姜國平

(北京市三一重機有限公司盾構(gòu)項目組，北京 102202)

0 引言

在砂層和砂卵石地層的地鐵隧道的建設(shè)施工中，土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用不適應(yīng)主要表現(xiàn)在:刀具磨損嚴(yán)重，新制刀具僅能支持掘進幾十米，需頻繁開艙換刀;刀盤外周磨損嚴(yán)重導(dǎo)致開挖直徑變小，盾構(gòu)經(jīng)常被困死，推進艱難;遇到大粒徑卵礫石和孤石時無法處理，只能采取人工開挖導(dǎo)洞繞至開挖面將障礙清除的措施，嚴(yán)重影響工程安全和進度;砂卵石等地層滲透性強，建立壓力平衡困難，容易撓動發(fā)生地面沉降;盾構(gòu)操控難度大，頻繁停工，進度極慢，甚至不及淺埋暗挖法;刀具、油料、土體改良劑等材料消耗極大，施工成本高昂。土壓平衡盾構(gòu)不能應(yīng)對所有的地質(zhì)問題。

為了解決以上施工問題，本文圍繞最新研制的敞口式盾構(gòu)推出了一種新的技術(shù)及施工工法，彌補了密閉式盾構(gòu)的缺陷，綜合比較安全、進度、成本、地質(zhì)適應(yīng)特殊性等各方面因素。敞口式盾構(gòu)具有良好的經(jīng)濟性及靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力［1］，在特定的范圍內(nèi)能適應(yīng)土體自立性好、基本不含水或降水的砂卵石地層，尤其是在砂卵石等自穩(wěn)性較好地層施工中，敞口式盾構(gòu)比密閉式盾構(gòu)更為適用［2］，使用土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀具磨損十分嚴(yán)重，而敞口盾構(gòu)根本不存在類似問題［3－4］。在北京地區(qū)及全國范圍具有很高的推廣應(yīng)用價值［5－6］。

敞口式盾構(gòu)做為盾構(gòu)產(chǎn)品系列里一重要分支，最早應(yīng)用于日本關(guān)門隧道(1953年，掘進700 m)，并在日本及歐美早期得到了一定的發(fā)展，國內(nèi)尚無施工案例。鑒于盾構(gòu)在國內(nèi)特殊地質(zhì)條件下的使用現(xiàn)狀，敞口式盾構(gòu)及其工法已得到許多行業(yè)專家及施工單位的關(guān)注，并提出了使用需求，卻未引起國內(nèi)盾構(gòu)生產(chǎn)廠商的足夠重視。

目前，許多學(xué)者對敞口式盾構(gòu)做的一些研究，主要集中在敞口式盾構(gòu)介紹及應(yīng)用［7－8］、前盾設(shè)計［9］、推力計算［10］、設(shè)計綜述［11］、挖掘裝置運動學(xué)和動力學(xué)的分析及有限元與模態(tài)的分析與仿真［12］等方面。

本研究創(chuàng)新之處在于前檐支護及挖掘關(guān)鍵技術(shù)，敞口挖掘施工方法和工藝，敞口挖掘式盾構(gòu)整體設(shè)計與系統(tǒng)性匹配組合。

1 敞口挖掘式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

與土壓平衡盾構(gòu)等密閉式盾構(gòu)相比，敞口式盾構(gòu)有以下主要區(qū)別:

1)沒有刀盤和刀盤驅(qū)動裝置，挖掘土體由液壓鏟斗或銑削機完成，根據(jù)地質(zhì)情況的不同，可以輕易地互換鏟斗和銑削機。

2)開挖面與盾體內(nèi)艙之間無封閉隔板，完全敞開，從盾體內(nèi)部能直接看到開挖面的全部狀況。

3)開挖面及上方土體由前盾帽檐、可滑動的伸縮前檐、可收放的活動擋板等共同支護。

4)隧道挖掘在常壓下進行，無需建立土體壓力平衡，取消了人艙等帶壓裝置和結(jié)構(gòu)。

5)挖掘斷面不受圓形刀盤限制，可自由設(shè)計成馬蹄形、矩形等型式。

敞口挖掘式盾構(gòu)如圖1所示。

圖1 敞口挖掘式盾構(gòu)Fig.1 Open shield

1.1 敞口挖掘式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)

主機省去了刀盤和密閉隔板、主驅(qū)動(主軸承和主密封)、氣壓艙;開挖裝置借用成熟技術(shù)的挖掘機系統(tǒng)、模塊;為擴大上下左右挖掘范圍動臂設(shè)計為可伸縮、可擺動回轉(zhuǎn)，為適應(yīng)軟硬地質(zhì)，設(shè)計了多套可與挖斗互換的銑挖頭、破碎錘;土體支護裝置采用“帽檐式盾體結(jié)構(gòu)+可伸縮前檐+可收放正面擋板”3種不同組合式支護方式;螺旋輸送機、管片拼裝機、推進、鉸接、后配套等與土壓平衡盾構(gòu)通用化設(shè)計。

敞口盾構(gòu)主機結(jié)構(gòu)三維布置如圖2所示。

圖2 敞口挖掘式盾構(gòu)三維布置圖Fig.2 3D model of open shield

前盾部分包括切口環(huán)、活動前檐、移動擋板、液壓挖斗、螺旋輸送機、推進千斤頂?shù)炔考脱b置。尾盾部分包括管片拼裝機、注漿管路和盾尾密封等部件和裝置。挖掘裝置配備20 t伸縮式及5 t折疊式2種型號挖掘裝置，可按需互換;標(biāo)準(zhǔn)挖掘機接口設(shè)計，針對不同地層變化，可以通過更換不同的工作裝置(鏟斗、銑挖機或破碎錘)來實現(xiàn)對砂土、卵礫石及大塊徑礫石的掘削和破碎。針對砂卵石及部分巖層，將直接移植巖巷掘進機的工作裝置，防爆電機驅(qū)動截割頭，通過變幅油缸、伸縮油缸及回轉(zhuǎn)支承共同實現(xiàn)其空間位置變換，對開挖面進行旋轉(zhuǎn)切割(開挖)，可切割最高強度為60 MPa的巖石。挖掘裝置如圖3所示。

圖3 伸縮式挖掘裝置三維布置圖Fig.3 3D model of digging device

主系統(tǒng)還包括連接橋、管片吊機、管片拼裝機、皮帶輸送機、主控室、PLC控制系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)等。

輔助系統(tǒng)包括注漿系統(tǒng)、油脂注入系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)和通風(fēng)等，輔助系統(tǒng)主要安裝在可以在軌道上行走、隨主機一同前進的車架上。

1.2 產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

STM063D1敞口挖掘式盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters

1.3 工作原理

活動前檐防止隧道開挖面拱頂土體坍落，采用液壓移動擋板保證開挖面上半斷面土體穩(wěn)定。

切口下部斜面保持開挖面上半斷面土體坡度，進而保證開挖面下半斷面土體穩(wěn)定。

機械鏟斗(或掘削頭)對開挖面土方直接挖掘，螺旋輸送機(或皮帶輸送機)輸送土方到礦車。

管片拼裝機在盾殼保護下進行管片安裝，同步注漿同步進行。

安裝在前盾支撐環(huán)梁上的千斤頂頂進盾構(gòu)。

1.4 作業(yè)步序

穩(wěn)定開挖面、挖掘和排土、安裝管片襯砌、推進盾構(gòu)、同步回填注漿。以北京地區(qū)通用規(guī)格的管片環(huán)(外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，寬1 200 mm)為例，敞口挖掘式盾構(gòu)的主要工作步序如表2所示。

在挖掘隧道過程中如遇到漂石、孤石、樁基等地下障礙，粒徑較小的漂石、孤石可以用鏟斗直接挖出或人工排出;粒徑較大的漂石、孤石和樁基，則可以將鏟斗換成銑削錘進行破碎后再排除。因開挖面完全敞開，處理障礙的過程也變得十分容易和直接，對工程的進度的影響很小。

表2 工作步驟Table 2 Construction procedure

敞口挖掘式盾構(gòu)在有水的地層施工時，首先應(yīng)對地層進行降水，將水位降至開挖面以下;在開挖過程中，應(yīng)密切關(guān)注開挖面的變化，如出現(xiàn)滲漏水，應(yīng)立即停止開挖，將活動擋板和下部備用擋板全部打開，在開挖面注漿止水，查明滲漏原因并堵住源頭;如發(fā)生嚴(yán)重漏水，應(yīng)立即停止施工，并堵住開挖面，待解決漏水問題之后，再重新開始施工。

2 敞口盾構(gòu)適應(yīng)性及施工應(yīng)用

2.1 敞口挖掘式盾構(gòu)適應(yīng)性分析

適用于無水地層或降水后地層，且該地層具有一定自穩(wěn)能力。

對于北京地區(qū)來說土層自穩(wěn)能力較好，無水地層或降水費用不高的地層可采用敞開式盾構(gòu)，既避免密閉式盾構(gòu)的局限(過卵石層或遇到障礙物處理困難等)，也能消除淺埋暗挖法的弱點(管理難度大、安全隱患多等)，其對比如表3，4，5所示。

2.2 施工應(yīng)用——北京地鐵6號線二期線路

2.2.1 區(qū)間概況

北京地鐵6號線二期15標(biāo)郝家府—東部新城站區(qū)間敞開式盾構(gòu)掘進段由東部新城站西端頭始發(fā)，于郝—東區(qū)間右線中間豎井接收。全長388.294 m(共計324環(huán))，區(qū)間隧道埋深8.7～10.2 m。起點里程K41+570.650，終點里程K41+182.356。北京地鐵6號線二期線路圖如圖4所示。

表3 敞口挖掘施工特點Table 3 Construction characteristics of open shiel

表4 淺埋暗挖施工特點Table 4 Characteristics of shallow cover excavation method

由郝家府站向東，沿運河?xùn)|大街北側(cè)設(shè)置，沿線穿越農(nóng)田、高壓電力走廊、豐字溝、現(xiàn)狀自然村、召里路，到達(dá)設(shè)于宋郎路和運河?xùn)|大街交叉路口的東部新城站。區(qū)間長度1 257.5 m，K41+062.5處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道兼泵房座，在右K41+500處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道一座。

2.2.2 郝家府站—東部新城站區(qū)間工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

區(qū)間主要穿越地層②－3粉細(xì)砂、③－3粉細(xì)砂、④粉質(zhì)黏土、④－4中粗砂。地層巖土物理力學(xué)參數(shù)見表6。

表5 密閉(土壓)式盾構(gòu)施工特點Table 5 Construction characteristics of EPB shield

圖4 北京地鐵6號線二期線路圖Fig.4 Route of PhaseⅡproject of No.6 line of Beijing Metro

表6 穿越地層巖土物理力學(xué)參數(shù)表Table 6 Physical and mechanical parameters of strata

3 敞口挖掘式盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

1)敞口盾構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù)、自動控制技術(shù)。

2)破碎、銑削、開挖、收集渣土多模塊互換的折疊臂挖掘技術(shù)、控制及施工工藝。

3)縱向控制實現(xiàn)就地運算、就地監(jiān)控架構(gòu)及設(shè)計。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互通、人機交互，可以輕松地在控制室內(nèi)對所有設(shè)備進行集中監(jiān)視和操控。

3.1 挖掘裝置

針對砂土地層，通過多個油缸來驅(qū)動控制鏟斗的切削軌跡，實現(xiàn)對隧道截面的仿形開挖。對于孤石和大粒徑礫石的處理，可通過與鏟斗互換安裝的破碎錘來進行破碎后排出。針對砂卵石及部分巖層，借鑒巖巷掘進機截割頭工作裝置，并通過多個油缸組合完成對開掌子面的開挖。

挖機挖斗前部貫入力計算的計算前提條件:按全覆土土壓力計算、均一地層、上覆土層的實際高度h0為20 m、挖斗前部的厚度按50 mm厚計算，斗寬1.097 m，開挖按全部與土體接觸計算貫入力。

當(dāng)?shù)鼗馏w變形時，即土體產(chǎn)生被動土壓力，也就是當(dāng)挖斗前檐插入土體時主要受到被動土壓力。根據(jù)土體單元主應(yīng)力的關(guān)系，朗肯求出了被動狀態(tài)下的土壓力系數(shù)

式中:φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;γ為土層的重度;z為計算點埋深。

根據(jù)該系數(shù)計算挖斗前檐所受被動推力p=γhAKp，其中:h為計算深度，A為土壓力作用的有效面積，這里把挖斗前檐看成是一塊5 cm厚的鋼板，斗寬1.097 m，所以面積A為0.055 m2。這里假設(shè)上層覆土為20 m，計算點埋深為(20+3.11)m。

進行計算得到:

中粗砂:p=γhAKp=20.5×23.11×0.055×tan2(45°+42°/2)=131.088 kN。

3.2 推進及支護(盾體)

盾體為高強焊接結(jié)構(gòu)，包括前、中、盾尾3部分。前盾上部設(shè)有7組前檐支撐和扇形擋板，前檐支撐通過油缸控制實現(xiàn)軸向600 mm范圍內(nèi)伸縮，7個扇形擋板呈160°分布，避免上方土體的坍塌。中盾上預(yù)留超前鉆接口，可實現(xiàn)對前方土體的超前探測及注漿加固;采用16根推進油缸，最大伸出速度100 mm/min，推力36 000 kN保證盾構(gòu)具有足夠的推進和爬坡能力儲備，14根鉸接油缸，鉸接角1.5°，可滿足250 m的隧道轉(zhuǎn)彎要求。

前檐支護結(jié)構(gòu)及受力如圖5所示。

3.3 出渣系統(tǒng)

出渣系統(tǒng)采用螺旋機輸送與皮帶輸送機，輸送能力280 m3/h，可滿足400 mm以下粒徑渣土的順暢輸送。螺旋機的驅(qū)動裝置液壓馬達(dá)速度可調(diào)。

圖5 前檐支護結(jié)構(gòu)及受力圖Fig.5 Structure and forcing of support device in front shield

3.4 管片拼裝與輸送系統(tǒng)

管片拼裝機由回轉(zhuǎn)機構(gòu)(液壓馬達(dá)驅(qū)動)，直線運動機構(gòu)(油缸驅(qū)動)、微擺動機構(gòu)(油缸驅(qū)動)等組成，具有6個自由度，可實現(xiàn) ±220°的回轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)速0.3～1.5 r/min，確保管片拼裝的質(zhì)量和精度。

管片輸送系統(tǒng)采用雙軌梁電動葫蘆，由行走小車、環(huán)鏈葫蘆、控制系統(tǒng)(遙控與有線兩種操作方式)以及雙軌梁(與連接橋整體設(shè)計，保證足夠剛性與強度)組成，采用鏈輪鏈條行走，設(shè)有限位裝置以防止行走小車脫落軌道。最大起吊質(zhì)量為5 t，可實現(xiàn)管片從運輸車到管片拼裝區(qū)域一次吊運到位，無需二次轉(zhuǎn)運，行走速度為10 m/min。

3.5 輔助系統(tǒng)

同步注漿系統(tǒng)包括攪拌箱、注漿泵、壓力計、流量計、注入配管、氣動球閥、動力裝置和4個注漿口等，用氣動球閥進行注入口的切換，每個管路配置有壓力檢測與流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)自動與手動2種控制方式，設(shè)有清洗裝置。

導(dǎo)向系統(tǒng)由全站儀、棱鏡、激光發(fā)射器和監(jiān)控屏等組成，用于盾構(gòu)掘進方向監(jiān)控顯示、糾偏、實時測量等，測量精度為2″，工作距離不小于200 m。

3.6 控制、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)自動化程度高具有多重聯(lián)鎖功能，減少了勞動強度和錯誤操作的發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)實時記錄和保存施工中各種參數(shù)、數(shù)據(jù)，為工程施工質(zhì)量和施工工藝過程監(jiān)控、工程驗收提供依據(jù)。此部分在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時進行系統(tǒng)配置。

故障監(jiān)控系統(tǒng)對盾構(gòu)各部分運行情況、異常狀態(tài)進行實時跟蹤檢測，便于提前發(fā)現(xiàn)故障和及時采取預(yù)防措施、保證施工安全。該系統(tǒng)在控制系統(tǒng)設(shè)計時進行考慮與配置，設(shè)置點為關(guān)鍵零部件、結(jié)構(gòu)主要部位、控制監(jiān)控點等處，配置有傳感器，在操作屏上實時顯示監(jiān)控畫面和指示;具有故障自診斷及內(nèi)容顯示功能，方便維修人員檢修。

4 試驗檢測驗證

4.1 關(guān)鍵部件測試——挖掘裝置

通過對挖掘機液壓系統(tǒng)進行相關(guān)改造，采用電比例閥并通過PID控制來跟蹤各液壓缸的運動軌跡，建立了挖掘裝置工作機構(gòu)液壓系統(tǒng)模型，在此模型基礎(chǔ)上，對一個挖掘循環(huán)進行了各工作裝置對目標(biāo)位移量的跟隨情況及控制信號與液壓閥輸出流量的對應(yīng)關(guān)系，通過比較AMESim模型執(zhí)行元件的輸入值和輸出值，驗證了模型的合理性。

利用AMEsim圖形化的建模方法對挖掘機液壓系統(tǒng)進行仿真，結(jié)果為:改進的動臂油缸鉸接處有效減小應(yīng)力，側(cè)板最大位移為0.65 mm。轉(zhuǎn)臺除應(yīng)力集中點外，應(yīng)力小于120 MPa;油缸銷軸處應(yīng)力分布優(yōu)于舊轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)。搖臂最大應(yīng)力為97 MPa，滿足要求。挖掘裝置試驗仿真如圖6所示。

圖6 挖掘裝置試驗仿真圖Fig.6 Numerical simulation of digging device

試驗結(jié)果:1)外載荷與動臂垂直時，動臂油缸受力最大;動臂處于最上與最下位置時，動臂油缸受力最大，為518 kN(單缸)。2)動臂油缸受力最大時，鏟斗油缸受力269 kN。

挖掘裝置試驗臺如圖7所示。

圖7 挖掘裝置試驗臺圖Fig.7 Testing platform of digging device

4.2 關(guān)鍵部件測試——螺旋輸送機

實驗確定在敞開挖掘工況下螺旋輸送機出土能力是否能滿足施工要求。螺旋輸送機敞開模式出土性能實驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 螺旋輸送機敞開模式出土性能實驗數(shù)據(jù)Table 7 Testing results of performance of mucking of screw conveyor under open mode

5 試掘進情況

敞口盾構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵6號線2期15標(biāo)段郝家府站—東部新城站區(qū)間。由東部新城站向西，試驗段全長388 m，區(qū)間地形基本平坦，地勢起伏不大，地貌上屬于潮白河故道、溫榆河故道交匯區(qū)。

該段地層土體自穩(wěn)能力較差，很難形成自然拱。其中普遍存在的粉細(xì)砂③3層、中粗砂④4層、中粗砂⑤1層，其厚度較大，富水性好，且為飽和狀態(tài)，在地下水的作用下，會產(chǎn)生涌水、潛蝕、流砂等現(xiàn)象，極易導(dǎo)致隧道側(cè)壁失穩(wěn)。

5.1 始發(fā)階段(第1階段0—5環(huán))

出現(xiàn)的問題:土體自穩(wěn)性較差，出渣量無法控制，嚴(yán)重超方。前沿?fù)鹾笸馏w下滑嚴(yán)重，地表發(fā)生塌陷。底部挖掘出土有死角，由于出土不暢，造成推進力增大、甚至出現(xiàn)無法推進的現(xiàn)象。盾構(gòu)推力見圖8，出渣量見圖9。

圖8 盾構(gòu)推力圖表Fig.8 Thrusting force

圖9 出渣量圖表Fig.9 Mucks produced per ring

問題分析:敞口挖掘式盾構(gòu)的適用地質(zhì)為無水或少水的具有一定自穩(wěn)性的地層，而應(yīng)用工程為中粗砂層，開挖面穩(wěn)定性很差;整個開挖面直徑達(dá)6 m，為保證土體穩(wěn)定，渣土需堆積到盾構(gòu)中心線以上才能保證土體穩(wěn)定，而這樣的話又造成推進力太大，根本無法掘進;挖斗挖土過多的情況下，擋板無法維持土體穩(wěn)定，開挖面經(jīng)常出現(xiàn)坍塌，影響作業(yè)和安全。

工作機構(gòu)不靈活:挖斗過大，下半斷面挖掘面有多處死角挖不到;挖斗和挖掘臂設(shè)計體積過大，易與張開后的平面擋板間出現(xiàn)干涉。

螺旋輸送機進土口兩側(cè)存在排土死角，土體大量堆覆，使得盾體下部阻力增大，推進困難。

始發(fā)階段適應(yīng)性技術(shù)改造及解決辦法:

1)在前盾前面焊接斜鋼板，前盾下方增加喇叭形導(dǎo)土板，便于兩側(cè)土體出渣，推進阻力有所減小。

2)改良膨潤土系統(tǒng)，盾構(gòu)殼注入膨潤土，以減少摩阻力。

3)及時同步注漿，讓管片提供部分摩擦力。

4)將掌子面單一土體自然坡分成3級自然坡，減少前方土體反力，增加土體穩(wěn)定性。上半部開挖面用鋼板劃分網(wǎng)格，結(jié)合伸縮前檐和平面擋板結(jié)構(gòu)，分區(qū)支護土體，防止坍塌;截短平面擋板，消除干涉，保留中間的5套伸縮前檐和平面擋板。

5)重新裝備一套折臂式挖機，替換原來伸縮式挖機，減小了挖掘裝置的體積，以防止產(chǎn)生動作干涉。

網(wǎng)格支護結(jié)構(gòu)，下部增設(shè)喇叭口擋板見圖10，改造后的敞口盾構(gòu)開挖面及堆土示意圖見圖11，安裝折臂式挖機見圖12。

圖10 網(wǎng)格支護結(jié)構(gòu)，下部增設(shè)喇叭口擋板Fig.10 Grid support structure and baffle plate added in bottom

圖11 改造后的敞口盾構(gòu)開挖面及堆土示意圖Fig.11 Excavation face and bulldozing plate of the reformed open shield

圖12 安裝折臂式挖機Fig.12 Small excavator

適應(yīng)性技術(shù)改造后的效果:

采用分艙后，基本控制了掌子面塌坍的問題，基本達(dá)到了事先預(yù)計的整體效果，盾構(gòu)可以比較安全有效地掘進。通過改進推進過程的掌子面土體形狀，達(dá)將推力由28 000～30 000 kN降至25 000～26 000 kN后，推進基本可控，各項工序同步跟進，地面沉降基本可控在15 cm以內(nèi)。

經(jīng)過挖掘機構(gòu)適應(yīng)性工藝和結(jié)構(gòu)改造后，基本克服了上述問題，敞口挖掘式盾構(gòu)的可靠性和施工效率大幅提升，在用戶尚未完全熟悉設(shè)備操作和施工工藝的情況下，掘進速度達(dá)到6～8環(huán)/d(1.2 m/環(huán))，已接近土壓平衡盾構(gòu)正常的施工速度，且施工質(zhì)量完全滿足工程設(shè)計的要求。

5.2 推進過程階段(120—157環(huán))

出現(xiàn)的問題:敞口挖掘式盾構(gòu)在推進過程中，始終以順時針方向滾動。掘進至157環(huán)時，已經(jīng)滾動約5°。

滾動原因分析:

1)地質(zhì)不均勻;

2)有了初始滾動后，前端豎向隔板變形，開始類似風(fēng)扇葉的旋轉(zhuǎn)作用(其中1#和2#艙之間的鋼板完全翻轉(zhuǎn)彎曲，現(xiàn)場割除后才繼續(xù)掘進)。

滾動糾偏技術(shù)解決辦法及效果:

在6#和9#艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”，用土體使盾構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)。滾動趨勢得到控制，并慢慢以逆時針方向回滾至正常位置。

艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”見圖13。

圖13 艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”Fig.13 Anti-fan leaves

以上改造，總體上取得了技術(shù)上新的突破，實現(xiàn)了正常順利掘進。

5.3 掘進數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2013年11月1日始發(fā)，2014年3月15日到達(dá)，完成全部388 m試驗段掘進，歷時135 d;最快單日12環(huán)，14.4 m，最快單周52環(huán)，62.4 m，最快月143環(huán)，171.6 m。

6 敞口盾構(gòu)優(yōu)勢

敞口挖掘式盾構(gòu)，專用于在砂、砂卵石、砂礫石、漂石、孤石等地層中替代密閉式盾構(gòu)和淺埋暗挖法，其優(yōu)勢在于:不受大粒徑漂石、樁基等地下障礙的限制;消耗功率不到同尺寸土壓盾構(gòu)的一半;由于不需要主軸承和刀盤以及大量的刀具，制造成本低，是密閉式盾構(gòu)成本的2/3左右;可直接觀察開挖面情況，能處理漂石和障礙物;直接開挖運輸土體，無需或甚少需要改良土體，無污染;施工速度相對較快，用電量小，人力投入少，施工成本低;開挖面自由，可設(shè)計成任意形狀(如矩形、馬蹄形等);可以直接進入開挖掌面，有利于洞內(nèi)采用輔助工法;安全性遠(yuǎn)高于淺埋暗挖法。

7 敞口盾構(gòu)待研究工作

1)優(yōu)化前盾隔板結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有隔板為焊接結(jié)構(gòu)，無法拆卸，地質(zhì)適應(yīng)性較差，易變形，剛度較差;下一步將研究改為拼裝結(jié)構(gòu)，銷軸或螺栓連接，每塊隔板均為箱型結(jié)構(gòu)，單質(zhì)量約150 kg，總質(zhì)量約10 t，尺寸1 700(1 500)mm×80 mm。

前盾上半部拼裝式分艙見圖14。

圖14 前盾上半部拼裝式分艙Fig.14 Arrangement of front shield

2)雙折疊臂挖掘機構(gòu)?，F(xiàn)有挖掘裝置尺寸較大，往中間收集渣土?xí)r有死角，且動作較慢;下一步將研究去除原有伸縮臂機構(gòu)，在中盾左前及右前方增加雙折疊臂挖掘機構(gòu)，同時提高2倍挖掘效率。

雙折疊臂挖掘機構(gòu)布置圖見圖15。

圖15 雙折疊臂挖掘機構(gòu)布置圖Fig.15 Layout of digging device with double folding arms

3)盾體防扭轉(zhuǎn)。進一步研究在盾體下方120°范圍內(nèi)焊耐磨條，同時增加盾體摩擦力，起到防扭轉(zhuǎn)作用。

4)繼續(xù)研究淺埋暗挖法工藝在敞口挖掘式盾構(gòu)中的應(yīng)用，如:超前地質(zhì)加固、土體穩(wěn)定、沉降控制等措施，更好地適應(yīng)城市建設(shè)的需要。

5)部分結(jié)構(gòu)存在設(shè)計過量和考慮不足，需繼續(xù)優(yōu)化配置設(shè)計。如挖掘裝置過高地考慮了可靠性要求，過于龐大和笨重;支護裝置初始方案未網(wǎng)格化分層，盾體內(nèi)空間過大使得土體堆積過多;主機下部推進阻力顯著大于上部阻力，推進力分布不盡合理等。

6)土體支護裝置需進一步優(yōu)化設(shè)計，對不同地質(zhì)、不同規(guī)格下的盾構(gòu)，應(yīng)設(shè)計出相匹配的支護方式和結(jié)構(gòu)方案。

7)敞口挖掘式盾構(gòu)的施工工藝和工作方式有待完善優(yōu)化，施工效率有繼續(xù)提高的空間，地面沉降等對環(huán)境影響可進一步減小。

8)本工程的地質(zhì)以粉細(xì)砂、黏土等為主，敞口挖掘式盾構(gòu)在本工程的應(yīng)用經(jīng)驗，可以作為其工程和地質(zhì)應(yīng)用敞口挖掘式盾構(gòu)的借鑒。敞口挖掘式盾構(gòu)在本工程的成功應(yīng)用，仍需進一步充分地探討和驗證敞口挖掘式盾構(gòu)在一些特殊的地質(zhì)條件下，替代密閉式盾構(gòu)和淺埋暗挖法的優(yōu)越性。

8 結(jié)語

敞口挖掘式盾構(gòu)已成功應(yīng)用于北京市地鐵6號線的施工，現(xiàn)場施工證明了該方法設(shè)計、分析和測試的有效性。諸如北京西部地層多為砂卵石地層，卵石?？蛇_(dá)20～30 cm，相比土壓盾構(gòu)，敞口挖掘式盾構(gòu)在特定的范圍內(nèi)能適應(yīng)土體自立性好、基本不含水或降水的砂卵石地層。具有良好的經(jīng)濟效益及靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力，在北京地區(qū)及全國范圍值得推廣應(yīng)用。

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