软土地层矩形顶管机刀盘地质适应性设计研究

陈宏明

（重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 410700）

20 世纪90 年代，国外开发应用了矩形顶管隧道施工新技术，其工作原理是：通过矩形顶管机前部的开挖系统，将矩形开挖面土体切削下来，导入土仓，通过排渣系统运出隧道[1-3]。矩形顶管机需要预先设置工作井，设备下井后通过千斤顶推动设备和管节前进，将预制管节顶入土中，实现隧道开挖与铺设成型。矩形顶管机开挖而成的矩形断面相较圆形顶管机开挖的圆形断面大大提高了空间利用率。在市政隧道工程如：综合管廊、过街通道等的建设中，优势尤为明显。

目前国内外矩形顶管机的应用工程多使用于单一的软土地层，究其原因，主要存在以下几个问题[4-8]：①在埋深较浅的城市交通过街隧道等工程中对地层稳定性要求很高，这就要求刀盘掘进过程中对土体扰动小，尽可能限制地表沉降；②在漂卵石类软土地层掘进，可能存在刀盘卡卵石现象，对刀盘及其驱动造成冲击损伤，刀盘掘进过程由于卵石的积累聚集在开挖仓底部，造成布置在底部的刀盘驱动扭矩大幅增加而跳停；③矩形断面的圆形刀盘组合方式无法实现全断面开挖，如何实现矩形顶管机刀盘的开挖率和搅拌率最为充分，是其优化目标。而当前工程实际应用过程往往出现刀盘渣土改良不充分，渣土在土仓内出现“结饼”、“闭塞”等现象，增加刀盘载荷的同时也导致土仓闭塞等排土系统故障问题。

当前，矩形顶管机刀盘的研究主要集中在刀盘的载荷计算和静力学分析，如王旭东[9]等对已有矩形刀盘的结构形式进行了对比，初步提出了矩形刀盘设计方案，并对刀盘载荷进行了计算；刘娇[10]对组合刀盘进行了静力学仿真分析、盲区处理等关键技术的研究。而针对矩形顶管机刀盘的地质适应性研究却相对较少。本文依托深圳某地下通道工程，采用工程试验分析及数值模拟分析等方法，对上述问题进行深入分析研究，以期对软土地层矩形顶管刀盘的设计与施工提供参考。

1 工程概况

深圳市雪岗科技城片区华为坂田基地与城市轨道交通10 号线华为站的连接通道而设计，顶管断面为10.2m×6.6m，顶进长度429m。通道顶管上方分布的地下管线众多，管线与顶管竖向净距最小仅约0.7m，通道顶管工程穿越地质主要为素填土，局部为砾质粘性土。

2 软土地层矩形开挖系统适应性研究

2.1 单一软土地层矩形顶管开挖形式分析

对于易造成地面下沉且埋深浅的单一软土地层，偏心多轴与中心偏心轴组合式刀盘开挖形式显然不适应。平行中心轴式多刀盘组合开挖形式可分为同平面和前后刀盘布置形式，针对软土地层，两种刀盘开挖形式的适应性能优劣尚缺乏对比案例，本文将从经济效益与开挖面稳定性两方面对两种开挖形式进行对比分析。

2.1.1 经济效益对比分析

同平面多刀盘开挖形式往往需要多种规格（多于2 种）刀盘组合布置，与之相应配合的驱动配置也不一，往往导致顶管机整机造价大幅上涨，也会增加驱动模块化工作的难度。前后刀盘布置开挖形式一般组合规格较少，在能保证较大开挖率（大于90%）的前提下，能实现多刀盘配置同一驱动。

2.1.2 掌子面稳定性对比分析

为了开展两种刀盘布置形式对掌子面稳定性的对比分析，引入Horn 提出的三维楔形体计算模型[11]，假定开挖面为矩形的挡土墙，开挖面失稳破坏模型由上部棱柱体与前方楔形体组成（图1）。

图1 楔形体破坏及其受力模型

掌子面前方楔形体受到的作用力由以下几个组成。

1）隧道顶部竖向作用力PV=σVBL，其中，σV为隧道顶部土压力；B为等效盾构直径，假定正方形与圆形面积相等，得到，D为等效圆形开挖面直径；L楔形体顶部长度。

2）掌子面所受水平支护作用力P。

4）楔形体在滑动面上的摩擦阻力T及法向作用力N，，其中c为土体粘聚力。

5）滑动块侧向滑动面的摩擦阻力T′及法向作用力N′，，其中：K0为隧道土体的侧压力系数，K0=1-sinφ；σ′z为楔形体所受垂直应力，σ′z=（2σv+Bφ)/3。

通过对楔形体的受力分析可确定最小支护压力的大小。

由水平方向受力平衡可得

由竖直方向受力平衡可得

由式（1）、式（2）可求得掌子面支护力

当隧道开挖支护压力为矩形分布时，掌子面中心支护应力为

可以看出，当矩形断面采用前后刀盘组合布置时，相邻刀盘之间的开挖切削区域相互交叉，相对同平面刀盘布置，隧道开挖面等效直径减小，开挖面支护力相对较大，掌子面稳定性更好。因此，软土地层通过多刀盘前后组合布置，对地层扰动小，可降低地表沉降的风险。

2.2 漂卵石类软土地层矩形顶管开挖形式分析

在漂卵石类软土地层中使用矩形顶管施工，采用平行中心轴式多刀盘组合开挖形式，刀盘结构均采用常规辐条式，其优化目标为刀盘开挖率、搅拌率最为充分。针对本工程断面，对刀盘组合布置进行布置模拟，矩形断面采用3 个大刀盘、3 个小刀盘前后布置，前刀盘背面至后刀盘辐条正面距离为160mm，其中切刀刀高为90mm，大小刀盘组合布置形式如图2 所示。

图2 刀盘组合布置形式

漂卵石类地层开挖时，由于有漂石的存在，掘进过程可能存在卡刀盘的现象，对刀盘与驱动系统均存在一定冲击，为此，考虑前后刀盘布置并建立冲击破碎模型，如图3 所示。

图3 漂石冲击作业下的单元体应力状态

以后置刀盘与漂石冲击时的作用点为坐标轴中心，以前置刀盘与漂石的作用点为目标单元体，根据岩石冲击破碎理论，对其进行受力分析，得出所受应力分别在其3 个方向的分量。

其中，μ为泊松比；R、z、r分别为圆柱坐标，为刀盘所受冲击载荷。

当漂石所受载荷达到临界载荷时，即σz＞σs（σs为漂石的抗压强度极限），漂石被刀盘切削、挤压破碎。当σz=σs时，代入上式即可求出漂石整体破碎时的冲击载荷。

将组合刀盘与漂石冲击模型导入ABAQUS中，以上述临界载荷作为边界条件，并为冲击模型添加材料属性，刀盘体结构均采用Q345C 材料，漂石与后置刀盘作用点添加70MPa 的冲击载荷，对刀盘中心圆筒进行对应约束，对组合刀盘进行有限元仿真分析，根据分析结果，采用前后刀盘布置，在开挖过程与漂石发生冲击时，刀盘最大应力接近270MPa，超过刀盘的极限载荷。因此，前后刀盘组合开挖形式在漂卵石类软土地层施工存在较大的风险，此类地层施工建议采用冲击较小的同平面组合刀盘布置开挖形式。

3 刀盘与掌子面及土仓土体流固耦合分析

创建刀盘与掌子面及土仓土体模型，通过流固耦合边界条件将它们连接在一起。假设土仓土体为高粘度流体，土仓土体与刀盘接触面无相对滑动，假设掌子面被刀盘切削下来的土体均匀通过刀盘开口流入土仓，土体流入速度与刀盘推进速度一致，螺旋输送机控制流出速度。具体分析中输入参数设置如下表1 所示。

表1 流固耦合分析输入参数表

通过流固耦合数值分析，得出刀盘的分析结果，矩形刀盘整体切削掌子面土体时，整体结构受力较为均匀，刀盘传动法兰与主驱动连接处，由于传递主轴推力与扭矩，局部出现应力集中，最大应力值为210.6MPa，刀盘传动法兰材料选用Q345C，屈服强度许用应力值[δs]≥263MPa，大于分析结果210.6MPa；最大变形量约为2.69mm，整体变形较小。因此刀盘整体强度满足设计要求。

4 结语

1）针对单一软土地层，从经济效益和掌子面稳定性两方面进行对比分析得出，采用前后刀盘布置更具适应性。

2）针对漂卵石类软土地层，采用同平面刀盘布置形式可避免卵石对刀盘的冲击，同时很大程度上减少刀盘卡卵石的可能。

3）通过对矩形刀盘与土仓土体进行流固耦合分析，验证了矩形顶管刀盘结构的地质适应性，为矩形顶管刀盘在软土地层中的布置形式提供了设计参考。O