上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)與施工_工程管理

1、上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)與施工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)。1 工程概況上海地鐵 2 號(hào)線西延長(zhǎng)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 6.714.3m，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)間隧道采納 1 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)施工。施工中采納了南京地鐵 TA15 標(biāo)使用過的土壓平衡盾構(gòu)，但刀盤及液壓掌握系統(tǒng)采納中鐵隧道集團(tuán)公司的“863”盾構(gòu)研發(fā)成果。2

2、盾構(gòu)刀盤研制2.1 刀盤研制的背景依據(jù)國(guó)家“863”方案2022AA420220 號(hào)合同要求，中鐵隧道集團(tuán)擔(dān)當(dāng)?shù)恼n題之一是依據(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)力量的刀盤。為使刀盤具有較為寬泛的地質(zhì)適應(yīng)力量，選擇廣州地鐵 2 號(hào)線越三區(qū)間及上海地鐵 2 號(hào)線西延長(zhǎng)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)化帶以及斷裂破裂帶中含有肯定量的地下水。上海地鐵 2 號(hào)線西延長(zhǎng)工程威古區(qū)

3、間主要為灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色粘性土，土性較勻稱;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，簡(jiǎn)單在刀盤上形成泥餅。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)線西延長(zhǎng)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)通過法蘭盤連接，刀盤背面和法蘭盤通過4根厚壁

4、鋼管焊接在一起，以傳遞足夠的扭矩和推力。 <CENTER</CENTER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)，開挖直徑6 280mm;在上海施工時(shí)，開挖直徑為 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)采納焊接箱形結(jié)構(gòu)。依據(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)度和剛度均滿意要求。刀盤的開口形式為對(duì)稱分布的 8 個(gè)長(zhǎng)條孔，結(jié)構(gòu)形式利于碴土流淌，開口盡量靠近刀盤的中心，以利于中心部位碴土的流淌。刀盤開口率依

5、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)開口率為 28%，當(dāng)安裝齒刀時(shí)刀盤開口率為 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。刀盤上的滾刀刀座和齒刀刀座相同，安裝方式也相同，可以滿意滾刀和齒刀的互換性要求，以適應(yīng)不同地層的開挖。在上海地鐵 2 號(hào)線西延長(zhǎng)工程威古區(qū)間施工時(shí)，安裝切刀64把、雙刃齒刀6把、單刃齒刀8把、雙刃滾刀5把、周邊刮刀16把和仿形刀1把。在廣州地鐵等硬巖區(qū)施

6、工時(shí)，在刀盤上安裝切刀 64 把、雙刃滾刀 19 把、周邊刮刀 16 把和仿形刀 1 把。2.3 刀盤有限元分析刀盤是盾構(gòu)的掘削系統(tǒng)，具有開挖地層、穩(wěn)定開挖面、攪拌碴土等功能，承受大扭矩、大推力和沖擊載荷的作用，工作狀況特別惡劣。為此，在采納類比法完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，必需對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行 校核，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的互動(dòng)，可有效提高刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體水平與可信度。采納 ANSYSDesignSpace 有限元分析軟件對(duì)刀盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。1)簡(jiǎn)化處理模型刪除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的螺栓孔等特征;刪除全部刀具;刪除結(jié)構(gòu)中的一些斜肋板;圓整三維結(jié)構(gòu)中的尖點(diǎn)。2)調(diào)入模型運(yùn)

7、行 ANSYSDesignSpace并調(diào)入處理后的模型。3)定義模型材料選擇模型材料為結(jié)構(gòu)鋼。4)劃分網(wǎng)格選擇網(wǎng)格劃分精度100，自動(dòng)劃分網(wǎng)格后的模型如圖 2 所示。 <CENTER</CENTER5)施加載荷與約束取刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩為脫困時(shí)的工況，從平安的角度考慮，假定載荷全部加于面板上：取軸向載荷 Fa = 10 000kN;取扭矩 Nw = 5 300kNm;取重力 G = 540kN;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

8、服限為 345MPa，屈服平安系數(shù) ns = 2.1，滿意強(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，滿意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)鍵零部件采納數(shù)控火焰切割機(jī)下料、焊口刨邊、采納CO2 氣體愛護(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

9、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)行焊后熱處理以消退焊接內(nèi)應(yīng)力、改善組織、提高性能、保證使用過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采納的刀盤焊后熱處理工藝參數(shù)：加熱溫度580620;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，施工中采納了深層攪拌法。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。采納雙軸攪拌樁機(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)，

10、采納分層劈裂注漿加固。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，施工中管線沉降掌握較好，沉降變化在 -23+1.86mm 之間，最大沉降量?jī)H為 -23mm，對(duì)管線平安沒有影響。在施工中主要實(shí)行了以下措施：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)，確保通過管線時(shí)不消失故障停機(jī);準(zhǔn)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;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)并準(zhǔn)時(shí)分析評(píng)估施工對(duì)管線的影響，依據(jù)施工和變位狀況調(diào)整觀測(cè)的頻率，準(zhǔn)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)推動(dòng)全過程采納光干涉型

11、甲烷探測(cè)儀(AQG-I 型)對(duì)洞內(nèi)氣體進(jìn)行全過程檢測(cè)，并作好記錄;加強(qiáng)施工通風(fēng);施工過程中嚴(yán)禁明火;在管片拼裝前認(rèn)真檢查止水條，確保管片止水條外表面的清潔;加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量掌握，確保隧道防水效果的同時(shí)，防止土層內(nèi)的氣體通過管片接縫滲入隧道內(nèi)，以確保隧道建成后的運(yùn)營(yíng)平安。3.3 地表監(jiān)測(cè)及沉降掌握上海地鐵 2 號(hào)線西延長(zhǎng) 2 標(biāo)施工開展了地表沉降和地下管線平安監(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平安監(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

12、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，特殊是對(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四周。威寧路站端頭井四周沉降較大的緣由是盾構(gòu)到達(dá)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)姿勢(shì)導(dǎo)致地表沉降過大;其二是由于四周給水管線的施工導(dǎo)致沉降過大;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由于該地段的地質(zhì)狀況較差，多為流塑狀粘土，流變性強(qiáng)