［摘　要］介紹了中鐵隧道集團(tuán)有限公司為上海地鐵2號(hào)線西延工程研制的盾構(gòu)刀盤以及盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)。
［關(guān)鍵詞］盾構(gòu)；刀盤；有限元；沉降；監(jiān)測(cè)
 
1 工程概況
      上海地鐵 2 號(hào)線西延伸工程 2 標(biāo)段威寧路站－古北路站區(qū)間隧道上行線為1 353.9m，下行線為1 296.75m。線路最大坡度 22‰，最小坡度為5.2‰，隧道頂部覆土厚 6.7～14.3m，屬中淺埋隧道。隧道穿越的地層主要為灰色淤泥質(zhì)粘土層和灰色粘性土層，工程區(qū)域內(nèi)受影響的地下水為潛水，滲透性均較弱。區(qū)間隧道采用 1 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)施工。施工中采用了南京地鐵 TA15 標(biāo)使用過(guò)的土壓平衡盾構(gòu)，但刀盤及液壓控制系統(tǒng)采用中鐵隧道集團(tuán)公司的“863”盾構(gòu)研發(fā)成果。
2 盾構(gòu)刀盤研制
2.1 刀盤研制的背景
      根據(jù)國(guó)家“863”計(jì)劃2003AA420120 號(hào)合同要求，中鐵隧道集團(tuán)承擔(dān)的課題之一是根據(jù)軟土硬巖等不同的地質(zhì)條件，研制具有較為寬泛的地質(zhì)適應(yīng)能力的刀盤。為使刀盤具有較為寬泛的地質(zhì)適應(yīng)能力，選擇廣州地鐵 2 號(hào)線越三區(qū)間及上海地鐵 2 號(hào)線西延伸工程威古區(qū)間作為參考工程對(duì)象。
      廣州地鐵 2 號(hào)線越三區(qū)間的工程水文地質(zhì)特征是全線有 2/3 以上為硬巖并且大部分位于隧道底部，而50％左右的不穩(wěn)定地層大都位于隧道拱部；隧道洞身地段一般地下水貧乏，但在巖石裂隙發(fā)育、全風(fēng)化礫巖、基巖強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶以及斷裂破碎帶中含有一定量的地下水。
      上海地鐵 2 號(hào)線西延伸工程威古區(qū)間主要為灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色粘性土，土性較均勻；土質(zhì)呈飽和～軟流塑狀，具有高壓縮性、低透水性的特點(diǎn)。土層中的粘粒含量大，容易在刀盤上形成泥餅。
      由于要求刀盤具有寬泛的地質(zhì)適應(yīng)性，既能適應(yīng)類似于廣州地鐵 2 號(hào)線越三區(qū)間那樣的硬巖與軟巖交互地層，又能適應(yīng)類似于上海地鐵 2 號(hào)線西延伸工程威古區(qū)間那樣的淤泥質(zhì)粘土及粘性土，所以在進(jìn)行刀盤的強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)時(shí)，以廣州地鐵 2 號(hào)線的地質(zhì)參數(shù)為依據(jù)，在設(shè)計(jì)碴土改良與排碴裝置時(shí)，重點(diǎn)考慮上海地鐵 2 號(hào)線的地質(zhì)條件。
2.2 刀盤設(shè)計(jì)
      刀盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)刀盤為焊接結(jié)構(gòu)，在刀盤上焊接了安裝各種刀具的刀座。刀盤和主驅(qū)動(dòng)通過(guò)法蘭盤連接，刀盤背面和法蘭盤通過(guò)4根厚壁鋼管焊接在一起，以傳遞足夠的扭矩和推力。

      刀盤本體直徑 6 230mm，為適應(yīng)廣州及上海的雙重地質(zhì)，在廣州施工時(shí)，開(kāi)挖直徑6 280mm；在上海施工時(shí)，開(kāi)挖直徑為 6 420mm。刀盤面板厚度 5 5 m m ，從法蘭盤底面到刀盤面板高1 410mm，刀盤總重約 55t。
      為保證刀盤的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，刀盤的結(jié)構(gòu)采用焊接箱形結(jié)構(gòu)。根據(jù)對(duì)刀盤設(shè)計(jì)模型在硬巖模式下對(duì)每個(gè)滾刀加載 25t 荷載的有限元分析，刀盤的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。
      刀盤的開(kāi)口形式為對(duì)稱分布的 8 個(gè)長(zhǎng)條孔，結(jié)構(gòu)形式利于碴土流動(dòng)，開(kāi)口盡量靠近刀盤的中心，以利于中心部位碴土的流動(dòng)。刀盤開(kāi)口率根據(jù)安裝的刀具類型不同而有所變化，當(dāng)全部安裝硬巖刀具時(shí)開(kāi)口率為 28%，當(dāng)安裝齒刀時(shí)刀盤開(kāi)口率為 30%。
      刀盤面板上共有 8 個(gè)泡沫注入口，其中在刀盤的中心設(shè)置有 4 個(gè)泡沫注入口。在刀盤的背面有 3 個(gè)泡沫注入口。泡沫注入口也可以用來(lái)加注膨潤(rùn)土和泥漿。
      刀盤周邊設(shè)計(jì)了 3 條耐磨條，刀盤面板焊接格柵狀耐磨材料，充分保證刀盤在硬巖掘進(jìn)時(shí)的耐磨性能。

       5）施加載荷與約束　取刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩為脫困時(shí)的工況，從安全的角度考慮，假定載荷全部加于面板上：①取軸向載荷 Fa ＝ 10 000kN；②取扭矩 Nw ＝ 5 300kNm；③取重力 G ＝ 540kN；④固定中心支撐連接面。
      6）運(yùn)行程序　由于刀盤在實(shí)際工作中轉(zhuǎn)速很低，故選取靜力分析模式運(yùn)行程序。
      7）對(duì)后處理結(jié)果的分析　最大等效應(yīng)力為164.4MPa，位于主軸承法蘭與支撐鋼管連接焊縫處。刀盤所用材料的屈服限為 345MPa，屈服安全系數(shù) ns ＝ 2.1，滿足強(qiáng)度條件；最大變形為3.87mm，位于超挖刀所在大圓環(huán)處，其相對(duì)變形量?jī)H為0.2‰，　滿足一般工程上所允許的剛度條件。
2.4 刀盤制造
      刀盤的主要制造工藝包括機(jī)械加工、焊接、熱處理、裝配等。
      1）關(guān)鍵零部件的加工　刀盤大圓環(huán)、法蘭連接盤、刀盤支撐鋼管、刀座箱體、刀盤中心支撐、刀盤面板等關(guān)鍵零部件采用數(shù)控火焰切割機(jī)下料、焊口刨邊、采用CO2 氣體保護(hù)焊、反復(fù)檢查校正、對(duì)重要焊縫進(jìn)行超聲波探傷。
      2）刀盤組焊　刀盤組焊工藝流程:面板固定→測(cè)量平面度→肋板定位→刀座開(kāi)口定位切割→大圓周環(huán)與本體組焊→測(cè)量同心度→中心支撐定位→測(cè)量同心度→翻身→焊接刀盤正面→焊接外圈錐板→翻身→焊接背板→焊接泡沫管→試壓→焊接斜支撐板→磁粉探傷→退火。
      3）刀盤熱處理　對(duì)刀盤進(jìn)行焊后熱處理以消除焊接內(nèi)應(yīng)力、改善組織、提高性能、保證使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采用的刀盤焊后熱處理工藝參數(shù)：加熱溫度580℃～620℃；加熱速度50℃/h；保溫時(shí)間 3.5h；冷卻速度 50℃/h。
3 盾構(gòu)法施工
3.1 端頭土體加固
      區(qū)間隧道端頭穿越的地層為淤泥質(zhì)粘土和粘性土，需進(jìn)行端頭土體加固，施工中采用了深層攪拌法。加固范圍為出洞端頭縱向6.0m，進(jìn)洞端頭縱向 3.5m，橫向?yàn)樗淼垒喞秶?3m。采用雙軸攪拌樁機(jī)施工，樁徑 700mm，間距 500mm× 500mm，梅花型布置；對(duì)于攪拌樁加固區(qū)和車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的加固盲區(qū)，采用分層劈裂注漿加固。
3.2 工程重難點(diǎn)及對(duì)策
      1）深埋管線段施工　芙蓉江路口有一路南北向的合流污水管，管徑 3 600mm，施工中管線沉降控制較好，沉降變化在 -23～+1.86mm 之間，最大沉降量?jī)H為 -23mm，對(duì)管線安全沒(méi)有影響。在施工中主要采取了以下措施：①在盾構(gòu)進(jìn)入管線影響范圍之前，對(duì)盾構(gòu)及配套設(shè)施進(jìn)行全面的檢查和保養(yǎng)，確保通過(guò)管線時(shí)不出現(xiàn)故障停機(jī)；②及時(shí)對(duì)環(huán)形空隙進(jìn)行充填，并做好二次補(bǔ)壓漿工作；③加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)管線分布點(diǎn)監(jiān)測(cè)并及時(shí)分析評(píng)估施工對(duì)管線的影響，根據(jù)施工和變位情況調(diào)節(jié)觀測(cè)的頻率，及時(shí)反饋監(jiān)測(cè)信息并指導(dǎo)盾構(gòu)施工。
      2）沼氣儲(chǔ)氣層施工　在沼氣儲(chǔ)氣層，盾構(gòu)推進(jìn)全過(guò)程采用光干涉型甲烷探測(cè)儀（AQG-I 型）對(duì)洞內(nèi)氣體進(jìn)行全過(guò)程檢測(cè)，并作好記錄；加強(qiáng)施工通風(fēng)；施工過(guò)程中嚴(yán)禁明火；在管片拼裝前仔細(xì)檢查止水條，確保管片止水條外表面的清潔；加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量控制，確保隧道防水效果的同時(shí)，防止土層內(nèi)的氣體通過(guò)管片接縫滲入隧道內(nèi)，以確保隧道建成后的運(yùn)營(yíng)安全。
3.3 地表監(jiān)測(cè)及沉降控制
      上海地鐵 2 號(hào)線西延伸 2 標(biāo)施工開(kāi)展了地表沉降和地下管線安全監(jiān)測(cè)、地面建筑物監(jiān)測(cè)、隧道管片變形監(jiān)測(cè)、掘進(jìn)過(guò)程有害氣體監(jiān)測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。
      1）地表沉降和地下管線安全監(jiān)測(cè)　地表沉降點(diǎn)沿隧道軸線按5m間距埋設(shè)，地表橫向沉陷測(cè)點(diǎn)按 50m 間距埋設(shè)。沿區(qū)間隧道施工影響范圍內(nèi)（距隧道邊線約15m）的主要地下管線上方地表縱向每隔 30m 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。
      2）地面建筑物監(jiān)測(cè)　在區(qū)間隧道兩側(cè)距隧道邊線約 15m，特別是對(duì)隧道兩側(cè) 10m 范圍內(nèi)地面建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)主要布置在建筑物基礎(chǔ)或承重柱上。
      3）隧道管片變形監(jiān)測(cè)　隧道管片變形監(jiān)測(cè)含拱頂下沉測(cè)點(diǎn)與水平收斂測(cè)點(diǎn)等。在盾構(gòu)進(jìn)出洞 50m 范圍內(nèi)、曲線段及聯(lián)絡(luò)通道處每 6m 布置1 個(gè)測(cè)試斷面，其他地段按 50m 間距布設(shè)測(cè)量斷面。
      4）掘進(jìn)過(guò)程有害氣體監(jiān)測(cè)　用 AQG-1 型甲烷探測(cè)儀在螺旋輸送機(jī)出碴口固定監(jiān)測(cè)。
3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析
      1）地表沉降　上行線地表沉降在＋17.08～－ 63.59mm 間，多數(shù)沉降穩(wěn)定在 -30mm 左右。地表沉降最大地段分布在威寧路站端頭井及芙蓉江路附近。威寧路站端頭井附近沉降較大的原因是盾構(gòu)到達(dá)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)導(dǎo)致地表沉降過(guò)大；其二是由于附近給水管線的施工導(dǎo)致沉降過(guò)大；其三是地質(zhì)勘探孔的冒漿導(dǎo)致地層損失。芙蓉江路地段地表沉降較大是因?yàn)樵摰囟蔚牡刭|(zhì)情況較差，多為流塑狀粘土，流變性強(qiáng)，受擾動(dòng)后沉降較大。下行線地表沉降變化在＋ 11.4～-53.3mm間，多數(shù)沉降值穩(wěn)定在 -30mm 左右。
      2）地面建筑沉降　地面建筑物沉降較小，控制在 -25～+3mm 之間。
      3 ）管片上浮　下行線管片上浮最高達(dá)81mm，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)允許值。管片上浮的主要原因是因?yàn)榈貙又杏姓託鈨?chǔ)氣層的存在。對(duì)管片上浮作了相應(yīng)處理，進(jìn)行了底部放漿、頂部注漿，從而有效地控制了上浮，達(dá)到優(yōu)良級(jí)。
 
［參考文獻(xiàn)］
［1］李建斌，何於璉．刀盤研制實(shí)例［J］．隧道建設(shè)，　2005，（6）：53-56．