江 華，江玉生，張晉勛，楊志勇

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 博士后工作站，北京 100085）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，盾構(gòu)工法以安全、高效、機(jī)械性能高、對(duì)周圍環(huán)境及地層擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)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(gòu)要充分發(fā)揮其最佳設(shè)計(jì)性能，盾構(gòu)選型至關(guān)重要，盾構(gòu)選型不僅僅與盾構(gòu)施工成本、盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度有關(guān)，嚴(yán)重時(shí)還能影響整個(gè)工程的成敗。刀盤位于土艙的前部，直接與開(kāi)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(hù)掌子面的功能。因此，刀盤選型是盾構(gòu)選型的關(guān)鍵，而刀盤的結(jié)構(gòu)型式是盾構(gòu)選型時(shí)需要確定的主要指標(biāo)，是影響掘進(jìn)性能的決定性因素。目前國(guó)內(nèi)外常用的盾構(gòu)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(gòu)對(duì)地層適應(yīng)性研究的重要內(nèi)容［1－3］。

目前，尚沒(méi)有定量地計(jì)算分析刀盤結(jié)構(gòu)型式對(duì)地層適應(yīng)性的文獻(xiàn)，大多數(shù)研究主要基于模型試驗(yàn)，并取得了一系列的研究成果。如徐前衛(wèi)等［4－5］以北京地區(qū)砂土地層為研究對(duì)象，通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)模型試驗(yàn)得出刀盤開(kāi)口率是盾構(gòu)掘進(jìn)性能的重要影響因素，應(yīng)根據(jù)地層對(duì)其進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。胡國(guó)良等［6］研究了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層的相互關(guān)系，分析了刀盤開(kāi)口率與刀盤扭矩的相互影響規(guī)律。王洪新等［7－11］開(kāi)展了盾構(gòu)模型試驗(yàn)，研究了刀盤開(kāi)口率對(duì)盾構(gòu)推力、刀盤扭矩、出土量的影響。宋克志等［12］研究了刀盤結(jié)構(gòu)型式及工程適應(yīng)性特征，重點(diǎn)對(duì)輻條式和面板式刀盤進(jìn)行了對(duì)比研究。

然而，盾構(gòu)是一種機(jī)械化、專業(yè)化程度較高的隧道開(kāi)挖設(shè)備，由于室內(nèi)模型試驗(yàn)容易受到模型尺寸、設(shè)備相似度、開(kāi)挖材料及測(cè)量精度等因素的限制，模型隧道開(kāi)挖試驗(yàn)很難得到預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果。因此，開(kāi)展盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)，是得到精度的盾構(gòu) 地層適應(yīng)性特征的最好辦法。

以北京地鐵九號(hào)線大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)工程為背景，基于北京地鐵建設(shè)安全技術(shù)管理體系，選取2個(gè)地層條件類似的標(biāo)段開(kāi)展盾構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)對(duì)比研究，通過(guò)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(yīng)性特征，總結(jié)出大粒徑卵礫石地層適應(yīng)性更好的刀盤結(jié)構(gòu)型式，為將來(lái)類似工程刀盤的設(shè)計(jì)、選型提供參考。

1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖試驗(yàn)

1.1 盾構(gòu)試驗(yàn)條件

1）地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間

北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間隧道左線長(zhǎng)為746 m，采用海瑞克S488的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開(kāi)挖直徑6.26 m，采用面板式刀盤，開(kāi)口率約為42%。盾構(gòu)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(wú)地下水。

2）地鐵九號(hào)線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間

北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間隧道左線長(zhǎng)度1 030 m，采用石川島的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，開(kāi)挖直徑6.26 m，刀盤為輻條式結(jié)構(gòu)，開(kāi)口率約為60%，盾構(gòu)隧道主要穿越卵石⑤層，大粒徑卵礫石的含量與02標(biāo)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(yàn)過(guò)程分析

為盡量真實(shí)的反映盾構(gòu)設(shè)備與地層的適應(yīng)性特征，現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)參數(shù)的選取盡量貼近實(shí)際工程施工控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要分兩個(gè)階段：第1階段，北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；第2階段，北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間掘進(jìn)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)安排如下所示：

1）第1階段試驗(yàn)總歷時(shí)105 d，2010年1月17日試驗(yàn)盾構(gòu)始發(fā)，2010年5月1日試驗(yàn)盾構(gòu)到達(dá)，平均掘進(jìn)速度每天5.9環(huán)，最大掘進(jìn)速度每天14環(huán)。

2）第2階段試驗(yàn)總歷時(shí)121 d，2011年2月21日盾構(gòu)始發(fā)，2011年6月20日試驗(yàn)盾構(gòu)到達(dá)，平均掘進(jìn)速度每天7.0環(huán)，最大掘進(jìn)速度每天31環(huán)。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定、控制以“北京地鐵建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)管理體系”為準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)采集利用“盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程如下：

1）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過(guò)預(yù)先布設(shè)的光纖將地下隧道盾構(gòu)工控機(jī)上自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)傳輸至地面電腦；

2）利用數(shù)據(jù)傳輸軟件通過(guò)Internet數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的從現(xiàn)場(chǎng)地面電腦傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器（設(shè)置在北京地鐵公司）；

3）利用“盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)信息管理系統(tǒng)”訪問(wèn)服務(wù)器，對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行分析和處理。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2 盾構(gòu)掘進(jìn)效能對(duì)比研究

面板式刀盤開(kāi)口率較小，大多小于45%，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤開(kāi)口率的限制，不僅刀盤前方的大粒徑卵礫石很難快速進(jìn)入土艙，并順暢的通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出；而且，滯留在刀盤前方和土艙內(nèi)的大粒徑卵礫石會(huì)和刀盤、刀具及攪拌裝置發(fā)生2次或多次摩擦，大大增加盾構(gòu)掘進(jìn)負(fù)荷的同時(shí)，顯著降低了盾構(gòu)掘進(jìn)開(kāi)挖效率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效率比面板式盾構(gòu)約高3倍，輻條式土壓平衡盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層中掘進(jìn)的適應(yīng)性比面板式盾構(gòu)更好，對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖工期的控制更有把握。具體數(shù)據(jù)為：北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間盾構(gòu)平均速度約為23 mm／min，平均貫入度約22 mm／rpm，整個(gè)推進(jìn)過(guò)程中時(shí)有推進(jìn)速度和貫入度為零的情況發(fā)生，如圖2所示；“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)平均速度67 mm／min，平均貫入度75 mm／rpm，如圖3所示。

圖2 北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間推進(jìn)速度及貫入度歷時(shí)曲線

圖3 北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間推進(jìn)速度及貫入度歷時(shí)曲線

3 盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

3.1 上土壓力控制及地層適應(yīng)性對(duì)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(duì)開(kāi)挖面穩(wěn)定性和地表變形最為敏感，因此常被用于研究。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：采用面板式刀盤時(shí)，盾構(gòu)上土壓力控制值偏小、波動(dòng)范圍大，易出現(xiàn)地表沉降超限和地面塌方等事故；相反，采用輻條式刀盤時(shí)，盾構(gòu)上土壓力控制的更為穩(wěn)定，更有利于開(kāi)挖面穩(wěn)定及地表沉降控制。如圖4所示，41環(huán)盾構(gòu)平均控制值約為0.3 bar，且約有一半的時(shí)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(shù)時(shí)間在0.45～0.60 bar范圍內(nèi)變化，對(duì)地表沉降控制非常有利。

圖4 北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間上土壓力歷時(shí)規(guī)律及分布特征

圖5 北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間上土壓力歷時(shí)規(guī)律及分布特征

3.2 盾構(gòu)總推力控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

如圖6、7所示，盾構(gòu)正常推進(jìn)過(guò)程中，采用面板式刀盤時(shí)，盾構(gòu)總推力較小，約為8 000～12 000 k N；采用輻條式刀盤時(shí)，盾構(gòu)總推力較大，約為19 000～24 000 k N。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：輻條式刀盤開(kāi)口率約比面板式高30%，但盾構(gòu)總推力卻高了約50%。由于除了地層條件，盾構(gòu)總推力還受推進(jìn)速度和貫入度的影響，因此，為了消除掘進(jìn)速度和貫入度對(duì)盾構(gòu)總推力的影響，將盾構(gòu)總推力進(jìn)行歸一化處理，得到地層識(shí)別參數(shù)場(chǎng)切深指數(shù)FPI（FPI＝盾構(gòu)總推力／貫入度），用以評(píng)價(jià)盾構(gòu)設(shè)備的地層適應(yīng)性。如圖10所示，面板式刀盤的場(chǎng)切深指數(shù)FPI約為輻條式刀盤的2倍，結(jié)果表明：在相同密實(shí)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(gòu)總推力，即輻條式刀盤比面板式刀盤開(kāi)挖效率更高，更適用于大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)施工。

圖6 北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間盾構(gòu)總推力歷時(shí)規(guī)律及分布特征

圖7 北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)總推力歷時(shí)規(guī)律及分布特征

3.3 刀盤扭矩控制及地層適應(yīng)性對(duì)比研究

刀盤扭矩是表征土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效能的一個(gè)綜合性指標(biāo)，刀盤扭矩控制的合理與否，對(duì)大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)適應(yīng)性至關(guān)重要。上述現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)表明：不管采用輻條式刀盤還是面板式刀盤，盾構(gòu)在大粒徑卵礫石地層掘進(jìn)時(shí)設(shè)備總體符荷偏大，掘進(jìn)效能較低，如圖8和圖9所示。進(jìn)一步分析可知，采用面板式刀盤時(shí)，刀盤扭矩波動(dòng)范圍較大，為1 135～5 200 k N·m；想反，輻條式刀盤的扭矩控制更為合理，浮動(dòng)范圍小，約為4 200～4 800 k N·m，如圖9所示。

圖8 北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)段“科—南”區(qū)間刀盤扭矩歷時(shí)規(guī)律及分布特征

圖9 北京地鐵九號(hào)線03標(biāo)段“豐東—豐北”區(qū)間刀盤扭矩歷時(shí)規(guī)律及分布特征

類似于盾構(gòu)總推力的分析方法，采用歸一化參數(shù)扭矩切深指數(shù)TPI（TPI＝刀盤扭矩／貫入度）表征盾構(gòu)設(shè)備的適應(yīng)性特征。如圖10所示，面板式刀盤扭矩切深指數(shù)TPI約為輻條式刀盤的3倍，結(jié)果表明：在相同密實(shí)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(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了雖然輻條式刀盤總扭矩要高于面板式，但產(chǎn)生了更高的推進(jìn)速度和貫入度，在大粒徑卵礫石地層輻條式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)效能和地層適應(yīng)比面板式盾構(gòu)更好。

圖10 北京地鐵兩個(gè)區(qū)間FPI和TPI的歷時(shí)特征

4 刀具磨損情況對(duì)比研究

北京地鐵九號(hào)線卵礫石地層卵石含量高、粒徑大、屬于強(qiáng)磨蝕性地層，控制刀具磨損和提高合理的換刀距離對(duì)盾構(gòu)施工至關(guān)重要?，F(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)表明，刀盤結(jié)構(gòu)型式對(duì)刀具磨損影響較大，其中面板式刀盤開(kāi)口率較小，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，大粒徑卵礫石很難快速進(jìn)入土艙，卵礫石與刀具易發(fā)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(qū)間換刀距離較短，約為240 m；相反，輻條式刀盤由于開(kāi)口率足夠大，大粒徑卵礫石一經(jīng)開(kāi)挖就能快速進(jìn)入土艙，因此盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中刀具磨損相對(duì)較小，采用輻條式刀盤的“豐東—豐北”區(qū)間平均換刀距離約為400 m；結(jié)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(duì)刀具磨損的保護(hù)和控制更為有利，減少了盾構(gòu)換刀次數(shù)，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率，降低了盾構(gòu)施工成本。

5 結(jié) 論

以北京地鐵九號(hào)線02標(biāo)“科—南”區(qū)間和03標(biāo)“豐東—豐北”區(qū)間盾構(gòu)工程為背景，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)大粒徑卵礫石地層盾構(gòu)掘進(jìn)效能、關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性及刀具磨損情況進(jìn)行了對(duì)比研究，得出了如下結(jié)論：

1）從盾構(gòu)掘進(jìn)效能對(duì)比結(jié)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(yīng)性更好，對(duì)盾構(gòu)隧道開(kāi)挖工期的控制更有把握。

2）從盾構(gòu)上土壓力的控制情況對(duì)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(kāi)挖面的穩(wěn)定和地表沉降的控制。

3）從盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)地層適應(yīng)性對(duì)比結(jié)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(jìn)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(jìn)效率更高，與地層適應(yīng)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(kāi)挖效率，但盾構(gòu)施工中提高推進(jìn)速度的同時(shí)應(yīng)關(guān)注土壓力變化，不宜過(guò)度強(qiáng)度提高盾構(gòu)推進(jìn)速度，建議將盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20～60 mm／min。

5）大粒徑卵礫石地層，開(kāi)口率更大的輻條式刀盤刀具的磨損比開(kāi)口率相對(duì)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(dāng)增大刀盤開(kāi)口率至55%～65%。

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（編輯胡 玲）