海陸交互相復雜地層盾構機適用性研究

宋曉峰

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

海陸交互相地帶軟硬不均混合開挖地層，在開挖斷面范圍內和開挖延伸方向上，存在全斷面軟土、上軟下硬（上硬下軟）、全斷面硬巖等復雜地質斷面情況。整體上呈現上部淤泥層、殘積土層分布廣泛、自穩性差，下部中、微風化花崗巖硬度較高，或是軟土硬巖頻繁交替的地質特征。對海陸交互相復雜地層中盾構機的一系列適應性進行分析，解決盾構機適應性情況未知問題。

袁敏正等[1]強調了類似地層條件下的盾構施工經驗對于盾構機刀盤設計的重要意義。馬云新[2]指出在采用盾構法施工的地鐵隧道工程中，盾構機對工程的適應性是工程成敗的關鍵因素。許少輝、竺維彬等[3]總結了廣州地鐵在復合地層施工實踐中探索出的有關盾構機適應性的主要因素。朱述敏等[4]對刀盤開口率地質適應性、盾構推力與刀盤扭矩計算、刀盤結構設計、優化與分析等技術展開研究。

以實際工程為依托，研究了海陸交互相復雜地層中盾構機適用性特點，對復雜地層中盾構機適應性分析，保證施工順利進行。

1 工程概況

（1）里程、線路長度：區間起點里程為Y（Z）DK61+869.42，終點里程為Y（Z）DK067.029。右線長1802.400 m，左線長1792.954 m。

（2）線路坡度：本區間線路設1 處V 形坡，出塘坑站后以2‰、然后以5.767‰下坡，再以5‰上坡進入大涌站線路，最大縱坡5.767‰。

（3）隧道參數：盾構段隧道線路縱斷面主要受兩端車站埋深控制，隧道覆土厚度為（10.5～17.6）m。管片內徑Ф5400 mm，管片外徑Ф6000 mm，最大開挖直徑為6250 mm。

2 海陸交互相復雜地層盾構機適用性分析

2.1 盾構機適應性參數計算

工程采用2 臺中國鐵建重工生產的土壓平衡盾構機（編號ZD109/ZD064），盾構外徑D 為6.280 m，刀盤裝備扭矩T 為（3715.097～5696.482）kN·m。而擬采用的盾構標稱扭矩為5787 kN·m，滿足施工要求。盾構機設計推力為39 893 kN，大于計算出裝備推力29 929.279 kN。盾構機的基本參數為刀盤直徑D0為6280 mm；盾體直徑為D1=6250 mm；管片長度為B=1500 mm。盾構的開挖面積、每環的開挖量、每環渣土運輸量、出渣車的數量、設計最大掘進速度及性能、螺旋輸送機、同步注漿能力等。

2.2 刀盤結構適應性設計數值模擬

2.2.1 模擬參數

該刀盤為整體式焊接結構，滾刀開挖直徑為6280 mm，刀盤大圓環外徑為6150 mm。采用Abaqus 軟件進行刀盤結構設計的數值模擬分析。

2.2.2 有限元模擬模型

刀盤進行有限元分析所采用的三維有限元模型如圖1 所示。其有限元網格模型如圖2 所示，共507 萬個網格單元。

2.2.3 模擬結果對比分析

從分析結果可以得知，刀盤最大應力216.5 MPa，出現在工況3，位置是支腿和大法蘭連接處的邊角上，支腿的板厚是80 mm，其屈服強度許用應力［δs］≧254 MPa，大于216.5 MPa，刀盤結構強度是滿足設計要求的。

圖1 刀盤三維模型

圖2 刀盤網格模型

2.3 盾構刀具適應性分析

2.3.1 換刀統計分析

盾構在掘進過程中，上行線完成5 次換刀，下行線完成6 次換刀，2 臺盾構機在完成整個區間的掘進過程中滾刀更換的最多，下行線更換滾刀共計98 把，上行線更換滾刀126 把，累計更換滾刀224 把；刮刀更換較少，下行線沒有需要更換的刮刀，上行線更換了36 把刮刀；齒刀沒有更換。根據換刀結果分析刀具磨損情況，發現大量刀具均發生了非正常磨損，尤其是滾刀刀具。

2.3.2 滾刀非正常磨損分析

工程中刀盤設計時共配置滾刀39 把，其中中心滾刀8 把，正面滾刀22 把，邊緣滾刀9 把。上下行線每次的換刀數目可得滾刀每次換刀的換刀率。下行線在第一次換刀時（第238 環處）滾刀全部換掉，在第四次換刀時（第292 環處），換刀率也高達69%，第六次換刀率卻僅為5%，第二、五次換刀（第366、567 環處）換刀率分別為33%和44%。上行線在第一次換刀時（第245環處）滾刀也全部被換掉，第三、四次（第976、988 環處）換刀時滾刀換刀率也分別高達79%和62%，第二次換掉近50%滾刀，第五次（第1060 環處）換掉36%滾刀。

3 工程效果

通過建立刀具受力模型，分析刀具切削力，結合實際刀具破壞形式，進行磨損分析，在后續幾次換刀中，加強了滾刀的耐磨情況，減少每次換刀時滾刀數量，同時減少了滾刀脫落情況。節約費用經分析計算如下：

（1）根據各種刀具計價金額（滾刀18 500 元/把、切刀5000元/把、刮刀7000 元/把，導流刀3000 元/把，保徑刀5000 元/把），節約刀具直接經濟成本115 把×18 500 元＋31 把×7000 元＋93 把×5000 元+50 把×3000 元+24 把×5000 元=3 079 500 元。

（2）節約更換刀具人工費用115 把×800 元＋31 把×300 元＋93 把×300 元＋50 把×300 元＋24 把×300 元=151 400 元。

（3）節約推進人工費用30 人×56 天×450 元=756 000 元。

（4）節約盾構機臺班費用56×3×3000 元=504 000 元。

（5）節約盾構停機用電費用約56 天×3 臺班×1841 度×30%×0.85 元=78 868 元。

（6）其他油料、水費等零星材料235 000 元。

（7）節約管理費用約126 000 元。

根據理論分析，提高了盾構機及其刀具的適應性施工，減少刀具損壞數量，節省開倉換刀時間及開倉換刀次數，節約人工成本及時盾構機使用費用，提高盾構施工效率。經計算，工程節約成本約493.08 萬元。

4 結束語

對海陸交互相復雜地層盾構機適用性進行分析并優化，同時分析海陸交互相復雜地層條件下換刀統計，并對滾刀、刮刀以及海陸交互相復雜地層條件下的盾構機掘進參數進行分析，盾構在海陸交互相復雜地層中掘進時，為提高掘進效率，減小刀具非正常磨損，盾構推力值宜取（15 000～25 000）kN，扭矩宜取（1800～3500）kN·m，掘進速度宜取（10～20）mm/min。一般在海陸交互相復雜地層中刀盤轉速設置為1.5 r/min 為合適值。提出的施工掘進參數，可為類似地層盾構施工提供借鑒。