壓縮空氣條件下盾構(gòu)刀盤特種焊接修復(fù)技術(shù)

孫善輝，陳 饋，王振飛

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001，2．中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

刀盤作為盾構(gòu)的核心部件，是決定工程成敗的關(guān)鍵。由于工作環(huán)境惡劣，在掘進(jìn)中承受大扭矩、大推力和復(fù)雜沖變載荷，刀盤容易發(fā)生磨損和破壞，特別是遇到復(fù)雜地質(zhì)條件和不明障礙物時(shí)，將嚴(yán)重影響其強(qiáng)度、剛度、耐磨性和整體結(jié)構(gòu)安全，特別嚴(yán)重時(shí)，將導(dǎo)致刀盤無法使用，盾構(gòu)長(zhǎng)期停機(jī)，甚至使得工程報(bào)廢。在以往的研究中，文獻(xiàn)［1］認(rèn)為帶壓換刀的技術(shù)主要有2個(gè)方面，即選擇合理換刀地點(diǎn)及進(jìn)艙工作壓力，保證掌子面土體的穩(wěn)定和置換開挖艙高濃度泥漿，中盾高濃度泥漿的注入，有效地防止了氣體的逃逸;文獻(xiàn)［2］總結(jié)了盾構(gòu)在不同性狀條件的復(fù)合地層中可采用帶壓進(jìn)倉、敞開式開倉、地層加固開倉、低壓限排進(jìn)倉等進(jìn)倉技術(shù)，詳細(xì)介紹了各種進(jìn)倉技術(shù)方法的選擇和適應(yīng)范圍及復(fù)合地層中各種進(jìn)倉技術(shù)施工要點(diǎn);文獻(xiàn)［3］通過對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)更換刀具時(shí)地層坍塌機(jī)制的研究，提出了采用AB液填充注漿的方式。文獻(xiàn)［4］通過不同盾構(gòu)刀盤刀具配置在砂卵石下的應(yīng)用對(duì)比，重點(diǎn)對(duì)工程刀盤刀具改造前后對(duì)地層的適應(yīng)性進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析，提出了砂卵石條件下刀盤刀具配置應(yīng)注意的關(guān)鍵問題。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)盾構(gòu)都在城市中心區(qū)或者江河湖海底部進(jìn)行掘進(jìn)施工，當(dāng)?shù)侗P磨損破壞非常嚴(yán)重且需要焊接修復(fù)時(shí)，地面往往不具備地層加固或者豎井開挖條件，無法實(shí)現(xiàn)常壓條件下對(duì)刀盤的焊接修復(fù)，也無法有效保證掌子面的穩(wěn)定，此時(shí)就需要考慮帶壓進(jìn)艙，在壓縮空氣條件下帶壓對(duì)盾構(gòu)刀盤進(jìn)行焊接修復(fù)，同時(shí)保證修復(fù)期間掌子面的穩(wěn)定和施工安全。由于其作業(yè)困難多、風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工領(lǐng)域的成功應(yīng)用還比較少。本文就壓縮空氣條件下盾構(gòu)刀盤特種修復(fù)原理、關(guān)鍵技術(shù)、開艙氣密性條件及掌子面穩(wěn)定措施等方面進(jìn)行分析研究。

1 簡(jiǎn)介

北京某項(xiàng)目在城市中心區(qū)首次采用12 m級(jí)氣墊式泥水盾構(gòu)獨(dú)頭掘進(jìn)5．2 km，隧道主要穿越卵石、圓礫、中粗砂及黏土交互地層。隧道沿線建構(gòu)筑物林立，淺覆土下穿護(hù)城河，近距離穿越立交橋群、板樓群、天安門箭樓、地鐵站及平行地鐵運(yùn)營(yíng)線路掘進(jìn)4 km，且全線地下管線密集。隧道具有埋深大、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多、沉降控制要求嚴(yán)格、地面注漿加固困難、帶壓進(jìn)艙風(fēng)險(xiǎn)大等特點(diǎn)［5］。

該工程盾構(gòu)自2008年9月始發(fā)至今，前后共進(jìn)行了3次大規(guī)模刀盤修復(fù)作業(yè)，即1次常壓動(dòng)火焊接作業(yè)(開挖豎井)和2次壓縮空氣條件下帶壓進(jìn)艙刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。盾構(gòu)機(jī)在最初始發(fā)掘進(jìn)67 m時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道穿越的地層與原地勘資料出入較大，呈現(xiàn)為致密的卵石層，甚至板結(jié)層(如圖1所示)，使得原配置刀具無法有效松動(dòng)土層，無法適應(yīng)地層需要，決定在盾構(gòu)停機(jī)處開挖豎井常壓下修復(fù)改造刀盤。改造后的刀盤刀具適應(yīng)性較之前有較大改善，盾構(gòu)掘進(jìn)基本可以順利進(jìn)行，但根本性缺陷仍然存在，無法根除，如:1)滾刀刀間距過大無法有效松動(dòng)土層;2)嚴(yán)重的“泥餅”及“土包石”嚴(yán)重磨損、破壞刀盤刀具;3)切、刮刀螺栓受大卵石劇烈沖擊疲勞斷裂而導(dǎo)致大批掉落，如圖2所示。針對(duì)上述缺陷，在盾構(gòu)累計(jì)掘進(jìn)1 767 m后進(jìn)行了第1次壓縮空氣下刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。2011年，盾構(gòu)在下穿某既有運(yùn)營(yíng)地鐵站時(shí)(刀盤頂部距離地鐵結(jié)構(gòu)底板最近約4．2 m，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，要求一次性安全通過)，發(fā)現(xiàn)排渣困難，隨后帶壓進(jìn)艙發(fā)現(xiàn)刀盤纏繞著大量厚度為6mm的鋼濾網(wǎng)片、部分水泵及電機(jī)轉(zhuǎn)子(歷史遺留物，10口鋼管降水井)，刀盤刀具遭到嚴(yán)重破壞(如圖3所示)，無法繼續(xù)掘進(jìn)，必須進(jìn)行第2次壓縮空氣下刀盤焊接修復(fù)作業(yè)。

圖1 砂卵石板結(jié)地層Fig．1 Sample of sandy cobble ground

圖2 “泥餅”、“土包石”及“大卵石”Fig．2 Mud blockage，mud clouds and cobbles

2 壓縮空氣條件下刀盤艙特種焊接工作原理

目前人們普遍存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為盾構(gòu)刀盤艙壓縮空氣下焊接動(dòng)火會(huì)引起爆燃，不安全、不可取，實(shí)際上只要技術(shù)措施到位，過程嚴(yán)格把關(guān)，該工法是安全可行的。然而也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，刀盤艙帶壓條件下動(dòng)火焊接具有困難多、風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。在高壓環(huán)境中，雖然O2體積分?jǐn)?shù)同外界一樣保持在21%左右，但單位體積內(nèi)的O2增加了，燃燒速度加快了，如:一件物品在常壓條件下燃燒完全需要5 min，而高壓環(huán)境中僅2 min就燃燒完了，瞬間燃燒溫度能達(dá)到400℃，若O2濃度達(dá)到30%，瞬間燃燒溫度就可以達(dá)到1 000℃，同時(shí)在高壓密閉空間中動(dòng)火作業(yè)，會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，如不及時(shí)排出，就會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成傷害。所以一般情況下，可以常壓條件下完成的工作，都不會(huì)考慮帶壓作業(yè)。

圖3 嚴(yán)重破壞的刀盤刀具Fig．3 Seriously-damaged cutter heads and cutting tools

刀盤艙帶壓條件下動(dòng)火焊接工作原理是基于盾構(gòu)常規(guī)帶壓進(jìn)艙基礎(chǔ)之上的，即在常規(guī)帶壓作業(yè)基礎(chǔ)上，通過增設(shè)一些特殊設(shè)備設(shè)施、儀器儀表、人員防護(hù)及相應(yīng)的盾構(gòu)改裝，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在刀盤艙壓力狀態(tài)下的焊接作業(yè)，并保證作業(yè)人員能夠呼吸足量的新鮮空氣。焊接產(chǎn)生的廢氣能夠及時(shí)排出，同時(shí)保證刀盤艙壓力恒定、掌子面穩(wěn)定及作業(yè)人員的健康安全［6］，原理如圖4所示，設(shè)備設(shè)施如圖5所示。在刀盤艙風(fēng)水電及工作室開挖等全部具備條件后，進(jìn)艙人員帶壓進(jìn)艙進(jìn)入到作業(yè)點(diǎn)，佩戴專用頭盔進(jìn)行焊接動(dòng)火作業(yè)，產(chǎn)生的廢氣及時(shí)從廢氣排放管排出;同時(shí)，壓縮機(jī)及時(shí)同步補(bǔ)充新鮮壓縮空氣，從而保持開挖艙壓力恒定。作業(yè)過程全程由攝影、進(jìn)排氣流量計(jì)、O2及有害氣體檢測(cè)儀和吸氧控制器等專用設(shè)備設(shè)施監(jiān)控，從而保證作業(yè)期間的安全。

圖4 工作原理圖Fig．4 Welding principle

圖5 設(shè)備設(shè)施圖Fig．5 Equipment and facilities

3 土建配合方案

由于修復(fù)作業(yè)在刀盤正面進(jìn)行，需要在掌子面開挖一個(gè)工作孔，同時(shí)保證作業(yè)過程中一定時(shí)期內(nèi)的掌子面、作業(yè)孔穩(wěn)定和作業(yè)人員安全，所以需要根據(jù)盾構(gòu)停機(jī)位置、周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等情況采取相應(yīng)的土建配合方案。

1)第1次壓縮空氣下焊接修復(fù)刀盤刀具的土建配合方案是采用鉆孔樁及注漿加固相結(jié)合的加固方式，首先施工φ2．0 m的鉆孔樁，然后填充水泥砂漿，其次采取人工挖孔施工φ1．3 m的作業(yè)井，最后將刀盤頂部封死。如圖6所示。

圖6 土建方案設(shè)計(jì)圖(單位:mm)Fig．6 Design of civil countermeasures(mm)

2)第2次的土建配合方案是直接采取帶壓進(jìn)艙人工掏挖方式進(jìn)行，即:工作人員帶壓進(jìn)艙，利用風(fēng)鎬、撬棍等工具，邊開挖工作孔邊利用艙內(nèi)既有泥漿封堵因開挖而造成的漏氣點(diǎn);若地層裸漏面積過大，補(bǔ)氣量超過30%時(shí)，及時(shí)減壓出艙，同時(shí)進(jìn)行掌子面補(bǔ)漿，重新進(jìn)行加壓、保壓工作，依次反復(fù)，直至作業(yè)孔完成開挖。作業(yè)孔如圖7所示。

從上述可以看出，第2次土建方案較為簡(jiǎn)單、便捷，實(shí)施方便，節(jié)約了加固成本，縮減了工期。從實(shí)施效果看，第2次刀盤焊接修復(fù)作業(yè)歷時(shí)0．5 a，開挖面泥膜良好，補(bǔ)氣量均值為10%，開挖面整體穩(wěn)定性良好，作業(yè)孔無塌孔現(xiàn)象發(fā)生，從地表沉降來看，盾構(gòu)停機(jī)點(diǎn)最大累積沉降5．2 mm，打破了大噸位盾構(gòu)機(jī)不可長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的觀點(diǎn);從掌子面穩(wěn)定效果來看，只要在掌子面能夠形成高質(zhì)量泥膜，并保持良好的氣密性，長(zhǎng)時(shí)間帶壓作業(yè)掌子面是穩(wěn)定的。

圖7 土建方案設(shè)計(jì)圖(單位:cm)Fig．7 Design of civil countermeasures(cm)

4 壓縮空氣下焊接切割作業(yè)需要具備的必要條件

4．1 開艙氣密性條件

根據(jù)盾構(gòu)帶壓作業(yè)特點(diǎn)分析，掌子面漏氣原因主要有:掌子面地層漏氣、盾構(gòu)設(shè)備本身密封不嚴(yán)、盾尾密封漏氣、盾殼周圍地層漏氣和管片接縫處向隧道內(nèi)漏氣。綜合以上漏氣原因，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)艙漏氣情況分析，造成漏氣的主要原因是盾殼與地層間的縫隙封堵不嚴(yán)，壓縮空氣沿盾殼向盾構(gòu)后方逃逸漏氣，采取的主要措施是通過注漿管向盾殼外注入相對(duì)體積質(zhì)量為1．3左右的摻入鋸末的高濃度泥漿，以封閉壓縮氣體逃逸通道。

4．2 掌子面泥漿置換及高質(zhì)量泥膜的形成

在新漿池完成高黏度泥漿的拌制，泥漿黏度控制為90 ～100 s，相對(duì)體積質(zhì)量為1．05 ～1．1，然后將高質(zhì)量泥漿注入刀盤進(jìn)行置換，泥漿置換完成后緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤充分?jǐn)嚢枘酀{，隨后開始保壓。保壓壓力的設(shè)定應(yīng)比進(jìn)艙壓力的設(shè)定高30～50 kPa，目的是將高黏度泥漿中的膨潤(rùn)土、制漿劑壓入地層以形成泥膜，保壓應(yīng)每間隔30 min提高壓力10 kPa，直至達(dá)到保壓壓力，最后穩(wěn)定壓力2～3 h，使高黏度泥漿充分滲入到地層中，形成高質(zhì)量泥膜(如圖8所示)。

圖8 高質(zhì)量泥膜Fig．8 High-quality filter membrane

4．3 注意事項(xiàng)

1)密切觀察O2濃度測(cè)試儀，嚴(yán)格控制濃度在21%以下。

2)密切觀察刀盤艙供氣氣體流量計(jì)，嚴(yán)格控制掌子面補(bǔ)氣量在30%以下，若氣體流量計(jì)讀數(shù)達(dá)到300 m3/h，說明地層漏氣嚴(yán)重，補(bǔ)氣量大，應(yīng)及時(shí)出艙，視情況而定補(bǔ)漿保壓或置換新鮮泥漿。

（2）地面硬化減低了土地蓄水能力。隨著城市的不斷發(fā)展，出于對(duì)生活環(huán)境的要求，城市地區(qū)的地面被越來越多的進(jìn)行硬化處理。致使雨水很難滲透到地下，只能隨排水系統(tǒng)流入自然水系中，這在很大程度上縮短了雨水集流的時(shí)間，使河流中的水量增加，同時(shí)使洪峰流量增加，從而加大了洪水災(zāi)害的威脅。

3)出于提高工作效率考慮，每次減壓出艙并不馬上進(jìn)行掌子面補(bǔ)漿保壓，泥膜長(zhǎng)時(shí)間暴露會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如圖9所示。為保證泥膜質(zhì)量和掌子面穩(wěn)定，每天至少進(jìn)行一次掌子面補(bǔ)漿潤(rùn)濕泥膜及保壓，以延長(zhǎng)泥膜使用壽命。

圖9 泥膜開裂Fig．9 Cracking of filter membrane

4)帶壓焊接作業(yè)所需的焊條及滅火器需要選擇專用的，搭鐵線要就近搭接，焊條應(yīng)在焊接前放在烘干箱內(nèi)加溫至250℃并保溫1 h，焊接面必須保持清潔干凈。焊接時(shí)先將刀座、刀箱或鋼板定位后點(diǎn)焊固定，最后根據(jù)坡口大小進(jìn)行分層堆焊，每次堆焊后用小錘子清理焊渣，待焊縫冷卻后再堆焊，以防止焊縫變形過大，焊接完成后自然冷卻1．5～2．0 h，嚴(yán)禁用水冷卻焊縫，最后進(jìn)行耐磨處理。

5 壓縮空氣下刀盤焊接修復(fù)作業(yè)實(shí)施方案

5．1 作業(yè)流程

由于帶壓進(jìn)艙動(dòng)火作業(yè)的特殊性，作業(yè)人員要求必須身體健康，且經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)并具有相關(guān)資質(zhì)的人員方可進(jìn)艙作業(yè)［7-9］，該項(xiàng)目聘請(qǐng)具有豐富經(jīng)驗(yàn)和資深資質(zhì)的德國(guó)北海潛水專業(yè)公司來實(shí)施，整個(gè)作業(yè)流程見圖10。

圖10 作業(yè)流程Fig．10 Welding process

5．2 人員進(jìn)出艙及補(bǔ)漿

帶壓工作時(shí)間確定為3 h(減壓3 h，4艙/d)，達(dá)到工作時(shí)間后，作業(yè)人員嚴(yán)格按照減壓方案進(jìn)行減壓出艙，進(jìn)艙人員必須根據(jù)要求吸氧。補(bǔ)漿時(shí)要控制好補(bǔ)漿速度，防止開挖艙壓力波動(dòng)過大，損壞泥膜。

5．3 刀盤刀具焊接修復(fù)作業(yè)

5．3．1 切、刮修復(fù)

針對(duì)切刀螺栓頻繁斷裂無法取出的現(xiàn)象，其修復(fù)方法是將原刀座進(jìn)行打磨、平整，焊接新型軸銷式切刀刀座;再安裝新刀，軸銷式切刀最大的優(yōu)點(diǎn)是刀具更換比較方便、快捷，舊切刀一般每艙可以更換2～4把，而新切刀則可以更換20把，大大提高了工作效率，節(jié)約了刀具更換時(shí)間和減少了開艙次數(shù);刮刀修復(fù)是將原刮刀刀座打磨、平整，再焊接新刀座，刀座形式不變。如圖11所示。

將損壞嚴(yán)重?zé)o法繼續(xù)使用的滾刀刀箱碳弧氣刨掉，打磨、平整，重新定位焊接新滾刀刀箱。

5．3．3 刀盤本體修復(fù)

采用薄鐵皮貼附刀盤鋼結(jié)構(gòu)上進(jìn)行拓片，然后在艙外根據(jù)拓片下料并打坡口，再送入刀盤艙，并根據(jù)修補(bǔ)位置實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)修正，最后定位焊接。

6 實(shí)際修復(fù)情況

該工程盾構(gòu)在下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵站期間，由于鋼濾網(wǎng)降水井，使得刀盤破壞十分嚴(yán)重。此次刀盤修復(fù)情況復(fù)雜、工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，所以下面主要介紹此次刀盤焊接修復(fù)實(shí)際情況。

6．1 刀盤刀具破壞狀況

1)刀盤本體發(fā)生較大磨損，主要是:①刀盤半徑5．336 m的環(huán)形區(qū)域，輻板磨損深7 cm，寬17 cm;②刀盤半徑3．35 m的環(huán)形區(qū)域，刀盤磨損深16 cm，寬20 cm;③刀盤半徑1．406～2．203 m的環(huán)形區(qū)域，刀盤磨損深42 cm，寬65 cm。如圖12所示。

圖11 刀具修復(fù)效果圖Fig．11 Repaired cutting tools

2)刀盤中心區(qū)滾刀刀箱磨損破壞嚴(yán)重(約13把滾刀道箱需要更換)，已無法安裝滾刀，損壞滾刀情況如圖13所示。

3)周邊刮刀、切刀崩齒、掉落破壞嚴(yán)重。

圖12 刀盤本體磨損實(shí)際情況Fig．12 Worn cutter head

圖13 滾刀損壞實(shí)際情況Fig．13 Worn disc cutters

6．2 主要完成情況

修復(fù)滾刀刀箱13個(gè)、中心刀刀箱5個(gè)、輻條8根;新焊切刀刀座129把、新型撕裂刀38把、耐磨鋼板326塊、合金刀3把。如圖14—16所示。

7 結(jié)論與建議

第2次壓縮空氣下焊接修復(fù)刀盤歷時(shí)0．5 a，未發(fā)生任何危險(xiǎn)，目前盾構(gòu)已恢復(fù)掘進(jìn)?？梢钥闯?只要技術(shù)措施到位和過程嚴(yán)格把關(guān)，壓縮空氣下刀盤艙動(dòng)火焊接作業(yè)是安全可行的，掌子面及焊接作業(yè)孔是可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的。建議以后遇見類似工程情況:1)選擇專業(yè)帶壓進(jìn)艙焊接隊(duì)伍;2)制定詳細(xì)的技術(shù)方案及專家審查制度;3)制定嚴(yán)格的過程控制措施，密切注意帶壓進(jìn)艙補(bǔ)氣量、泥膜質(zhì)量、掌子面及作業(yè)孔穩(wěn)定情況等;4)制定嚴(yán)格的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)值班制度。

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