適合極軟淤泥土中掘進及適應破除混凝土纖維墻鋼套筒始發接收的盾構選型

徐 韜，李 路，何邦亮，陳華軍

（中鐵上海工程局城軌分公司，上海市 201900）

0 引言

本工程始發與接收隧底以上均為（含泥）粗中砂，該地層屬強透水層，水量豐富，水位和水量變化不大。

為降低始發與接收風險，洞門處地下連續墻設置玻璃纖維筋。設計采用全套筒密閉始發與接收工藝，模擬盾構在原始地層中掘進，使盾構直接采取掘進模式切削、破除洞門進入土體，從而有效防止涌水、涌砂等現象的發生，消除盾構始發的施工安全隱患，最終保證盾構順利始發。因此，不鑿除洞門混凝土，僅需鑿出背土面鋼筋即可，盾構機裝配復合式刀盤切削地下連續墻完成穿越。

1 工程概況

福州地鐵5 號線金華路站—金山站盾構區間覆土厚度為10.33～18.48 m，隧道穿越地層主要為（含泥）粗中砂，屬強富水地層，單井單位涌水量為139～230（m3/d·m），滲透系數為2.97×10-4mm/s。隧底淤泥地層占線路全長的85% 左右，強度約為45 kPa。

盾構井設置在車站北端頭，采用1 m厚地下連續墻圍護結構，混凝土強度為水下C 35，地下水情況見表1。

表1 地下水情況

2 選擇裝配軟土刀盤的目的

對于本區間配置復合刀盤還是軟土刀盤，項目對周邊的類似工程進行了調研。福州地區存在富水砂層的始發和接收的區間基本采用復合刀盤裝配周邊滾刀和可拆卸撕裂刀進行切削地下連續墻和盾構掘進。在掘進的過程中極易發生盾構姿態下沉且難以控制的趨勢，產生的連鎖反應是超方、注漿量增大、地表沉降增大，某區間最大地表沉降甚至超過200 mm。為此，特成立工作組，在大量調研的基礎上結合以往過程盾構切削混凝土施工的經驗，召開多次技術交流會，最終選擇裝配軟土刀盤并進行針對性的改造升級。改造后的刀盤布置圖如圖1 所示。

圖1 改造后的常規土壓刀盤全軌跡重型撕裂刀布置圖

3 選用的特點與采取的針對措施

3.1 刀具針對性設計

按設計要求，本區間須配備硬巖刀盤，進行C 35地下連續墻的切削，但會導致盾構機頭重尾輕，造成機頭下栽、盾構姿態較難控制的狀況。此時，應該選用盡可能輕的軟土刮刀刀盤而非重一倍的復合滾刀刀盤。因此，針對本區間隧道地層持力層基本為45 kPa的極軟淤泥地層的特點，對裝配的軟土刀盤進行針對性改造。

3.1.1中心魚尾刀

原刀盤焊接為常規式中心魚尾刀，現更換為鋸齒型魚尾刀設計，刀尖距離面板高度400 mm，厚度100 mm，總長1 500 mm，加強刀具破除連續墻時的耐磨性。鋸齒型中心魚尾刀示意圖，如圖2 所示。

圖2 鋸齒型中心魚尾刀示意圖

3.1.2先行刀

原刀盤配置：先行刀共計44 把，同軌跡2 把布置。其中，最小軌跡即魚尾刀至先行刀過渡區域布置2 把高220 mm 的羊角型撕裂刀，刀盤正面配置刀高130 mm 的羊角先行刀。由于本區間砂層含量較高，始發端和接收端需破除連續墻，原先行刀為羊角型撕裂刀，耐磨和抗沖擊性較差。因此，將羊角型撕裂刀替換為貝殼型撕裂刀，加強先行刀的耐磨和抗沖擊能力。同時，將先行刀分層設計，以有效切削地下連續墻。

優化后配置：第一、第二層分別為160 mm 和130 mm 高的撕裂刀，按60 mm 的軌跡交替焊接，負責切削鋼筋混凝土。第三層為120 mm 高的切刀，負責掘進過程中的砂層和軟土切削。軌跡詳見圖3。

圖3 全軌跡重型撕裂刀布置圖（單位：mm）

3.2 外置注漿盒保護刀設計

本區間選用的盾構機為常規軟土盾構，前盾、中盾和后盾直徑均為6 340 mm。為降低地表沉降，采用外置式注漿管路設計。同時，針對盾構需要切削地下連續墻的問題，對外置注漿盒設計了保護刀，如圖4、圖5 所示。并模擬了混凝土切削的試驗。另外，對刀盤開挖直徑進行了控制確保大于6 380 mm，為外置注漿盒保護刀破碎混凝土地下連續墻創造了臨空面。保護刀的設計前高后低，切削面采用仰角設計，增大了局部切削應力。

圖4 外置注漿盒保護刀圖（單位：mm）

圖5 安裝好的外置注漿盒保護刀

3.3 此針對性設計的優勢

對刀盤進行針對改造后僅增加1.5 t。該設計的特點是基本維持盾構機原設計的重心，盡最大的可能性減小對后期盾構掘進的影響。相對裝配復合滾刀刀盤而言，并未破壞盾構機的整體結構，且有利于軟土地層掘進姿態控制。

對外置注漿盒設置了保護刀，同時擴大了刀盤的開挖直徑，使保護刀在盾構機刀盤切削地下連續墻后具備了破碎的臨空面，同時也保留了對地表沉降影響較小的特性。

4 保護刀的切削試驗

對外置注漿管設置的保護刀，進行了切削混凝土的試驗。試驗表明，僅需3 t的力即可切削C 60 混凝土試塊，完全滿足本區間水下C 35 地下連續墻的切削（實際強度42 MPa）。同時，刀盤開挖直徑略大于盾體外徑40 mm，為外置注漿管保護刀破碎混凝土地下連續墻創造了臨空面。圖6、圖7 為外置注漿管路保護刀切削試驗照片。

圖6 外置注漿盒保護刀切削試驗

圖7 外置注漿盒保護刀切削后的混凝土試塊

5 應用評價

通過本區間工程的應用，針對性設計刀盤可以滿足水下C 35 強度的地下連續墻切削，且盾構始發與接收外置注漿盒可以順利通過，推力比常規始發略大，需要加強反力架支撐體系。盾構接收后，刀具屬常規磨損，未見異常和崩裂，詳見圖8、圖9。

圖8 盾構始發前刀盤現狀

圖9 盾構接收后刀盤現狀

6 結論

通過對刀盤選型和注漿盒保護刀進行針對性設計，較好地解決了極軟地層施工帶來的盾構姿態控制困難、地表沉降大的問題。同時，又能安全磨削和穿越玻璃纖維筋混凝土墻，保證了鋼套筒始發和接收的安全性。