固结黏土地层盾构直接破除排水板关键技术研究

李凤远， 杨延栋， 许华国

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

排水板固结法是软基处理的方法之一，广泛应用于软土地层高速公路路基的处理，用于提高路基的固结度和稳定性[1-7]。随着城市轨道交通的发展，采用盾构施工的地铁隧道不可避免地需要穿越高速公路路基[8]，如处理不当，可能导致高速公路路基沉降或者盾构被困。通过调研，发现广佛2期下穿裕和路[9-10]、珠海横琴三通道等工程需穿越排水板路基区域，盾构刀具直接切断破除排水板时，排水板未被切断且缠绕刀盘和螺旋机，导致盾构被迫停机[11-12]。对于固结高黏性土质地层盾构施工，刀盘结泥饼处理是重难点技术[13-14]，特别是如果为了切除排水板而降低刀盘开口率，将增加刀盘结泥饼可能性。如何采用合理的掘进参数进行排水板切除及分析掘进参数关联性，是研究的重点[15-17]。因此，采用盾构法穿越高速公路塑料排水板路基工程时，有必要对排水板破除方法进行研究，便于盾构选型和施工，以确保工程建设安全、可靠。

土体固结排水板的破除理论上可采用盾构刀具直接切断破除法、高温熔化破除法、冷冻破除法、化学腐蚀破除法等。采用高温熔化法时，排水板的耐高温性在120 ℃左右，而盾构密封能承受的最高温度为80 ℃，采用该方法易导致盾构密封失效；采用冷冻破除法时，排水板在-35 ℃不裂仅变脆，而盾构密封在低温下容易失效，刀盘盾体可能因土体冻结受困；采用化学腐蚀的方法可使排水板降解，但注入困难且用量难以控制；采用盾构刀具直接切断排水板的方法，在以往盾构施工中，发生过未切断排水板缠绕刀盘和螺旋机导致盾构被迫停机或者地表沉降的事故。由于塑料排水板具有较强的抗撕裂能力和延展性，盾构直接掘进通过塑料排水板区域时，可能存在以下问题： 1)塑料排水板不能被刀盘刀具完全切断，而被刀盘拖拽形成空洞，造成路基下沉超标； 2)塑料排水板缠绕刀盘，减小刀盘开口率，造成出碴不畅； 3)塑料排水板在土舱底部堆积，堵塞螺旋输送机出土口，导致无法出土； 4)塑料排水板缠绕螺旋输送机，导致螺旋输送机受困。

所见文献更多从工程应用角度进行总结分析，本文主要通过室内台架试验，对盾构较长距离穿越含排水板的固结黏土地层时，不采用辅助工法直接通过可行性、盾构刀盘刀具优化、盾构装备参数选择及施工掘进参数优化等方面开展研究。

1 工程概况

宁波地铁5号线1期富强路站至前殷停车场出入场线下穿杭甬高速公路路基工程中，盾构隧道斜穿高速公路路基段，穿越长度(坡脚至坡脚)40 m，斜交角度68°，隧道顶部与高速公路路面竖向距离8～9 m。盾构隧道与高速路基及塑料排水板位置关系如图1所示。

(a) 隧道平面

(b) 隧道纵面

Fig. 1 Relationships among shield tunnel, highway roadbed and drainage plates

盾构隧道穿越高速公路路基段，路基与地面高程差3 m，地面以下20 m范围采用SPB-B型塑料排水板进行排水固结。排水板布置间距为500 mm、宽度100 mm、厚度1.2 mm，断裂拉伸强度≥16 MPa。

盾构隧道穿越的塑料排水板区域地层以淤泥质黏土为主，从上往下依次为填土(1～3.1 m)、黏土(0.6～1 m)、淤泥质黏土(13.2～16.9)、粉质黏土(4.1～7.2 m)。

2 试验装置及主要参数

盾构刀具切削排水板研究主要采用盾构及掘进技术国家重点实验室TBM掘进模态综合试验平台。该平台由机械结构、液压泵站、掘进装置、旋转装置、碴土输送装置及其控制系统等构成，可以分别以垂直和水平状态针对各种岩土样用不同的刀具、刀间距以及掘进参数开展试验，研究其掘进效率。平台的实物结构如图2所示，平台参数如表1所示。

图2 TBM掘进模态综合试验平台

项目主要参数整机尺寸6880mm×4050mm×5176mm整机质量120t刀盘直径ϕ2280mm岩箱尺寸ϕ2500mm×1000mm装备转矩250kN·m最高转速6r/min装备推力4000kN刀间距调整范围80～100mm中心刀具及数量3把双刃刀正面刀具及数量8把单刃刀

3 试验方案设计

3.1 试样制作

拟建设工程的塑料排水板段地质为淤泥质黏土并处于固结状态，为了接近现场地质环境，采用机械夯实机对试验黏土进行夯实，且用排水板平面与刀盘面板平面平行的最不利刀具切削工况布置试验排水板。现场排水板布置间距为500 mm，为了更好地验证刀具对排水板的切断效果，对室内试验排水板加密，间距为250 mm，且呈多层布置，层间距为150 mm，层间用黏土夯实。

3.2 刀具选型

试验采用3种典型软土刀具，按照软土盾构常规刀盘刀具刀间距100 mm的方式布置刀具。3种典型刀具主要特征如下： 1)常规齿刀，一般软土刀盘配置常规齿刀，刀头采用大合金布置，刃角为80°，如图3(a)所示； 2)新型锯齿刃齿刀，选择常用于固结地层的锯齿刃齿刀，其焊接合金的刃角为100°、合金块厚度15 mm、合金块间距40 mm，每把焊接3块硬质合金, 如图3(b)所示； 3)改进型焊接锐利刃锯齿刀设计理念，本工程排水板断裂拉伸强度较高(≥16 MPa)，采用传统常规齿刀及新型锯齿刃齿刀在固结黏土地层破除排水板可能效果不明显。基于单刀分层立体切削理念，在新型锯齿刃齿刀基础上，前部焊接锐利合金刃用于排水板的切断，并试制了样刀，如图3(c)所示。在盾构推力和刀盘转矩作用下，刀盘转动贯入土层时，顶部锐利合金刃先行切断排水板，然后裙部合金破除固结黏土。

(a) 常规齿刀

(b) 新型锯齿刃齿刀

(c) 改进型焊接锐利刃锯齿刀

3.3 测试及传感器布置

开展排水板切削试验时，利用量程为20 kN的应变式拉力传感器测量排水板拉拽力。应变式拉力传感器及数据采集软件如图4和图5所示。

图4 应变式拉力传感器

图5 传感器数据采集软件

排水板拉拽力测试传感器的布置如图6所示。为了获取刀具切割排水板时的拉拽力，排水板的一端通过角铁与岩箱钢圈紧固，另一端与应变式负荷传感器通过特制夹板连接，并施加预应力拉紧，该端钢圈层间连接螺栓松开，使排水板连接传感器一端处于自由状态。

3.4 试验过程

刀盘掘进推力、转矩、推进速度、刀盘转速等通过TBM掘进模态综合试验平台PLC系统自动记录。首先测试空推、空转试验台，初始化平台，参数归零。

试验制作2盘岩箱，第1盘安装锯齿刃齿刀；第2盘先安装常规齿刀，然后更换焊接锐利刃锯齿刀。通过统计同一试验组不同掘进参数下排水板的切断效果，重点评判不同刀盘转速、贯入度对切断效果的影响； 通过不同试验组，统计不同刀具情况下排水板的切断效果，重点评判刀具设计对切断效果的影响。

(a) 排水板自由端安装传感器

(b) 排水板固定端约束方式

4 排水板破除数据分析

第1盘试样采用新型锯齿刃齿刀进行排水板破除试验，4层排水板掘进参数设置不同。第1层采用高推进速度、中刀盘转速掘进(序号1)；第2层采用低推进速度、中刀盘转速掘进(序号2)；第3层采用低推进速度、高刀盘转速掘进(序号3)；第4层采用高推进速度、低转速掘进(序号4)。

第2盘试样先采用全盘常规齿刀进行排水板破除试验(序号5)，然后更换焊接锐利刃锯齿刀进行排水板破除试验(序号6)。每种齿刀破除2层排水板，采用低推进速度、高刀盘转速掘进。每层9根平行的排水板从一侧到另一侧从1到9依次编号，其中，5#通过岩箱直径，3#—7#5根排水板安装测力传感器。利用应变式负荷传感器获得不同试验组刀具对排水板的拉拽力，进而优化掘进参数。试验结果数据均值如表2所示。

表2 不同刀具破除排水板试验数据

对比序号1—4组锯齿刃齿刀破除排水板试验结果可知： 第3层低推进速度、高刀盘转速组拉拽力最小； 第4层高推进速度、低刀盘转速组拉拽力最大。因此，盾构穿越排水板地层时，为了降低刀具拉拽排水板对地层的扰动，宜采用低推进速度、高刀盘转速掘进。

序号3、5、6组试验，均采用低推进速度、高刀盘转速工况，采用常规齿刀最大拉拽力的平均值约为1.35 kN，采用新型锯齿刃齿刀约为0.84 kN，采用改进型焊接锐利刃锯齿刀的为0.28 kN。可见新型锯齿刃齿刀对于降低刀具对排水板的拉拽力有一定的作用，但效果不明显；采用改进型焊接锐利刃锯齿刀时，排水板承受拉拽力较小。

从推力、转矩测试数据看，推力、转矩与推进速度具有正相关性。图7示出第3组试验中推力、转矩随油缸位移的变化曲线，由推力、转矩在破除排水板前后的变化可知，破除排水板工况时，推力无太大影响，但会导致转矩波动的增加。

图7 试验组3推力、转矩随油缸位移变化曲线

Fig. 7 Curves of thrust force and torque varying with cylinder displacement in test group No. 3

不同试验参数和不同类型刀具破除含排水板的固结黏土地层试验数据表明： 低推进速度、高刀盘转速，配置改进型焊接锐利刃锯齿刀进行黏土地层排水板破除理论可行，但是应注意在破除排水板过程中，虽然推力参数变化不大，但会引起转矩参数的波动，这对于减小地层扰动不利。

5 排水板破除效果分析

从常规齿刀和新型锯齿刃齿刀黏土切削效果看： 采用常规齿刀破除黏土，有明显土脊，同时掌子面不整齐，土体不规则脱落；而采用新型锯齿刃齿刀破除黏土，掌子面切削轨迹规律整齐，基本无土脊出现，如图8所示。新型锯齿刃齿刀刃角大于常规齿刀，相邻刀具切削土体损伤叠加效应明显，更利于固结黏土切削。

(a) 常规齿刀破除黏土效果

(b) 锯齿刃状齿刀破除黏土效果

从排水板切断效果试验看： 采用常规齿刀和新型锯齿刃齿刀进行排水板破坏时，排水板切口不整齐，明显属于拉应力损坏；而采用焊接锐利刃锯齿刀对排水板进行破坏时，排水板切口规整，属于典型的剪切切断，如图9所示。

一般软土刀盘配置的常规齿刀(刃角80°)，适合大多数软土切削；新型锯齿刃齿刀(刃角100°)，刃角相对较大，且合金块间存在间隙，利用切削碴土流动，对于固结的硬塑黏土切削更有利；新设计试制的改进型焊接锐利刃锯齿刀，其刃顶锐利合金刃角30°，裙部刃角100°，这种分层立体设计样刀，前置刀刃先行切断排水板，后置较大角度的刃角保证了黏土的有效破除，更有利于黏土排水板地层施工。

(a) 常规齿刀切断断口

(b) 锯齿刃齿刀切断断口

(c) 焊接锐利刃锯齿刀切断断口

6 结论与讨论

本试验为宁波地铁5号线1期工程建设提供了参考，结果表明： 1)盾构穿越含排水板的固结黏土软土路基时，在盾构刀盘刀具配置合理、掘进参数可控情况下，可以直接穿越通过； 2)盾构刀具选型宜考虑在厂家定制类似改进型焊接锐利刃锯齿刀试验样刀的软土刀具，有利于排水板的有效切断； 3)盾构装备参数选型时，刀盘转速建议采用高低速控制方式； 4)为了减小排水板拉拽力、降低对地层的扰动，施工中建议采用低推进速度(保持小的贯入度)、高刀盘转速掘进，但应注意刀盘转矩的波动，严格控制土舱平衡压力，防止因转矩过度波动引起地层变形。

本研究中，排水板材料是根据现场提供参数新购的，现场地层中排水板的固结情况、老化程度等需要进一步调查；另外，对于盾构直接穿越排水板地层，高温熔化、化学腐蚀等是新型的破除方法，其在盾构装备选型设计及工法可行性方面的应用有待进一步研究。