上海地铁延伸工程盾构刀盘设计与施工

1、上海地铁延伸工程盾构刀盘设计与施工摘要介绍了中铁隧道集团为上海地铁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1353.9，下行线为1296.75。线路最大坡度22，最小坡度为5.2，隧道顶部覆土厚6.714.3，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，浸透性均较弱。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

2、盘研制2.1刀盘研制的背景根据国家“863方案2022AA420220号合同要求，中铁隧道集团承当的课题之一是根据软土硬岩等不同的地质条件，研制具有较为广泛的地质适应才能的刀盘。为使刀盘具有较为广泛的地质适应才能，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以上为硬岩并且大局部位于隧道底部，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

3、，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。由于要求刀盘具有广泛的地质适应性，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，所以在进展刀盘的强度、刚度设计时，以广州地铁2号线的地质参数为根据，在设计碴土改进与排碴装置时，重点考虑上海地铁2号线的地质条件。2.2刀盘设计刀盘构造如图1所示，整个刀盘为焊接构造，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，刀盘反面和法兰盘通过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

4、6230，为适应广州及上海的双重地质，在广州施工时，开挖直径6280；在上海施工时，开挖直径为6420。刀盘面板厚度55，从法兰盘底面到刀盘面板高1410，刀盘总重约55t。为保证刀盘的整体构造强度和刚度，刀盘的构造采用焊接箱形构造。根据对刀盘设计模型在硬岩形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，构造形式利于碴土流动，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

5、置有4个泡沫注入口。在刀盘的反面有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一样，安装方式也一样，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

6、推力和冲击载荷的作用，工作状况非常恶劣。为此，在采用类比法完成构造设计后，必须对刀盘构造的强度、刚度进展校核，并在此根底上进展构造优化。通过有限元分析与构造优化的互动，可有效进步刀盘构造设计的整体程度与可信度。转贴于论文联盟.ll.采用ANSYSDesignSpae有限元分析软件对刀盘进展构造分析。1简化处理模型删除不影响构造强度的螺栓孔等特征；删除所有刀具；删除构造中的一些斜肋板；圆整三维构造中的尖点。2调入模型运行ANSYSDesignSpae并调入处理后的模型。3定义模型材料选择模型材料为构造钢。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

7、扭矩为脱困时的工况，从平安的角度考虑，假定载荷全部加于面板上：取轴向载荷Fa10000kN；取扭矩N5300kN；取重力G540kN；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，应选取静力分析形式运行程序。7对后处理结果的分析最大等效应力为164.4Pa，位于主轴承法兰与支撑钢管连接焊缝处。刀盘所用材料的屈从限为345Pa，屈从平安系数ns2.1，满足强度条件；最大变形为3.87，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

8、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2气体保护焊、反复检查校正、对重要焊缝进展超声波探伤。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展焊后热处理以消除焊接内应力、改善组织、进步性能、保证使用过程中的构造稳定性。采用的刀盘焊后热处理工艺参数：加热温度580620；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

9、泥质粘土和粘性土，需进展端头土体加固，施工中采用了深层搅拌法。加固范围为出洞端头纵向6.0，进洞端头纵向3.5，横向为隧道轮廓范围外3。采用双轴搅拌桩机施工，桩径700，间距500500，梅花型布置；对于搅拌桩加固区和车站围护构造之间的加固盲区，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3600，施工中管线沉降控制较好，沉降变化在-23+1.86之间，最大沉降量仅为-23，对管线平安没有影响。在施工中主要采取了以下措施：在盾构进入管线影响范围之前，对盾构及配套设施进展全面的检查和保养，确保通过管线时不出现故障停机；及时对环形空隙进展充填

10、，并做好二次补压浆工作；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，及时反应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预型甲烷探测仪AQG-I型对洞内气体进展全过程检测，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，确保管片止水条外外表的清洁；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平安。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平安监测、地面建筑物监测、隧道管片变形监测

11、、掘进过程有害气体监测等现场监测工程。1地表沉降和地下管线平安监测地表沉降点沿隧道轴线按5间距埋设，地表横向沉陷测点按50间距埋设。沿区间隧道施工影响范围内距隧道边线约15的主要地下管线上方地表纵向每隔30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15，特别是对隧道两侧10范围内地面建筑物进展监测，测点主要布置在建筑物根底或承重柱上。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程度收敛测点等。在盾构进出洞50范围内、曲线段及联络通道处每6布置1个测试断面，其他地段按50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17.0863.59间，多数沉降稳定在-30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11.4-53.3间