上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)與施工

      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，開挖直徑6 280mm；在上海施工時，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)采用焊接箱形結(jié)構(gòu)。根據(jù)對刀盤設(shè)計(jì)模型在硬巖模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，結(jié)構(gòu)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)置有 4 個泡沫注入口。在刀盤的背面有 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(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，在采用類比法完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，必須對刀盤結(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，可有效提高刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體水平與可信度。
      采用 ANSYS　Design　Space 有限元分析軟件對刀盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
      1）簡化處理模型　①刪除不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的螺栓孔等特征；②刪除所有刀具；③刪除結(jié)構(gòu)中的一些斜肋板；④圓整三維結(jié)構(gòu)中的尖點(diǎn)。
      2）調(diào)入模型　運(yùn)行 ANSYS　Design　Space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)動扭矩為脫困時的工況，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)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，最大沉降量僅為 -23mm，對管線安全沒有影響。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)，確保通過管線時不出現(xiàn)故障停機(jī)；②及時對環(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，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，及時反饋監(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)全過程采用光干涉型甲烷探測儀（AQG-I 型）對洞內(nèi)氣體進(jìn)行全過程檢測，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，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)營安全。
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

沉降和地下管線安全監(jiān)測、地面建筑物監(jiān)測、隧道管片變形監(jiān)測、掘進(jìn)過程有害氣體監(jiān)測等現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目。
      1）地表沉降和地下管線安全監(jiān)測　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 15m，特別是對隧道兩側(cè) 10m 范圍內(nèi)地面建筑物進(jìn)行監(jiān)測，測點(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　隧道管片變形監(jiān)測含拱頂下沉測點(diǎn)與水平收斂測點(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 個測試斷面，其他地段按 50m 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＋17.08～－ 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～-53.3mm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鈱拥拇嬖?。對管片上浮作了相?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。
 
［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．