上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計與施工

1、上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計與施工摘要介紹了中鐵隧道集團(tuán)為上海地鐵2號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1工程概況上海地鐵2號線西延伸工程2標(biāo)段威寧路站古北路站區(qū)間隧道上行線為1353.9，下行線為1296.75。線路最大坡度22，最小坡度為5.2，隧道頂部覆土厚6.714.3，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，浸透性均較弱。區(qū)間隧道采用1臺土壓平衡盾構(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

2、盤研制2.1刀盤研制的背景根據(jù)國家“863方案2022AA420220號合同要求，中鐵隧道集團(tuán)承當(dāng)?shù)恼n題之一是根據(jù)軟土硬巖等不同的地質(zhì)條件，研制具有較為廣泛的地質(zhì)適應(yīng)才能的刀盤。為使刀盤具有較為廣泛的地質(zhì)適應(yīng)才能，選擇廣州地鐵2號線越三區(qū)間及上海地鐵2號線西延伸工程威古區(qū)間作為參考工程對象。廣州地鐵2號線越三區(qū)間的工程水文地質(zhì)特征是全線有2/3以上為硬巖并且大局部位于隧道底部，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

3、，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。由于要求刀盤具有廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，既能適應(yīng)類似于廣州地鐵2號線越三區(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)展刀盤的強(qiáng)度、剛度設(shè)計時，以廣州地鐵2號線的地質(zhì)參數(shù)為根據(jù)，在設(shè)計碴土改進(jìn)與排碴裝置時，重點(diǎn)考慮上海地鐵2號線的地質(zhì)條件。2.2刀盤設(shè)計刀盤構(gòu)造如圖1所示，整個刀盤為焊接構(gòu)造，在刀盤上焊接了安裝各種刀具的刀座。刀盤和主驅(qū)動通過法蘭盤連接，刀盤反面和法蘭盤通過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

4、6230，為適應(yīng)廣州及上海的雙重地質(zhì)，在廣州施工時，開挖直徑6280；在上海施工時，開挖直徑為6420。刀盤面板厚度55，從法蘭盤底面到刀盤面板高1410，刀盤總重約55t。為保證刀盤的整體構(gòu)造強(qiáng)度和剛度，刀盤的構(gòu)造采用焊接箱形構(gòu)造。根據(jù)對刀盤設(shè)計模型在硬巖形式下對每個滾刀加載25t荷載的有限元分析，刀盤的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。刀盤的開口形式為對稱分布的8個長條孔，構(gòu)造形式利于碴土流動，開口盡量靠近刀盤的中心，以利于中心部位碴土的流動。刀盤開口率根據(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開口率為28%，當(dāng)安裝齒刀時刀盤開口率為30%。刀盤面板上共有8個泡沫注入口，其中在刀盤的中心設(shè)

5、置有4個泡沫注入口。在刀盤的反面有3個泡沫注入口。泡沫注入口也可以用來加注膨潤土和泥漿。刀盤周邊設(shè)計了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)時的耐磨性能。刀盤上的滾刀刀座和齒刀刀座一樣，安裝方式也一樣，可以滿足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號線西延伸工程威古區(qū)間施工時，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)施工時，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

6、推力和沖擊載荷的作用，工作狀況非常惡劣。為此，在采用類比法完成構(gòu)造設(shè)計后，必須對刀盤構(gòu)造的強(qiáng)度、剛度進(jìn)展校核，并在此根底上進(jìn)展構(gòu)造優(yōu)化。通過有限元分析與構(gòu)造優(yōu)化的互動，可有效進(jìn)步刀盤構(gòu)造設(shè)計的整體程度與可信度。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.采用ANSYSDesignSpae有限元分析軟件對刀盤進(jìn)展構(gòu)造分析。1簡化處理模型刪除不影響構(gòu)造強(qiáng)度的螺栓孔等特征；刪除所有刀具；刪除構(gòu)造中的一些斜肋板；圓整三維構(gòu)造中的尖點(diǎn)。2調(diào)入模型運(yùn)行ANSYSDesignSpae并調(diào)入處理后的模型。3定義模型材料選擇模型材料為構(gòu)造鋼。4劃分網(wǎng)格選擇網(wǎng)格劃分精度100，自動劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。5施加載荷與約束取刀盤驅(qū)動

7、扭矩為脫困時的工況，從平安的角度考慮，假定載荷全部加于面板上：取軸向載荷Fa10000kN；取扭矩N5300kN；取重力G540kN；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，應(yīng)選取靜力分析形式運(yùn)行程序。7對后處理結(jié)果的分析最大等效應(yīng)力為164.4Pa，位于主軸承法蘭與支撐鋼管連接焊縫處。刀盤所用材料的屈從限為345Pa，屈從平安系數(shù)ns2.1，滿足強(qiáng)度條件；最大變形為3.87，位于超挖刀所在大圓環(huán)處，其相對變形量僅為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

8、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2氣體保護(hù)焊、反復(fù)檢查校正、對重要焊縫進(jìn)展超聲波探傷。2刀盤組焊刀盤組焊工藝流程:面板固定測量平面度肋板定位刀座開口定位切割大圓周環(huán)與本體組焊測量同心度中心支撐定位測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刀盤熱處理對刀盤進(jìn)展焊后熱處理以消除焊接內(nèi)應(yīng)力、改善組織、進(jìn)步性能、保證使用過程中的構(gòu)造穩(wěn)定性。采用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

9、泥質(zhì)粘土和粘性土，需進(jìn)展端頭土體加固，施工中采用了深層攪拌法。加固范圍為出洞端頭縱向6.0，進(jìn)洞端頭縱向3.5，橫向?yàn)樗淼垒喞秶?。采用雙軸攪拌樁機(jī)施工，樁徑700，間距500500，梅花型布置；對于攪拌樁加固區(qū)和車站圍護(hù)構(gòu)造之間的加固盲區(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3600，施工中管線沉降控制較好，沉降變化在-23+1.86之間，最大沉降量僅為-23，對管線平安沒有影響。在施工中主要采取了以下措施：在盾構(gòu)進(jìn)入管線影響范圍之前，對盾構(gòu)及配套設(shè)施進(jìn)展全面的檢查和保養(yǎng)，確保通過管線時不出現(xiàn)故障停機(jī)；及時對環(huán)形空隙進(jìn)展充填

10、，并做好二次補(bǔ)壓漿工作；加強(qiáng)地面沉降監(jiān)測，尤其是對管線分布點(diǎn)監(jiān)測并及時分析評估施工對管線的影響，根據(jù)施工和變位情況調(diào)節(jié)觀測的頻率，及時反應(yīng)監(jiān)測信息并指導(dǎo)盾構(gòu)施工。2沼氣儲氣層施工在沼氣儲氣層，盾構(gòu)推進(jìn)全過程采用光干預(yù)型甲烷探測儀AQG-I型對洞內(nèi)氣體進(jìn)展全過程檢測，并作好記錄；加強(qiáng)施工通風(fēng)；施工過程中嚴(yán)禁明火；在管片拼裝前仔細(xì)檢查止水條，確保管片止水條外外表的清潔；加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量控制，確保隧道防水效果的同時，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)營平安。3.3地表監(jiān)測及沉降控制上海地鐵2號線西延伸2標(biāo)施工開展了地表沉降和地下管線平安監(jiān)測、地面建筑物監(jiān)測、隧道管片變形監(jiān)測

11、、掘進(jìn)過程有害氣體監(jiān)測等現(xiàn)場監(jiān)測工程。1地表沉降和地下管線平安監(jiān)測地表沉降點(diǎn)沿隧道軸線按5間距埋設(shè)，地表橫向沉陷測點(diǎn)按50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15的主要地下管線上方地表縱向每隔30布置一個測點(diǎn)。2地面建筑物監(jiān)測在區(qū)間隧道兩側(cè)距隧道邊線約15，特別是對隧道兩側(cè)10范圍內(nèi)地面建筑物進(jìn)展監(jiān)測，測點(diǎn)主要布置在建筑物根底或承重柱上。3隧道管片變形監(jiān)測隧道管片變形監(jiān)測含拱頂下沉測點(diǎn)與程度收斂測點(diǎn)等。在盾構(gòu)進(jìn)出洞50范圍內(nèi)、曲線段及聯(lián)絡(luò)通道處每6布置1個測試斷面，其他地段按50間距布設(shè)測量斷面。4掘進(jìn)過程有害氣體監(jiān)測用AQG-1型甲烷探測儀在螺旋輸送機(jī)出碴口固定監(jiān)測。3.4監(jiān)測結(jié)果及分析1地表沉降上行線地表沉降在17.0863.59間，多數(shù)沉降穩(wěn)定在-30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)時調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)導(dǎo)致地表沉降過大；其二是由于附近給水管線的施工導(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)，受擾動后沉降較大。下行線地表沉降變化在11.4-53.3間