敞口式盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

姜國平

(北京市三一重機(jī)有限公司盾構(gòu)項目組，北京 102202)

0 引言

在砂層和砂卵石地層的地鐵隧道的建設(shè)施工中，土壓平衡盾構(gòu)應(yīng)用不適應(yīng)主要表現(xiàn)在:刀具磨損嚴(yán)重，新制刀具僅能支持掘進(jìn)幾十米，需頻繁開艙換刀;刀盤外周磨損嚴(yán)重導(dǎo)致開挖直徑變小，盾構(gòu)經(jīng)常被困死，推進(jìn)艱難;遇到大粒徑卵礫石和孤石時無法處理，只能采取人工開挖導(dǎo)洞繞至開挖面將障礙清除的措施，嚴(yán)重影響工程安全和進(jìn)度;砂卵石等地層滲透性強(qiáng)，建立壓力平衡困難，容易撓動發(fā)生地面沉降;盾構(gòu)操控難度大，頻繁停工，進(jìn)度極慢，甚至不及淺埋暗挖法;刀具、油料、土體改良劑等材料消耗極大，施工成本高昂。土壓平衡盾構(gòu)不能應(yīng)對所有的地質(zhì)問題。

為了解決以上施工問題，本文圍繞最新研制的敞口式盾構(gòu)推出了一種新的技術(shù)及施工工法，彌補(bǔ)了密閉式盾構(gòu)的缺陷，綜合比較安全、進(jìn)度、成本、地質(zhì)適應(yīng)特殊性等各方面因素。敞口式盾構(gòu)具有良好的經(jīng)濟(jì)性及靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力［1］，在特定的范圍內(nèi)能適應(yīng)土體自立性好、基本不含水或降水的砂卵石地層，尤其是在砂卵石等自穩(wěn)性較好地層施工中，敞口式盾構(gòu)比密閉式盾構(gòu)更為適用［2］，使用土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀具磨損十分嚴(yán)重，而敞口盾構(gòu)根本不存在類似問題［3－4］。在北京地區(qū)及全國范圍具有很高的推廣應(yīng)用價值［5－6］。

敞口式盾構(gòu)做為盾構(gòu)產(chǎn)品系列里一重要分支，最早應(yīng)用于日本關(guān)門隧道(1953年，掘進(jìn)700 m)，并在日本及歐美早期得到了一定的發(fā)展，國內(nèi)尚無施工案例。鑒于盾構(gòu)在國內(nèi)特殊地質(zhì)條件下的使用現(xiàn)狀，敞口式盾構(gòu)及其工法已得到許多行業(yè)專家及施工單位的關(guān)注，并提出了使用需求，卻未引起國內(nèi)盾構(gòu)生產(chǎn)廠商的足夠重視。

目前，許多學(xué)者對敞口式盾構(gòu)做的一些研究，主要集中在敞口式盾構(gòu)介紹及應(yīng)用［7－8］、前盾設(shè)計［9］、推力計算［10］、設(shè)計綜述［11］、挖掘裝置運動學(xué)和動力學(xué)的分析及有限元與模態(tài)的分析與仿真［12］等方面。

本研究創(chuàng)新之處在于前檐支護(hù)及挖掘關(guān)鍵技術(shù)，敞口挖掘施工方法和工藝，敞口挖掘式盾構(gòu)整體設(shè)計與系統(tǒng)性匹配組合。

1 敞口挖掘式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)及工作原理

與土壓平衡盾構(gòu)等密閉式盾構(gòu)相比，敞口式盾構(gòu)有以下主要區(qū)別:

1)沒有刀盤和刀盤驅(qū)動裝置，挖掘土體由液壓鏟斗或銑削機(jī)完成，根據(jù)地質(zhì)情況的不同，可以輕易地互換鏟斗和銑削機(jī)。

2)開挖面與盾體內(nèi)艙之間無封閉隔板，完全敞開，從盾體內(nèi)部能直接看到開挖面的全部狀況。

3)開挖面及上方土體由前盾帽檐、可滑動的伸縮前檐、可收放的活動擋板等共同支護(hù)。

4)隧道挖掘在常壓下進(jìn)行，無需建立土體壓力平衡，取消了人艙等帶壓裝置和結(jié)構(gòu)。

5)挖掘斷面不受圓形刀盤限制，可自由設(shè)計成馬蹄形、矩形等型式。

敞口挖掘式盾構(gòu)如圖1所示。

圖1 敞口挖掘式盾構(gòu)Fig.1 Open shield

1.1 敞口挖掘式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)

主機(jī)省去了刀盤和密閉隔板、主驅(qū)動(主軸承和主密封)、氣壓艙;開挖裝置借用成熟技術(shù)的挖掘機(jī)系統(tǒng)、模塊;為擴(kuò)大上下左右挖掘范圍動臂設(shè)計為可伸縮、可擺動回轉(zhuǎn)，為適應(yīng)軟硬地質(zhì)，設(shè)計了多套可與挖斗互換的銑挖頭、破碎錘;土體支護(hù)裝置采用“帽檐式盾體結(jié)構(gòu)+可伸縮前檐+可收放正面擋板”3種不同組合式支護(hù)方式;螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、推進(jìn)、鉸接、后配套等與土壓平衡盾構(gòu)通用化設(shè)計。

敞口盾構(gòu)主機(jī)結(jié)構(gòu)三維布置如圖2所示。

圖2 敞口挖掘式盾構(gòu)三維布置圖Fig.2 3D model of open shield

前盾部分包括切口環(huán)、活動前檐、移動擋板、液壓挖斗、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)千斤頂?shù)炔考脱b置。尾盾部分包括管片拼裝機(jī)、注漿管路和盾尾密封等部件和裝置。挖掘裝置配備20 t伸縮式及5 t折疊式2種型號挖掘裝置，可按需互換;標(biāo)準(zhǔn)挖掘機(jī)接口設(shè)計，針對不同地層變化，可以通過更換不同的工作裝置(鏟斗、銑挖機(jī)或破碎錘)來實現(xiàn)對砂土、卵礫石及大塊徑礫石的掘削和破碎。針對砂卵石及部分巖層，將直接移植巖巷掘進(jìn)機(jī)的工作裝置，防爆電機(jī)驅(qū)動截割頭，通過變幅油缸、伸縮油缸及回轉(zhuǎn)支承共同實現(xiàn)其空間位置變換，對開挖面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割(開挖)，可切割最高強(qiáng)度為60 MPa的巖石。挖掘裝置如圖3所示。

圖3 伸縮式挖掘裝置三維布置圖Fig.3 3D model of digging device

主系統(tǒng)還包括連接橋、管片吊機(jī)、管片拼裝機(jī)、皮帶輸送機(jī)、主控室、PLC控制系統(tǒng)和導(dǎo)向系統(tǒng)等。

輔助系統(tǒng)包括注漿系統(tǒng)、油脂注入系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)和通風(fēng)等，輔助系統(tǒng)主要安裝在可以在軌道上行走、隨主機(jī)一同前進(jìn)的車架上。

1.2 產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)

STM063D1敞口挖掘式盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters

1.3 工作原理

活動前檐防止隧道開挖面拱頂土體坍落，采用液壓移動擋板保證開挖面上半斷面土體穩(wěn)定。

切口下部斜面保持開挖面上半斷面土體坡度，進(jìn)而保證開挖面下半斷面土體穩(wěn)定。

機(jī)械鏟斗(或掘削頭)對開挖面土方直接挖掘，螺旋輸送機(jī)(或皮帶輸送機(jī))輸送土方到礦車。

管片拼裝機(jī)在盾殼保護(hù)下進(jìn)行管片安裝，同步注漿同步進(jìn)行。

安裝在前盾支撐環(huán)梁上的千斤頂頂進(jìn)盾構(gòu)。

1.4 作業(yè)步序

穩(wěn)定開挖面、挖掘和排土、安裝管片襯砌、推進(jìn)盾構(gòu)、同步回填注漿。以北京地區(qū)通用規(guī)格的管片環(huán)(外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，寬1 200 mm)為例，敞口挖掘式盾構(gòu)的主要工作步序如表2所示。

在挖掘隧道過程中如遇到漂石、孤石、樁基等地下障礙，粒徑較小的漂石、孤石可以用鏟斗直接挖出或人工排出;粒徑較大的漂石、孤石和樁基，則可以將鏟斗換成銑削錘進(jìn)行破碎后再排除。因開挖面完全敞開，處理障礙的過程也變得十分容易和直接，對工程的進(jìn)度的影響很小。

表2 工作步驟Table 2 Construction procedure

敞口挖掘式盾構(gòu)在有水的地層施工時，首先應(yīng)對地層進(jìn)行降水，將水位降至開挖面以下;在開挖過程中，應(yīng)密切關(guān)注開挖面的變化，如出現(xiàn)滲漏水，應(yīng)立即停止開挖，將活動擋板和下部備用擋板全部打開，在開挖面注漿止水，查明滲漏原因并堵住源頭;如發(fā)生嚴(yán)重漏水，應(yīng)立即停止施工，并堵住開挖面，待解決漏水問題之后，再重新開始施工。

2 敞口盾構(gòu)適應(yīng)性及施工應(yīng)用

2.1 敞口挖掘式盾構(gòu)適應(yīng)性分析

適用于無水地層或降水后地層，且該地層具有一定自穩(wěn)能力。

對于北京地區(qū)來說土層自穩(wěn)能力較好，無水地層或降水費用不高的地層可采用敞開式盾構(gòu)，既避免密閉式盾構(gòu)的局限(過卵石層或遇到障礙物處理困難等)，也能消除淺埋暗挖法的弱點(管理難度大、安全隱患多等)，其對比如表3，4，5所示。

2.2 施工應(yīng)用——北京地鐵6號線二期線路

2.2.1 區(qū)間概況

北京地鐵6號線二期15標(biāo)郝家府—東部新城站區(qū)間敞開式盾構(gòu)掘進(jìn)段由東部新城站西端頭始發(fā)，于郝—東區(qū)間右線中間豎井接收。全長388.294 m(共計324環(huán))，區(qū)間隧道埋深8.7～10.2 m。起點里程K41+570.650，終點里程K41+182.356。北京地鐵6號線二期線路圖如圖4所示。

表3 敞口挖掘施工特點Table 3 Construction characteristics of open shiel

表4 淺埋暗挖施工特點Table 4 Characteristics of shallow cover excavation method

由郝家府站向東，沿運河?xùn)|大街北側(cè)設(shè)置，沿線穿越農(nóng)田、高壓電力走廊、豐字溝、現(xiàn)狀自然村、召里路，到達(dá)設(shè)于宋郎路和運河?xùn)|大街交叉路口的東部新城站。區(qū)間長度1 257.5 m，K41+062.5處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道兼泵房座，在右K41+500處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道一座。

2.2.2 郝家府站—東部新城站區(qū)間工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

區(qū)間主要穿越地層②－3粉細(xì)砂、③－3粉細(xì)砂、④粉質(zhì)黏土、④－4中粗砂。地層巖土物理力學(xué)參數(shù)見表6。

表5 密閉(土壓)式盾構(gòu)施工特點Table 5 Construction characteristics of EPB shield

圖4 北京地鐵6號線二期線路圖Fig.4 Route of PhaseⅡproject of No.6 line of Beijing Metro

表6 穿越地層巖土物理力學(xué)參數(shù)表Table 6 Physical and mechanical parameters of strata

3 敞口挖掘式盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

1)敞口盾構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù)、自動控制技術(shù)。

2)破碎、銑削、開挖、收集渣土多模塊互換的折疊臂挖掘技術(shù)、控制及施工工藝。

3)縱向控制實現(xiàn)就地運算、就地監(jiān)控架構(gòu)及設(shè)計。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)互通、人機(jī)交互，可以輕松地在控制室內(nèi)對所有設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和操控。

3.1 挖掘裝置

針對砂土地層，通過多個油缸來驅(qū)動控制鏟斗的切削軌跡，實現(xiàn)對隧道截面的仿形開挖。對于孤石和大粒徑礫石的處理，可通過與鏟斗互換安裝的破碎錘來進(jìn)行破碎后排出。針對砂卵石及部分巖層，借鑒巖巷掘進(jìn)機(jī)截割頭工作裝置，并通過多個油缸組合完成對開掌子面的開挖。

挖機(jī)挖斗前部貫入力計算的計算前提條件:按全覆土土壓力計算、均一地層、上覆土層的實際高度h0為20 m、挖斗前部的厚度按50 mm厚計算，斗寬1.097 m，開挖按全部與土體接觸計算貫入力。

當(dāng)?shù)鼗馏w變形時，即土體產(chǎn)生被動土壓力，也就是當(dāng)挖斗前檐插入土體時主要受到被動土壓力。根據(jù)土體單元主應(yīng)力的關(guān)系，朗肯求出了被動狀態(tài)下的土壓力系數(shù)

式中:φ為內(nèi)摩擦角;c為黏聚力;γ為土層的重度;z為計算點埋深。

根據(jù)該系數(shù)計算挖斗前檐所受被動推力p=γhAKp，其中:h為計算深度，A為土壓力作用的有效面積，這里把挖斗前檐看成是一塊5 cm厚的鋼板，斗寬1.097 m，所以面積A為0.055 m2。這里假設(shè)上層覆土為20 m，計算點埋深為(20+3.11)m。

進(jìn)行計算得到:

中粗砂:p=γhAKp=20.5×23.11×0.055×tan2(45°+42°/2)=131.088 kN。

3.2 推進(jìn)及支護(hù)(盾體)

盾體為高強(qiáng)焊接結(jié)構(gòu)，包括前、中、盾尾3部分。前盾上部設(shè)有7組前檐支撐和扇形擋板，前檐支撐通過油缸控制實現(xiàn)軸向600 mm范圍內(nèi)伸縮，7個扇形擋板呈160°分布，避免上方土體的坍塌。中盾上預(yù)留超前鉆接口，可實現(xiàn)對前方土體的超前探測及注漿加固;采用16根推進(jìn)油缸，最大伸出速度100 mm/min，推力36 000 kN保證盾構(gòu)具有足夠的推進(jìn)和爬坡能力儲備，14根鉸接油缸，鉸接角1.5°，可滿足250 m的隧道轉(zhuǎn)彎要求。

前檐支護(hù)結(jié)構(gòu)及受力如圖5所示。

3.3 出渣系統(tǒng)

出渣系統(tǒng)采用螺旋機(jī)輸送與皮帶輸送機(jī)，輸送能力280 m3/h，可滿足400 mm以下粒徑渣土的順暢輸送。螺旋機(jī)的驅(qū)動裝置液壓馬達(dá)速度可調(diào)。

圖5 前檐支護(hù)結(jié)構(gòu)及受力圖Fig.5 Structure and forcing of support device in front shield

3.4 管片拼裝與輸送系統(tǒng)

管片拼裝機(jī)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(液壓馬達(dá)驅(qū)動)，直線運動機(jī)構(gòu)(油缸驅(qū)動)、微擺動機(jī)構(gòu)(油缸驅(qū)動)等組成，具有6個自由度，可實現(xiàn) ±220°的回轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)速0.3～1.5 r/min，確保管片拼裝的質(zhì)量和精度。

管片輸送系統(tǒng)采用雙軌梁電動葫蘆，由行走小車、環(huán)鏈葫蘆、控制系統(tǒng)(遙控與有線兩種操作方式)以及雙軌梁(與連接橋整體設(shè)計，保證足夠剛性與強(qiáng)度)組成，采用鏈輪鏈條行走，設(shè)有限位裝置以防止行走小車脫落軌道。最大起吊質(zhì)量為5 t，可實現(xiàn)管片從運輸車到管片拼裝區(qū)域一次吊運到位，無需二次轉(zhuǎn)運，行走速度為10 m/min。

3.5 輔助系統(tǒng)

同步注漿系統(tǒng)包括攪拌箱、注漿泵、壓力計、流量計、注入配管、氣動球閥、動力裝置和4個注漿口等，用氣動球閥進(jìn)行注入口的切換，每個管路配置有壓力檢測與流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)自動與手動2種控制方式，設(shè)有清洗裝置。

導(dǎo)向系統(tǒng)由全站儀、棱鏡、激光發(fā)射器和監(jiān)控屏等組成，用于盾構(gòu)掘進(jìn)方向監(jiān)控顯示、糾偏、實時測量等，測量精度為2″，工作距離不小于200 m。

3.6 控制、數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)自動化程度高具有多重聯(lián)鎖功能，減少了勞動強(qiáng)度和錯誤操作的發(fā)生。

數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)實時記錄和保存施工中各種參數(shù)、數(shù)據(jù)，為工程施工質(zhì)量和施工工藝過程監(jiān)控、工程驗收提供依據(jù)。此部分在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時進(jìn)行系統(tǒng)配置。

故障監(jiān)控系統(tǒng)對盾構(gòu)各部分運行情況、異常狀態(tài)進(jìn)行實時跟蹤檢測，便于提前發(fā)現(xiàn)故障和及時采取預(yù)防措施、保證施工安全。該系統(tǒng)在控制系統(tǒng)設(shè)計時進(jìn)行考慮與配置，設(shè)置點為關(guān)鍵零部件、結(jié)構(gòu)主要部位、控制監(jiān)控點等處，配置有傳感器，在操作屏上實時顯示監(jiān)控畫面和指示;具有故障自診斷及內(nèi)容顯示功能，方便維修人員檢修。

4 試驗檢測驗證

4.1 關(guān)鍵部件測試——挖掘裝置

通過對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改造，采用電比例閥并通過PID控制來跟蹤各液壓缸的運動軌跡，建立了挖掘裝置工作機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)模型，在此模型基礎(chǔ)上，對一個挖掘循環(huán)進(jìn)行了各工作裝置對目標(biāo)位移量的跟隨情況及控制信號與液壓閥輸出流量的對應(yīng)關(guān)系，通過比較AMESim模型執(zhí)行元件的輸入值和輸出值，驗證了模型的合理性。

利用AMEsim圖形化的建模方法對挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果為:改進(jìn)的動臂油缸鉸接處有效減小應(yīng)力，側(cè)板最大位移為0.65 mm。轉(zhuǎn)臺除應(yīng)力集中點外，應(yīng)力小于120 MPa;油缸銷軸處應(yīng)力分布優(yōu)于舊轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)。搖臂最大應(yīng)力為97 MPa，滿足要求。挖掘裝置試驗仿真如圖6所示。

圖6 挖掘裝置試驗仿真圖Fig.6 Numerical simulation of digging device

試驗結(jié)果:1)外載荷與動臂垂直時，動臂油缸受力最大;動臂處于最上與最下位置時，動臂油缸受力最大，為518 kN(單缸)。2)動臂油缸受力最大時，鏟斗油缸受力269 kN。

挖掘裝置試驗臺如圖7所示。

圖7 挖掘裝置試驗臺圖Fig.7 Testing platform of digging device

4.2 關(guān)鍵部件測試——螺旋輸送機(jī)

實驗確定在敞開挖掘工況下螺旋輸送機(jī)出土能力是否能滿足施工要求。螺旋輸送機(jī)敞開模式出土性能實驗數(shù)據(jù)見表7。

表7 螺旋輸送機(jī)敞開模式出土性能實驗數(shù)據(jù)Table 7 Testing results of performance of mucking of screw conveyor under open mode

5 試掘進(jìn)情況

敞口盾構(gòu)應(yīng)用于北京地鐵6號線2期15標(biāo)段郝家府站—東部新城站區(qū)間。由東部新城站向西，試驗段全長388 m，區(qū)間地形基本平坦，地勢起伏不大，地貌上屬于潮白河故道、溫榆河故道交匯區(qū)。

該段地層土體自穩(wěn)能力較差，很難形成自然拱。其中普遍存在的粉細(xì)砂③3層、中粗砂④4層、中粗砂⑤1層，其厚度較大，富水性好，且為飽和狀態(tài)，在地下水的作用下，會產(chǎn)生涌水、潛蝕、流砂等現(xiàn)象，極易導(dǎo)致隧道側(cè)壁失穩(wěn)。

5.1 始發(fā)階段(第1階段0—5環(huán))

出現(xiàn)的問題:土體自穩(wěn)性較差，出渣量無法控制，嚴(yán)重超方。前沿?fù)鹾笸馏w下滑嚴(yán)重，地表發(fā)生塌陷。底部挖掘出土有死角，由于出土不暢，造成推進(jìn)力增大、甚至出現(xiàn)無法推進(jìn)的現(xiàn)象。盾構(gòu)推力見圖8，出渣量見圖9。

圖8 盾構(gòu)推力圖表Fig.8 Thrusting force

圖9 出渣量圖表Fig.9 Mucks produced per ring

問題分析:敞口挖掘式盾構(gòu)的適用地質(zhì)為無水或少水的具有一定自穩(wěn)性的地層，而應(yīng)用工程為中粗砂層，開挖面穩(wěn)定性很差;整個開挖面直徑達(dá)6 m，為保證土體穩(wěn)定，渣土需堆積到盾構(gòu)中心線以上才能保證土體穩(wěn)定，而這樣的話又造成推進(jìn)力太大，根本無法掘進(jìn);挖斗挖土過多的情況下，擋板無法維持土體穩(wěn)定，開挖面經(jīng)常出現(xiàn)坍塌，影響作業(yè)和安全。

工作機(jī)構(gòu)不靈活:挖斗過大，下半斷面挖掘面有多處死角挖不到;挖斗和挖掘臂設(shè)計體積過大，易與張開后的平面擋板間出現(xiàn)干涉。

螺旋輸送機(jī)進(jìn)土口兩側(cè)存在排土死角，土體大量堆覆，使得盾體下部阻力增大，推進(jìn)困難。

始發(fā)階段適應(yīng)性技術(shù)改造及解決辦法:

1)在前盾前面焊接斜鋼板，前盾下方增加喇叭形導(dǎo)土板，便于兩側(cè)土體出渣，推進(jìn)阻力有所減小。

2)改良膨潤土系統(tǒng)，盾構(gòu)殼注入膨潤土，以減少摩阻力。

3)及時同步注漿，讓管片提供部分摩擦力。

4)將掌子面單一土體自然坡分成3級自然坡，減少前方土體反力，增加土體穩(wěn)定性。上半部開挖面用鋼板劃分網(wǎng)格，結(jié)合伸縮前檐和平面擋板結(jié)構(gòu)，分區(qū)支護(hù)土體，防止坍塌;截短平面擋板，消除干涉，保留中間的5套伸縮前檐和平面擋板。

5)重新裝備一套折臂式挖機(jī)，替換原來伸縮式挖機(jī)，減小了挖掘裝置的體積，以防止產(chǎn)生動作干涉。

網(wǎng)格支護(hù)結(jié)構(gòu)，下部增設(shè)喇叭口擋板見圖10，改造后的敞口盾構(gòu)開挖面及堆土示意圖見圖11，安裝折臂式挖機(jī)見圖12。

圖10 網(wǎng)格支護(hù)結(jié)構(gòu)，下部增設(shè)喇叭口擋板Fig.10 Grid support structure and baffle plate added in bottom

圖11 改造后的敞口盾構(gòu)開挖面及堆土示意圖Fig.11 Excavation face and bulldozing plate of the reformed open shield

圖12 安裝折臂式挖機(jī)Fig.12 Small excavator

適應(yīng)性技術(shù)改造后的效果:

采用分艙后，基本控制了掌子面塌坍的問題，基本達(dá)到了事先預(yù)計的整體效果，盾構(gòu)可以比較安全有效地掘進(jìn)。通過改進(jìn)推進(jìn)過程的掌子面土體形狀，達(dá)將推力由28 000～30 000 kN降至25 000～26 000 kN后，推進(jìn)基本可控，各項工序同步跟進(jìn)，地面沉降基本可控在15 cm以內(nèi)。

經(jīng)過挖掘機(jī)構(gòu)適應(yīng)性工藝和結(jié)構(gòu)改造后，基本克服了上述問題，敞口挖掘式盾構(gòu)的可靠性和施工效率大幅提升，在用戶尚未完全熟悉設(shè)備操作和施工工藝的情況下，掘進(jìn)速度達(dá)到6～8環(huán)/d(1.2 m/環(huán))，已接近土壓平衡盾構(gòu)正常的施工速度，且施工質(zhì)量完全滿足工程設(shè)計的要求。

5.2 推進(jìn)過程階段(120—157環(huán))

出現(xiàn)的問題:敞口挖掘式盾構(gòu)在推進(jìn)過程中，始終以順時針方向滾動。掘進(jìn)至157環(huán)時，已經(jīng)滾動約5°。

滾動原因分析:

1)地質(zhì)不均勻;

2)有了初始滾動后，前端豎向隔板變形，開始類似風(fēng)扇葉的旋轉(zhuǎn)作用(其中1#和2#艙之間的鋼板完全翻轉(zhuǎn)彎曲，現(xiàn)場割除后才繼續(xù)掘進(jìn))。

滾動糾偏技術(shù)解決辦法及效果:

在6#和9#艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”，用土體使盾構(gòu)反向旋轉(zhuǎn)。滾動趨勢得到控制，并慢慢以逆時針方向回滾至正常位置。

艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”見圖13。

圖13 艙前端增加反向“風(fēng)扇葉”Fig.13 Anti-fan leaves

以上改造，總體上取得了技術(shù)上新的突破，實現(xiàn)了正常順利掘進(jìn)。

5.3 掘進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2013年11月1日始發(fā)，2014年3月15日到達(dá)，完成全部388 m試驗段掘進(jìn)，歷時135 d;最快單日12環(huán)，14.4 m，最快單周52環(huán)，62.4 m，最快月143環(huán)，171.6 m。

6 敞口盾構(gòu)優(yōu)勢

敞口挖掘式盾構(gòu)，專用于在砂、砂卵石、砂礫石、漂石、孤石等地層中替代密閉式盾構(gòu)和淺埋暗挖法，其優(yōu)勢在于:不受大粒徑漂石、樁基等地下障礙的限制;消耗功率不到同尺寸土壓盾構(gòu)的一半;由于不需要主軸承和刀盤以及大量的刀具，制造成本低，是密閉式盾構(gòu)成本的2/3左右;可直接觀察開挖面情況，能處理漂石和障礙物;直接開挖運輸土體，無需或甚少需要改良土體，無污染;施工速度相對較快，用電量小，人力投入少，施工成本低;開挖面自由，可設(shè)計成任意形狀(如矩形、馬蹄形等);可以直接進(jìn)入開挖掌面，有利于洞內(nèi)采用輔助工法;安全性遠(yuǎn)高于淺埋暗挖法。

7 敞口盾構(gòu)待研究工作

1)優(yōu)化前盾隔板結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有隔板為焊接結(jié)構(gòu)，無法拆卸，地質(zhì)適應(yīng)性較差，易變形，剛度較差;下一步將研究改為拼裝結(jié)構(gòu)，銷軸或螺栓連接，每塊隔板均為箱型結(jié)構(gòu)，單質(zhì)量約150 kg，總質(zhì)量約10 t，尺寸1 700(1 500)mm×80 mm。

前盾上半部拼裝式分艙見圖14。

圖14 前盾上半部拼裝式分艙Fig.14 Arrangement of front shield

2)雙折疊臂挖掘機(jī)構(gòu)。現(xiàn)有挖掘裝置尺寸較大，往中間收集渣土?xí)r有死角，且動作較慢;下一步將研究去除原有伸縮臂機(jī)構(gòu)，在中盾左前及右前方增加雙折疊臂挖掘機(jī)構(gòu)，同時提高2倍挖掘效率。

雙折疊臂挖掘機(jī)構(gòu)布置圖見圖15。

圖15 雙折疊臂挖掘機(jī)構(gòu)布置圖Fig.15 Layout of digging device with double folding arms

3)盾體防扭轉(zhuǎn)。進(jìn)一步研究在盾體下方120°范圍內(nèi)焊耐磨條，同時增加盾體摩擦力，起到防扭轉(zhuǎn)作用。

4)繼續(xù)研究淺埋暗挖法工藝在敞口挖掘式盾構(gòu)中的應(yīng)用，如:超前地質(zhì)加固、土體穩(wěn)定、沉降控制等措施，更好地適應(yīng)城市建設(shè)的需要。

5)部分結(jié)構(gòu)存在設(shè)計過量和考慮不足，需繼續(xù)優(yōu)化配置設(shè)計。如挖掘裝置過高地考慮了可靠性要求，過于龐大和笨重;支護(hù)裝置初始方案未網(wǎng)格化分層，盾體內(nèi)空間過大使得土體堆積過多;主機(jī)下部推進(jìn)阻力顯著大于上部阻力，推進(jìn)力分布不盡合理等。

6)土體支護(hù)裝置需進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，對不同地質(zhì)、不同規(guī)格下的盾構(gòu)，應(yīng)設(shè)計出相匹配的支護(hù)方式和結(jié)構(gòu)方案。

7)敞口挖掘式盾構(gòu)的施工工藝和工作方式有待完善優(yōu)化，施工效率有繼續(xù)提高的空間，地面沉降等對環(huán)境影響可進(jìn)一步減小。

8)本工程的地質(zhì)以粉細(xì)砂、黏土等為主，敞口挖掘式盾構(gòu)在本工程的應(yīng)用經(jīng)驗，可以作為其工程和地質(zhì)應(yīng)用敞口挖掘式盾構(gòu)的借鑒。敞口挖掘式盾構(gòu)在本工程的成功應(yīng)用，仍需進(jìn)一步充分地探討和驗證敞口挖掘式盾構(gòu)在一些特殊的地質(zhì)條件下，替代密閉式盾構(gòu)和淺埋暗挖法的優(yōu)越性。

8 結(jié)語

敞口挖掘式盾構(gòu)已成功應(yīng)用于北京市地鐵6號線的施工，現(xiàn)場施工證明了該方法設(shè)計、分析和測試的有效性。諸如北京西部地層多為砂卵石地層，卵石?？蛇_(dá)20～30 cm，相比土壓盾構(gòu)，敞口挖掘式盾構(gòu)在特定的范圍內(nèi)能適應(yīng)土體自立性好、基本不含水或降水的砂卵石地層。具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力，在北京地區(qū)及全國范圍值得推廣應(yīng)用。

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