上海地铁延伸工程盾构刀盘设计与施工

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［摘　要］介绍了中铁隧道集团有限公司为上海地铁2号线西延工程研制的盾构刀盘以及盾构施工的关键技术。
［关键词］盾构；刀盘；有限元；沉降；监测

1 工程概况
上海地铁 2 号线西延伸工程 2 标段威宁路站－古北路站区间隧道上行线为1 353.9m，下行线为1 296.75m。线路最大坡度 22‰，最小坡度为5.2‰，隧道顶部覆土厚 6.7～14.3m，属中浅埋隧道。隧道穿越的地层主要为灰色淤泥质粘土层和灰色粘性土层，工程区域内受影响的地下水为潜水，渗透性均较弱。区间隧道采用 1 台土压平衡盾构施工。施工中采用了南京地铁 TA15 标使用过的土压平衡盾构，但刀盘及液压控制系统采用中铁隧道集团公司的“863”盾构研发成果。
2 盾构刀盘研制
2.1 刀盘研制的背景
根据国家“863”计划2003AA420120 号合同要求，中铁隧道集团承担的课题之一是根据软土硬岩等不同的地质条件，研制具有较为宽泛的地质适应能力的刀盘。为使刀盘具有较为宽泛的地质适应能力，选择广州地铁 2 号线越三区间及上海地铁 2 号线西延伸工程威古区间作为参考工程对象。
广州地铁 2 号线越三区间的工程水文地质特征是全线有 2/3 以上为硬岩并且大部分位于隧道底部，而50％左右的不稳定地层大都位于隧道拱部；隧道洞身地段一般地下水贫乏，但在岩石裂隙发育、全风化砾岩、基岩强风化带、中风化带以及断裂破碎带中含有一定量的地下水。
上海地铁 2 号线西延伸工程威古区间主要为灰色淤泥质粘土和灰色粘性土，土性较均匀；土质呈饱和～软流塑状，具有高压缩性、低透水性的特点。土层中的粘粒含量大，容易在刀盘上形成泥饼。
由于要求刀盘具有宽泛的地质适应性，既能适应类似于广州地铁 2 号线越三区间那样的硬岩与软岩交互地层，又能适应类似于上海地铁 2 号线西延伸工程威古区间那样的淤泥质粘土及粘性土，所以在进行刀盘的强度、刚度设计时，以广州地铁 2 号线的地质参数为依据，在设计碴土改良与排碴装置时，重点考虑上海地铁 2 号线的地质条件。
2.2 刀盘设计
刀盘结构如图1所示，整个刀盘为焊接结构，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过法兰盘连接，刀盘背面和法兰盘通过4根厚壁钢管焊接在一起，以传递足够的扭矩和推力。

刀盘本体直径 6 230mm，为适应广州及上海的双重地质，在广州施工时，开挖直径6 280mm；在上海施工时，开挖直径为 6 420mm。刀盘面板厚度 5 5 m m ，从法兰盘底面到刀盘面板高1 410mm，刀盘总重约 55t。
为保证刀盘的整体结构强度和刚度，刀盘的结构采用焊接箱形结构。根据对刀盘设计模型在硬岩模式下对每个滚刀加载 25t 荷载的有限元分析，刀盘的强度和刚度均满足要求。
刀盘的开口形式为对称分布的 8 个长条孔，结构形式利于碴土流动，开口尽量靠近刀盘的中心，以利于中心部位碴土的流动。刀盘开口率根据安装的刀具类型不同而有所变化，当全部安装硬岩刀具时开口率为 28%，当安装齿刀时刀盘开口率为 30%。
刀盘面板上共有 8 个泡沫注入口，其中在刀盘的中心设置有 4 个泡沫注入口。在刀盘的背面有 3 个泡沫注入口。泡沫注入口也可以用来加注膨润土和泥浆。
刀盘周边设计了 3 条耐磨条，刀盘面板焊接格栅状耐磨材料，充分保证刀盘在硬岩掘进时的耐磨性能。
刀盘上的滚刀刀座和齿刀刀座相同，安装方式也相同，可以满足滚刀和齿刀的互换性要求，以适应不同地层的开挖。在上海地铁 2 号线西延伸工程威古区间施工时，安装切刀64把、双刃齿刀6把、单刃齿刀8把、双刃滚刀5把、周边刮刀16把和仿形刀1把。在广州地铁等硬岩区施工时，在刀盘上安装切刀 64 把、双刃滚刀 19 把、周边刮刀 16 把和仿形刀 1 把。
2.3 刀盘有限元分析
刀盘是盾构的掘削系统，具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌碴土等功能，承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用，工作状况非常恶劣。为此，在采用类比法完成结构设计后，必须对刀盘结构的强度、刚度进行校核，并在此基础上进行结构优化。通过有限元分析与结构优化的互动，可有效提高刀盘结构设计的整体水平与可信度。
采用 ANSYS　Design　Space 有限元分析软件对刀盘进行结构分析。
1）简化处理模型　①删除不影响结构强度的螺栓孔等特征；②删除所有刀具；③删除结构中的一些斜肋板；④圆整三维结构中的尖点。
2）调入模型　运行 ANSYS　Design　Space并调入处理后的模型。
3）定义模型材料　选择模型材料为结构钢。
4）划分网格　选择网格划分精度100，自动划分网格后的模型如图 2 所示。

5）施加载荷与约束　取刀盘驱动扭矩为脱困时的工况，从安全的角度考虑，假定载荷全部加于面板上：①取轴向载荷 Fa ＝ 10 000kN；②取扭矩 Nw ＝ 5 300kNm；③取重力 G ＝ 540kN；④固定中心支撑连接面。
6）运行程序　由于刀盘在实际工作中转速很低，故选取静力分析模式运行程序。
7）对后处理结果的分析　最大等效应力为164.4MPa，位于主轴承法兰与支撑钢管连接焊缝处。刀盘所用材料的屈服限为 345MPa，屈服安全系数 ns ＝ 2.1，满足强度条件；最大变形为3.87mm，位于超挖刀所在大圆环处，其相对变形量仅为0.2‰，　满足一般工程上所允许的刚度条件。
2.4 刀盘制造
刀盘的主要制造工艺包括机械加工、焊接、热处理、装配等。
1）关键零部件的加工　刀盘大圆环、法兰连接盘、刀盘支撑钢管、刀座箱体、刀盘中心支撑、刀盘面板等关键零部件采用数控火焰切割机下料、焊口刨边、采用CO2 气体保护焊、反复检查校正、对重要焊缝进行超声波探伤。
2）刀盘组焊　刀盘组焊工艺流程:面板固定→测量平面度→肋板定位→刀座开口定位切割→大圆周环与本体组焊→测量同心度→中心支撑定位→测量同心度→翻身→焊接刀盘正面→焊接外圈锥板→翻身→焊接背板→焊接泡沫管→试压→焊接斜支撑板→磁粉探伤→退火。
3）刀盘热处理　对刀盘进行焊后热处理以消除焊接内应力、改善组织、提高性能、保证使用过程中的结构稳定性。采用的刀盘焊后热处理工艺参数：加热温度580℃～620℃；加热速度50℃/h；保温时间 3.5h；冷却速度 50℃/h。
3 盾构法施工
3.1 端头土体加固
区间隧道端头穿越的地层为淤泥质粘土和粘性土，需进行端头土体加固，施工中采用了深层搅拌法。加固范围为出洞端头纵向6.0m，进洞端头纵向 3.5m，横向为隧道轮廓范围外 3m。采用双轴搅拌桩机施工，桩径 700mm，间距 500mm× 500mm，梅花型布置；对于搅拌桩加固区和车站围护结构之间的加固盲区，采用分层劈裂注浆加固。
3.2 工程重难点及对策
1）深埋管线段施工　芙蓉江路口有一路南北向的合流污水管，管径 3 600mm，施工中管线沉降控制较好，沉降变化在 -23～+1.86mm 之间，最大沉降量仅为 -23mm，对管线安全没有影响。在施工中主要采取了以下措施：①在盾构进入管线影响范围之前，对盾构及配套设施进行全面的检查和保养，确保通过管线时不出现故障停机；②及时对环形空隙进行充填，并做好二次补压浆工作；③加强地面沉降监测，尤其是对管线分布点监测并及时分析评估施工对管线的影响，根据施工和变位情况调节观测的频率，及时反馈监测信息并指导盾构施工。
2）沼气储气层施工　在沼气储气层，盾构推进全过程采用光干涉型甲烷探测仪对洞内气体进行全过程检测，并作好记录；加强施工通风；施工过程中严禁明火；在管片拼装前仔细检查止水条，确保管片止水条外表面的清洁；加强管片拼装质量控制，确保隧道防水效果的同时，防止土层内的气体通过管片接缝渗入隧道内，以确保隧道建成后的运营安全。
3.3 地表监测及沉降控制
上海地铁 2 号线西延伸 2 标施工开展了地表

沉降和地下管线安全监测、地面建筑物监测、隧道管片变形监测、掘进过程有害气体监测等现场监测项目。
1）地表沉降和地下管线安全监测　地表沉降点沿隧道轴线按5m间距埋设，地表横向沉陷测点按 50m 间距埋设。沿区间隧道施工影响范围内的主要地下管线上方地表纵向每隔 30m 布置一个测点。
2）地面建筑物监测　在区间隧道两侧距隧道边线约 15m，特别是对隧道两侧 10m 范围内地面建筑物进行监测，测点主要布置在建筑物基础或承重柱上。
3）隧道管片变形监测　隧道管片变形监测含拱顶下沉测点与水平收敛测点等。在盾构进出洞 50m 范围内、曲线段及联络通道处每 6m 布置1 个测试断面，其他地段按 50m 间距布设测量断面。
4）掘进过程有害气体监测　用 AQG-1 型甲烷探测仪在螺旋输送机出碴口固定监测。
3.4 监测结果及分析
1）地表沉降　上行线地表沉降在＋17.08～－ 63.59mm 间，多数沉降稳定在 -30mm 左右。地表沉降最大地段分布在威宁路站端头井及芙蓉江路附近。威宁路站端头井附近沉降较大的原因是盾构到达时调整盾构姿态导致地表沉降过大；其二是由于附近给水管线的施工导致沉降过大；其三是地质勘探孔的冒浆导致地层损失。芙蓉江路地段地表沉降较大是因为该地段的地质情况较差，多为流塑状粘土，流变性强，受扰动后沉降较大。下行线地表沉降变化在＋ 11.4～-53.3mm间，多数沉降值稳定在 -30mm 左右。
2）地面建筑沉降　地面建筑物沉降较小，控制在 -25～+3mm 之间。
3 ）管片上浮　下行线管片上浮最高达81mm，远大于设计允许值。管片上浮的主要原因是因为地层中有沼气储气层的存在。对管片上浮作了相应处理，进行了底部放浆、顶部注浆，从而有效地控制了上浮，达到优良级。

［参考文献］
［1］李建斌，何於琏．刀盘研制实例［J］．隧道建设，　2005，：53-56．