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上海地铁延伸工程盾构刀盘设计与施工
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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。（参考《建筑中文网》）
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（AQG-I 型）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（距隧道边线约15m）的主要地下管线上方地表纵向每隔 30m 布置一个测点。
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。（参考《建筑中文网》）
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（AQG-I 型）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（距隧道边线约15m）的主要地下管线上方地表纵向每隔 30m 布置一个测点。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200808/9081.htm
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