盾構刀盤變形修復技術及理念

李洪波

(中鐵二十局集團有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，隨著國家基礎建設的大力發(fā)展，盾構法施工以其巨大的優(yōu)勢迅猛發(fā)展，被廣泛采用。一般情況下，盾構最前端的刀盤在巖層中工作時主要受到正面均布力和環(huán)向力矩作用，刀盤的設計可滿足在額定推力下工作的強度和抗變形能力要求，但如果地下環(huán)境惡劣，巖層復雜，在特殊情況下當?shù)侗P受到正面局部力作用時，將產(chǎn)生較大軸向力矩，若施工參數(shù)調(diào)整不當，刀盤出現(xiàn)扭曲變形也偶有發(fā)生。

目前同行在盾構刀盤變形維修方面做了一些分析與探討。文獻［1-3］對盾構刀盤在施工的不同階段如何進行必要的維修養(yǎng)護和常規(guī)故障排除等進行了研究。文獻［4-5］對應用人工挖孔或洞內(nèi)加固等措施創(chuàng)造條件進行洞內(nèi)修復做了探討。文獻［6-8］對盾構始發(fā)前或到達以后根據(jù)刀盤損壞的不同情況做了修復技術的嘗試，取得了一定的成果。這些修復技術一般是對正常磨損和刀盤表面耐磨焊的處理，涉及刀盤結構或者較大面積變形維修的也都是盾構到達后的地面或井內(nèi)維修。本文以珠三角城際軌道盾構施工中刀盤非正常變形的倉內(nèi)修復為例，探討在不具備系統(tǒng)修復的安全空間和作業(yè)條件情況下的倉內(nèi)應急維修技術及理念，希望能為同行提供些借鑒。

1 背景概述

1．1 工程概況

廣東珠三角城際軌道交通東莞至惠州段工程目前在建，設計時速200 km/h。其中松山湖北至大朗區(qū)間采用土壓平衡盾構法施工，隧道雙線全長8 800 m，隧洞開挖直徑8．83 m，穿過地層主要為全、強、弱風化混合片麻巖，上軟下硬，地下水較豐富，線路最大縱坡24‰，隧道覆土15～42 m，穿越整個大朗鎮(zhèn)區(qū)，地面房屋密集，且多為老齡淺基。

1．2 刀盤結構

本工程盾構刀盤采用輻板式，6大輻條+6小輻條+6面板。新刀最大開挖直徑8 860 mm，刀盤開口率31．5%，配置54把盤形滾刀，其中，中心區(qū)雙刃滾刀10把，輻條區(qū)單刃滾刀34把，周邊滾刀6把，半徑補償滾刀4把，刀間距91～100 mm;另配置雙層刮刀188把，周邊刮刀24把［9］。滾刀距刀盤面距離140 mm，距刮刀距離45 mm;滾刀采用背裝式換刀方式，刀盤總質(zhì)量為110 t。其結構形式見圖1。

圖1 刀盤結構圖Fig．1 Structure of cutterhead

1．3 事件經(jīng)過及刀盤損壞情況

1)施工情況。盾構在始發(fā)掘進68環(huán)后進入地面預加固段落，進行了整盤刀具的更換，從恢復掘進至盾構再停機，其間共掘進104環(huán)，約166．4 m。掘進參數(shù):總推力36 000～39 000 kN，刀盤扭矩3 000～4 000 kN·m，土倉頂部壓力 0．2 ～0．1 MPa。在停機前約10 min時扭矩和推力突然升高，扭矩達8 000 kN·m、推力達50 000 kN，同時發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)接頭連接管斷裂，有泡沫噴出，遂停機。

2)地質(zhì)情況。換刀后掘進約70 m為上軟下硬地段，后進入全斷面硬巖(W2)90多m，埋深逐漸增大，從開始的20 m到停機前的27 m。巖石為混合片麻巖，單軸抗壓強度大于80 MPa。

3)損壞情況。刀盤連接盤從支撐臂向中心方向逐漸發(fā)生塑性變形，向土倉凹陷最大約為60 mm。將變形區(qū)域內(nèi)的正滾刀和中心滾刀拆除后，經(jīng)過現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域內(nèi)正滾刀的刀箱變形很小或幾乎沒有變形(見圖2)，中心滾刀箱變形和損壞相對較大(見圖3)，連接箱與刀盤結合面法蘭有變形且焊縫開裂(見圖4)。

4)原因分析。由于掘進經(jīng)過上軟下硬及節(jié)理較發(fā)育的全斷面硬巖，地面又無預加固條件，致使掘進中對刀具檢查更換不及時，刀具正常磨損均較大，且中心區(qū)域雙刃滾刀全部嚴重偏磨，不能有效破巖。據(jù)盾構設計方推算，停機前刀盤中心區(qū)域較小圓面內(nèi)承受的巖石柱正壓力可能超過20 000 kN，分析認為正面軸向力過大是導致刀盤變形的直接原因。

2 刀盤修復方案

2．1 方案 A

2．1．1 修復原則

先將刀盤的前面面板修復成一個平面(見圖5)，公差在5 mm范圍內(nèi)，然后將中心滾刀和正滾刀的刀箱刨掉，并將新刀箱按原位置重新焊接。

2．1．2 實施方案

1)刀盤前方開挖工作區(qū)域(一般需要在掌子面開鑿出直徑4 000 mm，深約800 mm的操作空間)應確保工作區(qū)域內(nèi)不會有石塊掉落。

圖5 刀盤前面面板及輻條修復示意圖Fig．5 Parts of cutterhead to be repaired

2)將刀盤輻條受損區(qū)域氣刨成矩形凹槽，厚度為最大磨損量，寬度為輻條寬度，長度為磨損長度，同時按此尺寸下料鋼板條，鋼板條厚度可以比60 mm稍寬(60 mm為輻條鋼板厚度，考慮到輻條變形，可用70 mm或80 mm厚鋼板下料)。

3)將鋼板條焊接在輻條上，保證輻條間距520 mm，輻條變形后間距大于520 mm的地方可用3，5 mm厚鋼板填充縫隙。

4)待面板修平后，將中心滾刀和部分受損嚴重的正滾刀刀箱刨掉，并將新刀箱按原位置重新焊接，完成修復。

5)工期約需1．5月。

2．2 方案 B

2．2．1 修復原則

變形范圍內(nèi)的正滾刀刀箱維持目前的狀態(tài)，中心滾刀箱的邊板全部刨掉中心滾刀，然后以刀盤法蘭面為基準，并在中心刀具(或工裝)的輔助下定位焊接新的邊板，將中心滾刀的高度在現(xiàn)有基礎上向前推刀盤最大變形量的1/2，最后根據(jù)實際變形的情況焊接邊板的加強筋板，修復前后滾刀刀刃高度對比見圖6。

圖7 修復前后中心刮刀的位置Fig．7 Comparison and contrast between positions of scrapers before repairing and those after repairing

圖6 修復前后滾刀刀刃高度對比(單位:mm)Fig．6 Comparison and contrast between height of edges of disc cutters before repairing and that after repairing(mm)

2．2．2 實施方案

1)準備工作。包括清理開挖倉、受損嚴重正滾刀拆除;開挖工作區(qū)域、對工作人員的安全防護;供電、照明、排煙通風系統(tǒng);材料運輸?shù)取?/p>

2)刀盤體的無損探傷。對變形區(qū)域刀盤體、刀箱刀座以及連接箱法蘭基座等都進行探傷檢測［10］，確認無微細裂紋或者確定裂紋存在部位及嚴重程度，以便焊接彌補。另外，對修復完成的部位，再做整體檢驗。

3)中心刮刀修復。將原刮刀座刨掉，然后將新的刮刀座焊到原來位置的對面(見圖7)。

4)中心滾刀修復。包括中心刀箱邊板的氣刨和新中心刀箱邊板及其筋板的焊接。先將中心滾刀刀箱的邊板全部刨掉中心滾刀，然后以刀盤法蘭面為基準，并在中心刀具的輔助下定位焊接新的邊板，將中心滾刀的高度在現(xiàn)有基礎上向前推30 mm，最后根據(jù)實際變形的情況焊接邊板的加強筋板。

5)受損嚴重的輻條正滾刀修復。同樣包括受損嚴重的滾刀箱的氣刨和新滾刀箱的焊接。

6)中心連接箱的修復。由于連接箱已經(jīng)發(fā)生變形(見圖4)，重新制作的連接箱不具有互換性，也就是說和前面的泡沫孔及油管對不上;另外空間尺寸也不能滿足，因此，決定修復現(xiàn)有連接箱。具體過程如下:①首先轉(zhuǎn)動刀盤，檢查刀盤與連接箱的跳動情況，也就是檢查它們是否同心。如果同心情況良好，就進行步驟②，否則，進行步驟③。②首先將連接箱與刀盤用筋板焊接加固(見圖8)，然后將連接箱前端割一個孔，將其中的管路與刀盤上相應孔直接焊接連接，然后加以保護。③需將連接箱前端割掉，調(diào)整連接箱的位置使其與刀盤同心，然后將其中的管路與刀盤上相應孔直接焊接連接，然后加以保護。管路修復之后，應進行工作狀態(tài)下的壓力測試。液壓口測試壓力21 MPa，泡沫口測試壓力1 MPa。

7)工期需12～15 d。

圖8 連接箱與刀盤用筋板焊接加固示意圖Fig．8 Reinforcing of connection part and cutter head by welding reinforcing steel plate

2．2．3 修復控制重點

1)在維修前后做好探傷檢測，確定焊接補強范圍并保證維修質(zhì)量;

2)嚴格控制修復刀箱在刀盤徑向的安裝位置，以保證滾刀間距及破巖軌跡與原設計相符;

3)嚴格調(diào)整與控制修復刀箱在刀盤軸向的安裝位置，使中心區(qū)變形較大滾刀與附近變形較小滾刀面保持弧形過渡，雖說理念是“從平到不平”，但并不是“凸凹不平”，而是形成逐漸過渡的內(nèi)凹面，這是修復控制的重中之重。

3 方案比選及修復后的應用效果

2種方案的不同之處主要是對刀盤的恢復程度要求方面。一般的刀盤維修僅對刀盤表面的耐磨焊進行處理，或者加焊鋼板以恢復磨損較大的表面，方案A的理念是將刀盤表面修平。在本例中，停機位置在5層居民樓下，掌子面雖堅硬，但節(jié)理有些發(fā)育，水量也較大，若按方案A處理，刀盤前方開挖需要較大作業(yè)空間，并要保持穩(wěn)定，人員必須到土倉前方作業(yè)，且用時超過1個月，安全風險較大，最后選擇了方案B，將刀盤表面修復成了逐漸過渡的內(nèi)凹面，在保證刀具安裝姿態(tài)和運行軌跡基本不變的情況下，解決了危機。

盾構刀盤經(jīng)過13 d修復并進行整體維護檢修后恢復掘進，正服務于地質(zhì)條件較為復雜的莞惠城際工程施工中。修復后的2個月內(nèi)已正常穿越巖石強度超過90 MPa的全斷面硬巖層，每日綜合進尺8．0 m，滿足了施工要求，達到了在特殊條件下快速修復恢復掘進的目的。

4 結論與建議

盾構法是一種封閉式只進不退的隧道施工方法，這給刀盤的大面積結構修復帶來了困難，有時甚至根本無法完成，一般情況下只能在盾構到達以后才能對受損刀盤進行徹底的維修。掘進狀態(tài)下的臨時停機倉內(nèi)簡易修復是無奈之舉。雖說是“簡易修復”，但也一定要理論通、實踐行，滿足性能要求。這次對刀盤的修復，不僅是一次個案的技術探討，也是一種“從平到不平”的修復理念的嘗試。此種修復方案在特殊條件下應急無疑是可行的，但在施工中的可行性還有待論證，施工中需加強對刀盤刀具的檢查更換和掘進參數(shù)的控制，并對刀盤結構安全進行專家評估，必要時選擇預設停機點進行全面修復，以保證工程項目的順利進行。

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