面的應用有待進一步研究。