地铁盾构刀盘改造及掘进性能对比研究

    随着我国轨道交通建设的高速发展，盾构以其掘进效率高、可靠性强等诸多优点被广泛应用于地铁隧道施工。通常，对于某一特定的地质条件，施工前需考虑对盾构机进行选型以及对地层进行适应性设计。但当盾构机由一个地层更换到另一个地层时，由于刀盘结构、刀具布置未做相应改造，往往表现出掘进速度缓慢、刀具磨损严重等一系列地质不适应性工程问题。文献以北京地下直径线工程为背景，介绍了泥水加压平衡式盾构机刀盘的改造方案，分析总结了施工技术及关键工序。文献对适用于软弱地层的土压平衡式盾构机进行了改造，并将改造后的盾构机应用于砂砾地层且取得了良好的施工效果。文献为了更好地适应湘江隧道施工，对刀盘、主驱动控制系统进行了改造，很好地改善了盾构机适用性能。文献针对于盾构机在砂卵石地层中施工时常出现的故障，提出了盾构机刀盘改造方案并成功得到应用。本文以富水中砂地层为研究对象，对辐条面板式刀盘进行了改造，提升了刀盘掘进性能。可为富水中砂地层的盾构施工以及盾构刀盘设计提供参考
1工程概况
1.1某地铁工程地质与水文地质情况
    某地铁1号线9标段由2个区间组成，其中一区间总长为514.94m。该标段沿线主要为多层建筑物，地下管线较多，且路面交通繁忙。隧道埋深为9.2～10.3m，区间V形隧道纵坡的最大坡度为9.3‰。该区间工程地质断面图如图1所示。由图1可知，盾构穿越的地层主要为中密的A3中粗砂层。该地层呈灰色、中密、饱和；颗粒成份为石英、长石及少量暗色矿物；颗粒分选磨圆一般，含大量粗砂层及少量黏性土夹层；该地层埋深为13.0～24.0m，平均层厚为9.24m。该区间地下水分为上层滞水、潜水、微承压水及承压水，地下水位埋深约2.5m。施工地层为孔隙微承压含水层，水平渗透系数为64.5m/d，属强透水层且水量丰富。其中A3中粗砂层天然含水量为15%，天然孔隙比为0.543，含泥量为3～5%，内摩擦角为34.2°，渗透系数为64.8m/d。总体而言，盾构施工区域处于富水中粗砂层，该地层以砂为主，含泥量极少，故该地层易透水，渣土流塑性差，施工过程中易出现水砂分离、地表沉降以及喷涌等现象。 1.2盾构机结构与工作参数
    该区间使用的土压平衡式盾构机是针对广州地铁硬岩、粉质黏土等复合地层而设计的。该盾构机开挖直径为6.28m，主机全长为9.5m。盾构机刀盘为辐条面板式刀盘，具体结构如图2所示。刀盘辐条数为6条，开口率为28%。刀盘中心位置和边缘位置各配置了10把和6把先行撕裂刀；刀盘上还布置了36把安装在滚刀刀座内的割刀，刃宽145mm、前角为0°的刮刀8把，刃宽150mm、前角为10°的刮刀32把，刃宽150mm、前角为20°的刮刀42把，边缘专用刮刀12把，外围保护刀12把。辐条上配置了4个添加剂注入孔，刀盘背面配置了3根搅拌棒。盾构机采用液压驱动，额定推力可达3.6×104kN；盾构机配备8套液压驱动马达，额定驱动扭矩为4850kNm；驱动电机总功率为945kW；最高转速为3.75rpm。螺旋传送机为内径为700mm的单级有轴式螺旋机，只有一道出渣闸门。土舱布置有4个土压传感器，实时监测土舱压力。盾构机仅配置了泡沫设备，用于渣土改良，无膨润土注入设备。 1.3刀盘未改造前掘进情况
    在试掘进的23环（4环至26环）中，土压平衡式盾构机主要存在推进速度缓慢的问题，最低掘进速度低至3mm/min。随着掘进环数增加，扭矩稳步增大，平均扭矩高达3300kNm。推进过程中不时出现地面沉降、推进喷涌、刀盘和土舱严重结饼、渣土温度过高等现象，出渣温度最高达67℃。通过分析初步认为，出现以上现象的主要原因是由于刀盘开口过小、渣土改良效果不明显以及土舱压力设置不合理等。针对试掘进中存在的主要问题，从刀盘结构、刀具布置以及渣土改良等方面进行改造，以期提高盾构机掘进性能。
2盾构机刀盘改造及渣土改良
2.1刀盘开口的地质适应性改造
    未改造前的刀盘结构如图3a）所示。为增大刀盘开口率，对刀盘上每块面板进行割除，切割位置主要集中于面板中间。为避免由于切割原因而降低刀盘面板力学强度及刚度，故将刀盘的切割位置以加筋板的方式间隔性地对刀盘外圈进行加固，刀盘开口率由原来的28%增加到40%。改造后的刀盘结构如图3b）所示  
2.2刀具的地质适应性改造
    由图2可知，在刀盘中心布置有10把先行撕裂刀。通过前期试掘进发现，该部位易出现结泥饼现象。故提出在改造后的刀盘中心布置一把大尺寸鱼尾刀（如图4所示），鱼尾刀总高度为40cm，总宽度为143cm，鱼尾刀刀刃角为15°鱼尾刀在刀盘上的高度超过切刀的高度，故其先于切刀切削土体。在鱼尾刀底部开出马蹄形空槽，可有效切削土体并使得切削的渣土翻转，有利于刀盘旋转后渣土从空槽处流出，进一步改善了渣土流动性，可有效避免泥饼的形成。 2.3搅拌棒地质适应性改造
    原有刀盘上配有3个长度为50cm、直径为25cm的主动搅拌棒，其距离土舱壁为75cm；同时配有2个35cm×15cm的被动搅拌棒。由于刀盘上的主动搅拌棒的运动轨迹为同心圆，不能充分搅拌土舱底部的渣土，故螺旋输送机排渣性能受到影响、土舱内结泥饼的概率增加。因此，在本文涉及的富水中砂地层中采用原有的搅拌棒的配置并不合理。另外，由于原有的3根主动搅拌棒质量较大，且在土舱内割除后重新焊接的难度较大，故需要对其进行改造。在原有的基础上对称增加2根长度为50cm、直径为15cm的圆柱形锰钢材料主动搅拌棒，焊接位置在对称的两根辐条上。为避免增加的2根主动搅拌棒的搅拌轨迹同心，故将2根搅拌棒焊接在距离土舱底壁为15cm和50cm的位置；同时，在其表面用耐磨焊条焊接耐磨条纹以增加搅拌棒的耐磨性，如图5所示。 2.4渣土地质适应性改良
    为使土压平衡式盾构机顺利掘进，需将开挖进入土舱的渣土改良成一种流塑性土体，从而使渣土能够通过刀盘开口进入土舱，并通过螺旋输送机输送到后方。为达到上述目的，开挖下来的渣土需具有一定的保水性与含水率，使得渣土不易发生水土分离。针对于该富水中砂地层，本文提出了一种同时掺
    入膨润土和高分子材料来改善渣土适应性的方案：
    （1）膨润土浆液水土配比的确定。采用天然钠基膨润土，按照水土配比为7：1（质量比）进行膨润土浆液的配制。将该浆液搅拌15min并发酵12h。此时配制好的浆液比重约为1.08～1.1，黏稠度为18ms，可泵送；如再膨化12h，膨润土浆液的泵送性和黏稠度将更理想。
    （2）膨润土和高分子材料掺入量的确定。当膨润土浆液水土比为7∶1时，膨润土浆液掺入量为15%～20%；当高分子材料掺入量为1%（即高分子材料浓度为1.5‰～3‰）时，渣土的黏稠性和可塑性均可得到显著改善，且有微量水析出，改良效果明显。其塌落度值基本在10～16cm的范围以内，且内摩擦角降低了9°左右，符合“塑性流动性”的要求
3盾构机改造前后掘进性能对比分析
3.1土压平衡式盾构机改造前后掘进参数分析
    土压平衡式盾构机在改造前，其掘进速度在3～9mm/min之间，改造后的盾构机掘进速度在18～30mm/min之间，平均掘进速度提升约4倍，且刀盘前端无结泥饼现象。刀盘平均扭矩由3000kNm降为2500kNm，约比改造前降低20%。这主要是由于改造后的刀盘不利于泥饼的形成，渣土的流动性得到稳定提升，有效地降低了渣土对刀盘的摩擦阻力与摩擦阻力矩。
3.2土压平衡式盾构机改造前后土压参数分析
    在盾构机土舱上部、左部和右部布置土压传感器，并对土压进行监测。经对渣土改良前后的土舱压力进行对比发现：改造前土舱上部土压在10～50kPa之间，土舱左右土压在60～150kPa之间，波动范围较大，且启动扭矩较大时，土舱压力会出现较高的峰值；改造后土舱上部土压在50～90kPa之间，土舱左右土压在80～130kPa之间，波动范围较小。这表明：原状土通过膨润土浆液进行改良后，渣土的流塑性明显增强；刀盘开口率增大后，有效地保证了土舱内渣土进出的动态平衡。因此，渣土改良后，土舱内的土压整体较稳定，基本达到改造效果。
3.3土压平衡式盾构机改造前后土舱温度分析
    盾构机改造前在施工过程中，土舱渣土温度经常出现随盾构机推力和扭矩增大而异常升高的情况，且由于渣土温度过高，打开土舱门后发现土舱内已严重结块，辐条间隙基本被堵塞。盾构机改造后刀盘和土舱中无明显结饼现象，通过对渣土进行温度检测发现渣土温度在21～25℃之间，其中土舱壁中心位置温度为25～28℃，边缘位置温度为22℃左右。经与盾构机未改造前相比，开挖的第26环渣土的最高温度降低了40℃。由此说明了盾构机刀盘结构改造以及渣土改良的效果明显。
3.4土压平衡式盾构机改造前后地面沉降分析
    盾构机改造后隧道中线盾构机刀盘前方2～4m的地面监测点有1～3mm的隆起，较改造前的1～5mm略有降低；刀盘正上方监测点1h内沉降值为3～7mm，较改造前的8～14mm有了明显降低。对比渣土改良前后的土舱压力，渣土改良后在盾构机推进过程中，土压增加了20～40kPa左右使得推进过程中的地面沉降值得到了明显降低，满足了盾构施工要求。
4结语
    针对于某地铁富水中砂地层，成功地改造了土压平衡式盾构机原有刀盘结构、刀具选配与刀具布置等；有效地提升了掘进速度，降低了刀盘扭矩，避免了刀盘前端结饼现象；结合渣土改良措施，使得土压波动范围变小，地面沉降现象得到明显改善。该刀盘改造技术可为富水中粗砂地层刀盘改造以及刀盘设计提供参考。
    参考文献：中国知网