上軟下硬地層盾構(gòu)刀盤洞內(nèi)修復技術(shù)及施工建議

張威威，馬 哲，張家年

（中鐵工程裝備集團有限公司設(shè)計研究總院，河南 鄭州 450016）

近年來，隨著全國各地城市掀起地鐵建設(shè)的高潮，我國盾構(gòu)裝備制造得到大力發(fā)展，盾構(gòu)法施工得到廣泛采用。盾構(gòu)刀盤是盾構(gòu)機最前端的部件，直接與開挖面土體接觸，承受扭矩、推力和沖擊載荷的作用。盾構(gòu)在掘進中會遇到淤泥、粉土、砂卵石及硬巖等不同地層，尤其是在上軟下硬復合地層，工作狀況非常惡劣，刀盤刀具是最容易出現(xiàn)損壞的部件之一，特別是長距離掘進，經(jīng)常出現(xiàn)刀盤刀具損壞的現(xiàn)象，給盾構(gòu)施工帶來安全隱患。

目前，在盾構(gòu)刀盤維修方面已有不少專家和學者做出分析和研究。這些技術(shù)文獻對刀盤刀具修復提出很好地指導和借鑒意義，但在上軟下硬地層盾構(gòu)施工掘進如何避免刀盤出現(xiàn)損壞方面文獻較少。本文以武漢地鐵21 號線黃朱區(qū)間盾構(gòu)上軟下硬施工為例，針對刀盤刀具出現(xiàn)損壞的情況，制定刀盤修復方案及提出盾構(gòu)掘進建議，希望能為同行在類似地層施工提供參考。

1 背景概述

1.1 工程概況

武漢地鐵21 號線黃朱區(qū)間右線總長2 137.8m，管片外徑6.2m，管片長度1.5m，盾構(gòu)穿越地層主要為粘土夾碎石、白云巖、以及上軟下硬地層，上部為粘土夾碎石，下部為白云巖。地質(zhì)報告初勘顯示白云巖最大抗壓強度為135MPa，平均巖石抗壓強度為78MPa。盾構(gòu)在760～1 037 環(huán)（區(qū)間共1 427 環(huán)）為上軟下硬地層，地質(zhì)斷面圖如圖1 所示。

圖1 右線760～1037環(huán)上軟下硬地層地質(zhì)斷面圖

區(qū)間地下水主要為孔隙潛水及微弱承壓水，其中空隙潛水主要位于上部粉土夾碎石中，富水及透水性均一般。

1.2 設(shè)備情況

本工程采用復合式土壓平衡盾構(gòu)機，開挖直徑6 480mm，刀盤為四主梁結(jié)構(gòu)形式，開口率40%。刀盤配置中心雙聯(lián)滾刀4 把，正面單刃滾刀32把，刀高175mm，刮刀36把，邊刮刀8把，刀高130mm，焊接撕裂刀23 把，刀高155mm，保徑刀12把，超挖刀1把，刀盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

2 刀盤損壞情況及原因分析

盾構(gòu)掘進開始地層為粘土層，總長約1 140m，其次是上軟下硬地層，上部為粘土夾碎石，下部為白云巖，總長約415m，最后是粘土及含粘土卵礫石，總長約585m。刀盤初裝刀配置為可更換焊接撕裂刀，在盾構(gòu)掘進至657 環(huán)（985m）處開倉更換為全盤滾刀，刀盤刀具出現(xiàn)損壞主要是在進入上軟下硬地層后。

2.1 施工情況

在 盾 構(gòu) 掘 進 至872 環(huán)（1 308m）時出現(xiàn)螺機無法從土倉內(nèi)排出渣土現(xiàn)象，盾構(gòu)無法正常推進，隨即進行開倉檢查，發(fā)現(xiàn)有黑色帶有異味渾水流出，水壓增高，水流變大，超出頂部排水孔排水速度，人員無法進倉。在872 環(huán)處為上軟下硬地層，上部為黏土夾碎石，下部為白云巖（1/5 黏土夾碎石，4/5 白云巖），隧道頂部埋深25.41m，停機位置如圖3所示。

停機檢查發(fā)現(xiàn)刀盤4 根主動攪拌棒全部斷裂，由于停機位置正處于暉騰鋼構(gòu)廠房地基下部，且土倉內(nèi)充滿渣土，空間有限，無法對刀盤刀具磨損及損壞情況進行進一步檢查；只焊接了一根攪拌棒，盾構(gòu)恢復掘進，緩慢掘進至887 環(huán)（1 330.5m）處進行土體加固停機檢查刀盤刀具狀況。盾構(gòu)掘進主要參數(shù)變化如圖4 所示。

圖3 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 刀盤刀具損壞情況

圖4 盾構(gòu)掘進主要參數(shù)變化曲線

在887 環(huán)停機對土體進行加固開倉檢查刀盤刀具情況，發(fā)現(xiàn)刀盤整體損壞嚴重，其中5#、7#和6#、8#號中心刀掉落，且刀箱損壞，1#、3#和2#、4#中心刀損壞偏磨及10#單刃滾刀損壞，無法正常取出，31#、37#單刃滾刀掉落；泡沫及膨潤土管路損壞嚴重，刀盤盤體中心約1.5m 范圍內(nèi)出現(xiàn)磨損，磨損最大深度約120mm，刀盤刀具損壞情況如圖5 所示。

圖5 盾構(gòu)刀盤刀具損壞情況

2.3 刀盤刀具損壞原因分析

一方面盾構(gòu)在穿越上軟下硬的復合地層時，刀盤刀具受力不均勻，在通過上軟下硬地層分界面時，刀盤刀具尤其是中心區(qū)域滾刀極易發(fā)生損壞，當一把滾刀發(fā)生偏磨或者刀圈崩裂而失效時，會影響相鄰滾刀的破巖效果，尤其是通過下部硬巖地層時，在盾構(gòu)推力作用下，刀盤下部受到偏載力，加劇了相鄰刀具的損壞，若未能及時發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)持續(xù)掘進，造成刀盤結(jié)構(gòu)本體直接與巖石摩擦，導致刀盤本體結(jié)構(gòu)磨損。

另一方面刀盤中心滾刀安裝方式采用螺栓連接，滾刀與巖石之間的作用力直接由緊固螺栓承擔。盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工時，中心滾刀受到分界面巖層的反復沖擊，安裝螺栓容易發(fā)生松動，需要按時開倉檢查安裝螺栓緊固情況。由于此段上軟下硬區(qū)間位于暉騰鋼構(gòu)廠房下部，不具備進倉檢查刀具的條件。同時通過施工掘進參數(shù)分析，中心刀脫落失效對盾構(gòu)整體掘進參數(shù)影響不是太大，由于中心刀處于中心位置，當中心刀脫落后，對刀盤的扭矩、推力影響不如邊滾刀那樣顯著，故未引起操作人員的重視，刀盤繼續(xù)研磨掘進，加劇了整個刀盤刀箱的損壞。

3 刀盤修復方案措施

通過進倉對刀盤刀具損壞情況進行測量分析，需要將0～10#滾刀范圍內(nèi)的刀盤正面本體結(jié)構(gòu)、刀箱、耐磨板進行焊接修復，同時將泡沫改良管路進行疏通恢復，將斷裂的刀盤攪拌棒進行焊接修復。

3.1 刀盤修復要求及準備

刀盤修復作業(yè)需要在刀盤中心磨損區(qū)域前開辟一定操作空間，能夠?qū)嵤怏w切割和電焊作業(yè)，實現(xiàn)掌子面穩(wěn)定和保持通風，并及時排水。由于此處為上軟下硬地層，需要對周邊地層進行地面注漿加固處理，達到掌子面穩(wěn)定，然后在掌子面開辟維修空間，維修空間深1m，寬3m，高2.5m，如圖6 所示。

圖6 刀盤維修空間示意圖

3.2 刀盤修復方案流程

刀盤修復方案流程內(nèi)容如圖7 所示。

3.3 刀盤修復具體施工及控制要點

3.3.1 刀盤結(jié)構(gòu)修復

1）刨除中心區(qū)域磨損滾刀刀箱、刮刀刀座、加強筋板和中心刀盤噴口，對磨損刀梁進行打磨或火焰切割修整，打磨完后測量磨損刀梁各部位剩余寬度。

2）通過測得數(shù)值現(xiàn)場校核每塊下料鋼板的尺寸，并進行局部修整。

圖7 刀盤修復方案流程

3）根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)中心區(qū)域磨損的具體尺寸，可以采用整體下料的方式修復，減少洞內(nèi)焊接變形及焊接工作量，如圖8 所示。

圖8 刀盤中心區(qū)域結(jié)構(gòu)整體下料修復

4）新下料結(jié)構(gòu)與刀盤本體之間的焊接方式如圖9 所示。

3.3.2 新制中心滾刀刀箱定位和焊接

1）需根據(jù)刀盤總圖明細表，分別采購相應(yīng)數(shù)量中心雙聯(lián)滾刀刀箱及安裝所需螺栓。

圖9 刀盤主梁及筋板焊接示意圖

2）在拼焊中心滾刀刀箱時，短中心刀箱可以在地面拼焊完成，由人倉運入土倉內(nèi)部，長中心刀箱需在土倉內(nèi)部完成拼焊。

3）考慮土倉作業(yè)環(huán)境，滾刀刀箱定位時，可根據(jù)刀箱背部進行定位，具體根據(jù)刀盤已安裝滾刀刀箱，使重新定位滾刀刀箱背部與已安裝滾刀刀箱均處于同一平面；針對中心滾刀刀箱，若刀盤中心結(jié)構(gòu)未產(chǎn)生變形，則可以根據(jù)舊刀箱位置做標記定位，或者通過工裝或重錘線，使單刃滾刀刀箱安裝新刀后，該刀尖與中心滾刀刀箱安裝新刀刀尖處于同一平面，刀箱的焊接示意如圖10 所示。

圖10 中心刀箱焊接示意圖

3.3.3 新制刀盤噴口定位和焊接

新制掉落刀盤噴口按照要求定位并焊接，固定刀盤噴口，同時管路與噴口焊接，管路焊接完后，需焊接δ10mm 的鋼板對管路進行保護，刀盤噴口焊接如圖11 所示。

圖11 刀盤噴口剖視圖

3.4 土倉焊接及其他作業(yè)要求

1）為便于土倉內(nèi)打磨、定位和焊接等作業(yè)，刀盤在此過程中需頻繁旋轉(zhuǎn)，故需保證土倉整個環(huán)境土體巖層的穩(wěn)定，及主控室操作司機的密切配合。

2）土倉作業(yè)時焊接所產(chǎn)生的煙霧比較大，內(nèi)部環(huán)境溫度較高，需保證土倉具有較好的空氣流通，特別是作業(yè)人員的正常呼吸。

3）磨損主梁焊接面需打磨見金屬光澤，采用多層多道焊接，保證主梁連接強度。

4）鋼板焊前坡口需預熱及焊后保溫，同時注意控制焊接變形，必要時可打工藝輔助支撐梁，保證刀箱安裝。

4 總結(jié)及建議

1）在盾構(gòu)選型前，應(yīng)對區(qū)間地質(zhì)狀況做好充分研究，尤其是在重大風險源及上軟下硬地層變換處，應(yīng)增加地質(zhì)補勘。同時盾構(gòu)刀盤刀具做好針對性設(shè)計，提前制定好刀盤刀具的檢查和更換方案以及應(yīng)對突發(fā)情況的針對性措施。

2）在盾構(gòu)施工掘進過程中應(yīng)加強對刀盤刀具的檢查，及時更換磨損達到極限的刀具，同時加強對掘進參數(shù)的監(jiān)控及分析，尤其是在上軟下硬地層掘進時，參數(shù)出現(xiàn)異常時應(yīng)及時的停機查找原因，避免盾構(gòu)造成進一步的損壞。

3）通過制定合理的刀盤修復方案及修復工藝，以及在刀盤修復過程中對焊接質(zhì)量進行嚴格把控，使刀盤結(jié)構(gòu)基本恢復到出廠狀態(tài)，保證了剩余區(qū)間長度的順利掘進。