盾构下穿既有车站切削围护桩墙刀盘配置及关键施工技术

屈通通

摘要：随着城市轨道交通的快速发展，线路穿越既有线的情况也随之增多，不可避免的穿越地连墙、围护桩等障碍物。结合临顿路站-苏州大学站区间下穿苏州地铁1号线临顿路站地连墙、围护桩，提出了MJS加固+新制盾构机刀盘穿越方案，对刀盘进行刚度、强度模拟计算，并增设了一套刀盘冷冻系统，设计冷冻管路以备应急，可为类似工程提供借鉴。

关键词：盾构；下穿既有线；磨桩；冷冻刀盘

1   工程背景

苏州市轨道交通6号线临顿路站-苏州大学站区间下穿苏州地铁1号线临顿路站，临顿路南端头左右线均为接收井，车站端头与1号线车站距离5.95m（换乘通道长度）。临苏区间穿越既有线主要障碍物有1号线临顿路站800厚围护地墙、车站底板下Φ800临时立柱桩及1、2号出入口Φ800围护桩。

区间共穿越1号线车站南北侧4处地下连续墙（双洞）、车站底临时立柱桩5根、车站附属围护钻孔灌注桩30根。穿越区主要障碍物包括：1号线临顿路站800厚围护地墙（长33m，与车站内衬形成叠合结构）、车站底板下Φ800临时立柱桩（底板以下内插3m长型钢格构柱）；附属1、2号出入口Φ800围护桩。节点区1号线车站基底埋深18.5m，6号线车站基坑深33m，较1号线车站基底深14.5m。

2   总体施工方案

在盾构机下穿既有线车站前，对土体进行MJS加固。加固完成后，对1号线车站两侧地墙、站底立柱桩及附属围护桩均采用盾构机直接切削清障。根据下穿既有线施工环境，经专家论证新制盾构机刀盘，使其具备切割围护桩、墙能力，并具备开仓换刀条件。

刀盘刀具总体为辐条加面板的结构类型，刀具按4个高度阶梯布置。第一层次为正面超前撕裂刀，主要功能为大间距先行切削钢筋桩体。第二层次主要以可更换的边缘滚刀和正面栓接可更换的加强撕裂刀为主，主要以切削钢筋混凝土为主要功能；第三层次以焊接的焊接貝壳刀为主，主要功能为第一、二层次刀具磨损后，使其仍具备切削桩体的能力；第四层次为刮刀，主要以收拢渣土进土仓为主要功能。

3   刀盘性能模拟验算与分析

刀盘穿越围护结构及地连墙时偏载力大，要求刀盘具有足够的刚度强度。由于刀盘结构复杂，按照满载和偏载情况，分别对刀盘结构进行有限元分析计算，验算刀盘设计强度、刀盘牛腿焊接质量等。通过优化设计，使提供的刀盘大部分应力在150MPa以下，有足够的刚度强度。且在磨桩、磨墙段偏载较大的条件下，刀盘变形在弹性变形范围以内。

3.1   建立模型

刀盘有限元分析所采用的三维模型如图1所示。其有限元网格模型如图2所示（共约95万单元），设置材料的弹性模量为2.06×1011Pa，泊松比为0.3。

3.2   计算工况

结合地质条件和实际掘进情况，对该刀盘进行以下3种工况的有限元分析：

3.2.1   标准负载工况

中心滚刀单刃推力250kN，正面及边缘滚刀单刃推力280kN，主驱动输出额定扭矩8540kN·m。

3.2.2   1/2偏心负载工况

刀盘下部约一半数量的刀具受到额定推力，其余刀具不施加载荷；主驱动输出额定扭矩8540kN·m。

3.2.3   脱困模式工况

刀盘卡住时，假设刀盘受到岩土的作用力为总推力的一半，主驱动输出脱困扭矩9830kN·m。

3.3   结果分析

3.3.1   标准负载工况分析

标准负载工况一般出现在均匀性良好的地层中，掘进过程中所有刀具有效参与掘进。此时刀具承受额定推力载荷，刀具推力载荷施加在刀座正面上，主驱动输出额定扭矩，扭矩施加在大圆环上，在刀盘法兰上施加约束。

标准负载工况下刀盘最大应力出现在支腿与环形梁的交接处，大小为194.2MPa。该工况下刀盘的Mises应力云图如图3所示，变形云图如图3所示。总变形量约为2.11mm，相对于刀盘大圆环直径的变形率为0.31‰。

3.3.2   1/2偏心负载工况分析

偏心负载通常出现在上软下硬的地层中，在此工况下，只有部分刀具参与掘进，假定此工况刀盘下侧一半的刀具参与有效掘进，施加的区域如图5所示。扭矩按额定扭矩施加，刀具推力载荷施加在刀座正面上，扭矩施加在大圆环上，在刀盘法兰上施加约束。

1/2偏心负载工况下刀盘最大应力，出现在如图6所示的支腿与刀盘法兰的交接处，最大应力约为195.8MPa。变形云图如图7所示。总变形量约为2.31mm，相对于刀盘大圆环直径的变形率为0.34‰。

3.3.3   脱困工况分析

脱困模式类似于发生在刀盘卡住的情况，在额定扭矩输出下有可能无法转动刀盘，需要通过短时间内加大主驱动扭矩驱使刀盘转动[1]。假设刀盘卡住不动，刀盘承受一半的总推力，主驱动输出脱困扭矩，推力分摊施加在刀座正面上，扭矩施加在大圆环上，在刀盘法兰上施加约束。

脱困工况下刀盘最大应力，出现在如图8所示的支腿与刀盘法兰的交接处，最大应力为154.7MPa。变形云图如图9所示。总变形量约为2.15mm，相对于刀盘大圆环直径的变形率为0.32‰ 。

3.4   分析结论

分析结果汇总如表1所示。从表1可以看出，在3种工况下该刀盘的最大应力出现在1/2负载工况。该工况下刀盘的最大应力为195.8MPa，位于支腿与刀盘法兰交接处的局部区域，小于强度设计值254MPa，符合刀盘的强度设计要求；最大变形量约为2.31mm，出现在1/2负载工况，变形率为0.34‰，符合刀盘设计的刚度要求。综上分析可得出，该刀盘的强度和刚度满足设计要求。

4   刀盘应急设计

4.1   冷冻系统设计

为保证盾构机磨桩期间在刀具磨损的情况下，为开仓换刀提供更好的施工条件，经专家论证特为盾构机增设了一套刀盘冷冻系统。利用刀盘为等温体的特性，设置冷冻管路和冷冻设备，使盾构机刀盘附近土体有效冻结。刀盘同时作为承载体，承担掌子面总荷载，冻结体只承担开口部位荷载。

根据刀盘冷冻管路设置及智能控制系统，针对具体施工情况，可进行分区不均匀冷冻[2]。刀盘分2个区域，布置2进2出的两个冷冻液循环回路。沿刀盘支腿预留接口至大法兰背面，冷冻液通道在刀盘结构制作时完成。

4.2   冻结管路设计

停机时，可通过对每一回路接入冷冻液循环，使刀盘整体形成一个冷冻源，加固掌子面区域。前盾切口环设计冷冻液循环管路，用于冷冻切口环外周边径向土体。主驱动设计保护管路，密闭环腔内可通入循环热水，避免主驱动温度过低损坏密封。

4.3   冻结施工工艺

如果在第一道、第二道地墙处出现推力增大、扭矩减小，速度减小等情况，配合刀具磨损装置分析判定刀盘刀具磨损情况。如果刀具磨损严重，可以启用冷冻系统将周边土体冷冻起来，增加土体自稳能力，然后进入土仓更换刀具。下穿区地质为⑤1层粉质黏土，中部和下部为⑥1、⑥2层粉质黏土时，可采取启用冻结刀盘冻结后，带压进仓检查掌子面情况，满足常压进仓条件后即可开始更换刀具等施工。

5   磨桩施工

5.1   施工参数设置

磨桩施工过程中，采用慢推速、中转速磨切桩基，推进速度设定为2～3mm/min，刀盘转速控制在0.6～0.8r/min左右，贯入度控制在5mm左右。磨桩施工过程中桩基反作用于刀盘，刀盘正面容易受力不均，姿态控制难度较大，为此应加强姿态控制，特别是垂直姿态控制纠偏时要避免急纠、猛纠。下穿区均采用多孔管片，以利于多点位二次注浆控制。

为减少盾构下穿既有线过程中设备故障率，在盾构下穿前必须进行充分、反复的调试、检修。合理设定土压力，保证开挖面稳定。减少盾构的超挖和欠挖，防止因超排土或欠排土导致地层失稳，造成沉降或隆起。

5.2   螺旋输送机出土

为使切除的钢筋较顺利输出，螺旋机输送过程中 需添加适量的泡沫或者高浓度膨润土泥浆，并充分利用螺旋输送机正转和反转以及伸缩螺旋机等，防止螺旋输送机卡住。必要时，可通过螺旋输送机观察窗进行人工处理[3]。

5.3   同步注浆

同步注浆要做到及时、均匀、足量，确保其建筑空隙得以及时和足量的充填[4]。根据注浆压力及地保监测情况，控制同步注浆量或及时进行二次补浆。通过自动化监测实时掌握盾构掘进对1号线的影响，及时调整盾构掘进參数，并进行二次注浆。

6   结束语

本文结合临顿路站-苏州大学站区间下穿苏州地铁1号线临顿路站地连墙、围护桩，提出了MJS加固+新制盾构机刀盘穿越方案，对刀盘进行刚度、强度模拟计算，并增设了一套刀盘冷冻系统，设计冷冻管路以备应急。

本项目通过论证，确定复合冻结刀盘在穿越区进行垂直与水平MJS加固后直接磨桩穿越。结合刀盘刀具设计配置进行数值模拟分析，确保刀盘的强度和刚度满足设计要求。建议对盾构穿越影响区的附属围护桩进行钻孔取样，以明确盾构切削范围。深化设计和施工参数，减小盾构切削既有站地墙时对车站主体结构的影响。

参考文献

[1] 丁洪波.长距离隧道TBM关键施工数据动态管理研究[D].大连：大连理工大学，2017.

[2] 朱劲锋，廖鸿雁，袁守谦，等.并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践[J].隧道建设（中英文），2019，39（7）：1187-1200.

[3] 徐正齐.盾构磨墙桩下穿运营地铁站及紧邻接收技术研究[J].科学技术创新，2022（8）：112-116.

[4] 詹涛.泥水盾构穿越赣江断裂破碎带施工关键技术[J].隧道建设（中英文），2017，37（S2）：205-210.