屈通通

摘要：隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，線路穿越既有線的情況也隨之增多，不可避免的穿越地連墻、圍護樁等障礙物。結(jié)合臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站地連墻、圍護樁，提出了MJS加固+新制盾構(gòu)機刀盤穿越方案，對刀盤進行剛度、強度模擬計算，并增設(shè)了一套刀盤冷凍系統(tǒng)，設(shè)計冷凍管路以備應(yīng)急，可為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；下穿既有線；磨樁；冷凍刀盤

1? ?工程背景

蘇州市軌道交通6號線臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站，臨頓路南端頭左右線均為接收井，車站端頭與1號線車站距離5.95m（換乘通道長度）。臨蘇區(qū)間穿越既有線主要障礙物有1號線臨頓路站800厚圍護地墻、車站底板下Φ800臨時立柱樁及1、2號出入口Φ800圍護樁。

區(qū)間共穿越1號線車站南北側(cè)4處地下連續(xù)墻（雙洞）、車站底臨時立柱樁5根、車站附屬圍護鉆孔灌注樁30根。穿越區(qū)主要障礙物包括：1號線臨頓路站800厚圍護地墻（長33m，與車站內(nèi)襯形成疊合結(jié)構(gòu)）、車站底板下Φ800臨時立柱樁（底板以下內(nèi)插3m長型鋼格構(gòu)柱）；附屬1、2號出入口Φ800圍護樁。節(jié)點區(qū)1號線車站基底埋深18.5m，6號線車站基坑深33m，較1號線車站基底深14.5m。

2? ?總體施工方案

在盾構(gòu)機下穿既有線車站前，對土體進行MJS加固。加固完成后，對1號線車站兩側(cè)地墻、站底立柱樁及附屬圍護樁均采用盾構(gòu)機直接切削清障。根據(jù)下穿既有線施工環(huán)境，經(jīng)專家論證新制盾構(gòu)機刀盤，使其具備切割圍護樁、墻能力，并具備開倉換刀條件。

刀盤刀具總體為輻條加面板的結(jié)構(gòu)類型，刀具按4個高度階梯布置。第一層次為正面超前撕裂刀，主要功能為大間距先行切削鋼筋樁體。第二層次主要以可更換的邊緣滾刀和正面栓接可更換的加強撕裂刀為主，主要以切削鋼筋混凝土為主要功能；第三層次以焊接的焊接貝殼刀為主，主要功能為第一、二層次刀具磨損后，使其仍具備切削樁體的能力；第四層次為刮刀，主要以收攏渣土進土倉為主要功能。

3? ?刀盤性能模擬驗算與分析

刀盤穿越圍護結(jié)構(gòu)及地連墻時偏載力大，要求刀盤具有足夠的剛度強度。由于刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照滿載和偏載情況，分別對刀盤結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算，驗算刀盤設(shè)計強度、刀盤牛腿焊接質(zhì)量等。通過優(yōu)化設(shè)計，使提供的刀盤大部分應(yīng)力在150MPa以下，有足夠的剛度強度。且在磨樁、磨墻段偏載較大的條件下，刀盤變形在彈性變形范圍以內(nèi)。

3.1? ?建立模型

刀盤有限元分析所采用的三維模型如圖1所示。其有限元網(wǎng)格模型如圖2所示（共約95萬單元），設(shè)置材料的彈性模量為2.06×1011Pa，泊松比為0.3。

3.2? ?計算工況

結(jié)合地質(zhì)條件和實際掘進情況，對該刀盤進行以下3種工況的有限元分析：

3.2.1? ?標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況

中心滾刀單刃推力250kN，正面及邊緣滾刀單刃推力280kN，主驅(qū)動輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.2? ?1/2偏心負(fù)載工況

刀盤下部約一半數(shù)量的刀具受到額定推力，其余刀具不施加載荷；主驅(qū)動輸出額定扭矩8540kN·m。

3.2.3? ?脫困模式工況

刀盤卡住時，假設(shè)刀盤受到巖土的作用力為總推力的一半，主驅(qū)動輸出脫困扭矩9830kN·m。

3.3? ?結(jié)果分析

3.3.1? ?標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況分析

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況一般出現(xiàn)在均勻性良好的地層中，掘進過程中所有刀具有效參與掘進。此時刀具承受額定推力載荷，刀具推力載荷施加在刀座正面上，主驅(qū)動輸出額定扭矩，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況下刀盤最大應(yīng)力出現(xiàn)在支腿與環(huán)形梁的交接處，大小為194.2MPa。該工況下刀盤的Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，變形云圖如圖3所示?？傋冃瘟考s為2.11mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.31‰。

3.3.2? ?1/2偏心負(fù)載工況分析

偏心負(fù)載通常出現(xiàn)在上軟下硬的地層中，在此工況下，只有部分刀具參與掘進，假定此工況刀盤下側(cè)一半的刀具參與有效掘進，施加的區(qū)域如圖5所示。扭矩按額定扭矩施加，刀具推力載荷施加在刀座正面上，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

1/2偏心負(fù)載工況下刀盤最大應(yīng)力，出現(xiàn)在如圖6所示的支腿與刀盤法蘭的交接處，最大應(yīng)力約為195.8MPa。變形云圖如圖7所示?？傋冃瘟考s為2.31mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.34‰。

3.3.3? ?脫困工況分析

脫困模式類似于發(fā)生在刀盤卡住的情況，在額定扭矩輸出下有可能無法轉(zhuǎn)動刀盤，需要通過短時間內(nèi)加大主驅(qū)動扭矩驅(qū)使刀盤轉(zhuǎn)動[1]。假設(shè)刀盤卡住不動，刀盤承受一半的總推力，主驅(qū)動輸出脫困扭矩，推力分?jǐn)偸┘釉诘蹲嫔?，扭矩施加在大圓環(huán)上，在刀盤法蘭上施加約束。

脫困工況下刀盤最大應(yīng)力，出現(xiàn)在如圖8所示的支腿與刀盤法蘭的交接處，最大應(yīng)力為154.7MPa。變形云圖如圖9所示?？傋冃瘟考s為2.15mm，相對于刀盤大圓環(huán)直徑的變形率為0.32‰ 。

3.4? ?分析結(jié)論

分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。從表1可以看出，在3種工況下該刀盤的最大應(yīng)力出現(xiàn)在1/2負(fù)載工況。該工況下刀盤的最大應(yīng)力為195.8MPa，位于支腿與刀盤法蘭交接處的局部區(qū)域，小于強度設(shè)計值254MPa，符合刀盤的強度設(shè)計要求；最大變形量約為2.31mm，出現(xiàn)在1/2負(fù)載工況，變形率為0.34‰，符合刀盤設(shè)計的剛度要求。綜上分析可得出，該刀盤的強度和剛度滿足設(shè)計要求。

4? ?刀盤應(yīng)急設(shè)計

4.1? ?冷凍系統(tǒng)設(shè)計

為保證盾構(gòu)機磨樁期間在刀具磨損的情況下，為開倉換刀提供更好的施工條件，經(jīng)專家論證特為盾構(gòu)機增設(shè)了一套刀盤冷凍系統(tǒng)。利用刀盤為等溫體的特性，設(shè)置冷凍管路和冷凍設(shè)備，使盾構(gòu)機刀盤附近土體有效凍結(jié)。刀盤同時作為承載體，承擔(dān)掌子面總荷載，凍結(jié)體只承擔(dān)開口部位荷載。

根據(jù)刀盤冷凍管路設(shè)置及智能控制系統(tǒng)，針對具體施工情況，可進行分區(qū)不均勻冷凍[2]。刀盤分2個區(qū)域，布置2進2出的兩個冷凍液循環(huán)回路。沿刀盤支腿預(yù)留接口至大法蘭背面，冷凍液通道在刀盤結(jié)構(gòu)制作時完成。

4.2? ?凍結(jié)管路設(shè)計

停機時，可通過對每一回路接入冷凍液循環(huán)，使刀盤整體形成一個冷凍源，加固掌子面區(qū)域。前盾切口環(huán)設(shè)計冷凍液循環(huán)管路，用于冷凍切口環(huán)外周邊徑向土體。主驅(qū)動設(shè)計保護管路，密閉環(huán)腔內(nèi)可通入循環(huán)熱水，避免主驅(qū)動溫度過低損壞密封。

4.3? ?凍結(jié)施工工藝

如果在第一道、第二道地墻處出現(xiàn)推力增大、扭矩減小，速度減小等情況，配合刀具磨損裝置分析判定刀盤刀具磨損情況。如果刀具磨損嚴(yán)重，可以啟用冷凍系統(tǒng)將周邊土體冷凍起來，增加土體自穩(wěn)能力，然后進入土倉更換刀具。下穿區(qū)地質(zhì)為⑤1層粉質(zhì)黏土，中部和下部為⑥1、⑥2層粉質(zhì)黏土?xí)r，可采取啟用凍結(jié)刀盤凍結(jié)后，帶壓進倉檢查掌子面情況，滿足常壓進倉條件后即可開始更換刀具等施工。

5? ?磨樁施工

5.1? ?施工參數(shù)設(shè)置

磨樁施工過程中，采用慢推速、中轉(zhuǎn)速磨切樁基，推進速度設(shè)定為2～3mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.6～0.8r/min左右，貫入度控制在5mm左右。磨樁施工過程中樁基反作用于刀盤，刀盤正面容易受力不均，姿態(tài)控制難度較大，為此應(yīng)加強姿態(tài)控制，特別是垂直姿態(tài)控制糾偏時要避免急糾、猛糾。下穿區(qū)均采用多孔管片，以利于多點位二次注漿控制。

為減少盾構(gòu)下穿既有線過程中設(shè)備故障率，在盾構(gòu)下穿前必須進行充分、反復(fù)的調(diào)試、檢修。合理設(shè)定土壓力，保證開挖面穩(wěn)定。減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，防止因超排土或欠排土導(dǎo)致地層失穩(wěn)，造成沉降或隆起。

5.2? ?螺旋輸送機出土

為使切除的鋼筋較順利輸出，螺旋機輸送過程中 需添加適量的泡沫或者高濃度膨潤土泥漿，并充分利用螺旋輸送機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)以及伸縮螺旋機等，防止螺旋輸送機卡住。必要時，可通過螺旋輸送機觀察窗進行人工處理[3]。

5.3? ?同步注漿

同步注漿要做到及時、均勻、足量，確保其建筑空隙得以及時和足量的充填[4]。根據(jù)注漿壓力及地保監(jiān)測情況，控制同步注漿量或及時進行二次補漿。通過自動化監(jiān)測實時掌握盾構(gòu)掘進對1號線的影響，及時調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，并進行二次注漿。

6? ?結(jié)束語

本文結(jié)合臨頓路站-蘇州大學(xué)站區(qū)間下穿蘇州地鐵1號線臨頓路站地連墻、圍護樁，提出了MJS加固+新制盾構(gòu)機刀盤穿越方案，對刀盤進行剛度、強度模擬計算，并增設(shè)了一套刀盤冷凍系統(tǒng)，設(shè)計冷凍管路以備應(yīng)急。

本項目通過論證，確定復(fù)合凍結(jié)刀盤在穿越區(qū)進行垂直與水平MJS加固后直接磨樁穿越。結(jié)合刀盤刀具設(shè)計配置進行數(shù)值模擬分析，確保刀盤的強度和剛度滿足設(shè)計要求。建議對盾構(gòu)穿越影響區(qū)的附屬圍護樁進行鉆孔取樣，以明確盾構(gòu)切削范圍。深化設(shè)計和施工參數(shù)，減小盾構(gòu)切削既有站地墻時對車站主體結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻

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