盾構(gòu)開倉(cāng)檢修更換刀具施工關(guān)鍵技術(shù)研究

常潤(rùn)安 胡俊

摘 要：以北京地鐵17號(hào)線朝陽(yáng)港站至十里河站區(qū)間左線盾構(gòu)開倉(cāng)檢修換刀為工程背景，介紹一種盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)檢修更換刀具的新工法。對(duì)該工程的換刀原因和施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹該工法的施工工藝、施工參數(shù)、控制措施和最終實(shí)施效果等。盾構(gòu)機(jī)直徑的改變、素混凝土墻的尺寸可參考本工法做適當(dāng)調(diào)整，為今后類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)開倉(cāng);北京地鐵;更換刀具;素混凝土墻

Abstract：Based on the engineering background of the left line of shield repair open tool change between Chaoyang Port station and Shilihe Station of Beijing metro line 17， this paper introduces a new method of shield machine shield repair open tool change. In this paper， the reason and construction risk of the project are analyzed， and the construction process， construction parameters， control measures and final implementation effect of the method are introduced in detail. The diameter of shield machine changes， the size of plain concrete wall can be adjusted according to this method， which can provide technical reference for similar projects in the future.

Keywords：Shield opening; Beijing subway; tool change; plain concrete wall

0 引言

目前，盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道建設(shè)已成為主流工法[1]。盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)刀盤刀具造成磨損，必要時(shí)需進(jìn)行開倉(cāng)檢修更換刀具，可分為有計(jì)劃性換刀和無(wú)計(jì)劃性換刀[2-3]。有計(jì)劃性換刀又分為三種情況：一是換刀位置選土體穩(wěn)定性好的地方，只需進(jìn)行地層封水就能滿足常壓開倉(cāng)換刀;二是換刀位置土體穩(wěn)定性不好，需對(duì)選擇位置事先進(jìn)行土體加固封水，達(dá)到加固要求后方可進(jìn)行常壓開倉(cāng)換刀;三是換刀位置有較厚黏土層時(shí)，可進(jìn)行帶壓開倉(cāng)換刀作業(yè)[4]。無(wú)計(jì)劃性換刀[5]是指在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中遇到各種特殊工況而不得不進(jìn)行開倉(cāng)換刀作業(yè)，常需進(jìn)行帶壓換刀作業(yè)[6]。帶壓換刀作業(yè)操作難度大，處理不好會(huì)造成開挖面失穩(wěn)坍塌，作業(yè)工人產(chǎn)生減壓病癥狀，如骨壞死、耳膜破裂和聽(tīng)力障礙等現(xiàn)象[7]。因此，宜優(yōu)先選擇常壓開倉(cāng)換刀作業(yè)。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)施工人員對(duì)盾構(gòu)開倉(cāng)檢修換刀作業(yè)進(jìn)行了研究。張宗喜等[8]通過(guò)結(jié)合富水砂層中泥水盾構(gòu)帶壓開倉(cāng)換刀作業(yè)具體工程實(shí)例，指出泥膜應(yīng)該全覆蓋掌子面且平均厚度大于5 cm，降壓過(guò)程要分步分階段進(jìn)行，泥膜加壓壓力應(yīng)比切口壓力高出0.05 MPa。譚善文等[9]介紹了盾構(gòu)開倉(cāng)換刀時(shí)液氮凍結(jié)加固地層的方法，實(shí)例表明液氮凍結(jié)法加固地層可為盾構(gòu)開倉(cāng)作業(yè)提供安全保障。黃恒儒[10]針對(duì)盾構(gòu)開倉(cāng)前方掌子面不穩(wěn)定土體置換加固問(wèn)題，開展了非可凝固性漿液和凝固性漿液的配合比試驗(yàn)，選擇出最優(yōu)漿材，并將研究成果在工程實(shí)例中應(yīng)用，取得較好效果。程躍輝等[11]提出了一種砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)開倉(cāng)換刀輔助施工方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)受地面環(huán)境影響造成的地層加固不穩(wěn)固、開倉(cāng)換刀時(shí)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)周邊土體產(chǎn)生擾動(dòng)等問(wèn)題，提高了倉(cāng)內(nèi)人員、地表建筑物及管線安全?？梢钥闯?，前人主要是在土體加固方法及盾構(gòu)開倉(cāng)換刀時(shí)的新設(shè)備和新材料上進(jìn)行探索。

本文以北京地鐵17號(hào)線朝陽(yáng)港站至十里河站區(qū)間左線盾構(gòu)開倉(cāng)檢修換刀為工程背景，介紹一種盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)檢修更換刀具的新施工方法，對(duì)該工程的換刀原因和施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，運(yùn)用素混凝土墻這種新的加固地層方法，詳細(xì)介紹該工法的施工工藝、施工參數(shù)、控制措施和最終實(shí)施效果等，為今后類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

1 工程概況

北京地鐵17號(hào)線朝陽(yáng)港站至十里河站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)由東南四環(huán)向東南三環(huán)方向掘進(jìn)。區(qū)間工程設(shè)計(jì)所采用的施工方法包括明挖法、盾構(gòu)法及礦山法，整個(gè)區(qū)間共設(shè)置5處聯(lián)絡(luò)通道。其中盾構(gòu)區(qū)間起終里程：左K12+658.162—左K16+174.717，全長(zhǎng)3 516.555 m;右K12+658.162—右K16+113.851，全長(zhǎng)3 455.689 m。區(qū)間最小轉(zhuǎn)彎半徑為400 m，最大轉(zhuǎn)彎半徑為3 000 m。區(qū)間平面圖如圖1所示。

由區(qū)間縱剖面圖可知，區(qū)間豎向曲線上大體呈“W”形，最小坡度為0.2%，最大坡度為2.6%。區(qū)間隧道埋深約9.448～23.3 m，線間距約11～30.4 m。隧道洞身開挖深度范圍內(nèi)主要地層為第④—⑧層的粉質(zhì)黏土（黏土）、粉土和飽和的砂土;粉質(zhì)黏土為可塑—硬塑狀態(tài)（黏粒含量平均值約為15.1%～26.4%，最大值為39.1%），粉土、砂土呈中密—密實(shí)狀態(tài)，工程施工主要受地下水層間潛水、層間潛水部分的承壓水和承壓水的影響，局部因上部填土層較厚，可能受上層滯水的影響。

工程在實(shí)施后進(jìn)行了變更，在區(qū)間上大羊坊路與西大望路南延相交路口南側(cè)增設(shè)了十八里店站， 新增車站沿大羊坊路設(shè)置。線路東南至西北走向敷設(shè)，車站設(shè)計(jì)起止點(diǎn)里程為：右K14+ 553.200—右K14+852.400。車站基底持力層主要為：④3粉細(xì)砂層、⑥粉質(zhì)黏土層、⑥2黏質(zhì)粉土層，④3粉細(xì)砂層承載力標(biāo)準(zhǔn)值180 kPa，⑥粉質(zhì)黏土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值180 kPa，⑥2黏質(zhì)粉土層承載力標(biāo)準(zhǔn)值200 kPa。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.6 m厚的地連墻，地下連續(xù)墻采用C35混凝土。最外層鋼筋的混凝土保護(hù)層厚度：外側(cè)70 mm，內(nèi)側(cè)70 mm。新設(shè)車站地質(zhì)剖面圖如圖2所示。采用“先隧后站”施工方法，盾構(gòu)掘進(jìn)

至新加站圍護(hù)結(jié)構(gòu)前10 m，等待車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工后，盾構(gòu)破除車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)，拼管片（通縫拼裝）通過(guò)十八里店站，待盾構(gòu)區(qū)間施工完畢后再施工新加車站主體結(jié)構(gòu)。

綜合考慮實(shí)際施工情況及業(yè)主施工籌劃要求后決定，若刀具在切削2道地連墻后磨損較大（依據(jù)切削地連墻前后掘進(jìn)參數(shù)判斷），則分別在左線和右線盾構(gòu)機(jī)通過(guò)地連墻后對(duì)刀具進(jìn)行檢修及更換，確保剩余區(qū)間順利完工;若刀具磨損不嚴(yán)重，則無(wú)需換刀檢修，盾構(gòu)繼續(xù)正常掘進(jìn)至十里河接收井接收。

2 換刀原因及風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 原因分析

盾構(gòu)機(jī)過(guò)十八里店站需要穿越2次地連墻，在穿越1次地連墻之后，左線盾構(gòu)已經(jīng)掘進(jìn)至1 782環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)停機(jī)保壓，距離十八里店站北端頭第2次需穿越的地連墻38.5 m，左線盾構(gòu)機(jī)停機(jī)保壓位置如圖3所示。經(jīng)分析，此時(shí)，需要對(duì)左線盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)開倉(cāng)檢修更換刀具，原因如下：

（1）對(duì)比左線盾構(gòu)機(jī)在切削地連墻進(jìn)入新加的十八里店站前后施工參數(shù)發(fā)現(xiàn)，相似地質(zhì)狀況下，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化明顯：掘進(jìn)時(shí)，推力由8 000～10 000 kN增長(zhǎng)至16 000～17 000 kN，而切削速度卻由6～7 cm/min降低至3～4 cm/min;同時(shí)，刀盤平均扭矩自2 000 kN·m增長(zhǎng)至4 600 kN·m。據(jù)此分析判斷，左線盾構(gòu)刀盤刀具（初步推測(cè)至少為邊切刀及保徑刀）出現(xiàn)較大磨損。

（2）左線盾構(gòu)刀盤刀具配置主要為軟土刀具，始發(fā)切削地連墻及過(guò)新加站切削地連墻，造成軟土刀具磨損過(guò)大。

（3）左線盾構(gòu)已掘進(jìn)1 782環(huán)（2 138.4 m），在粉質(zhì)黏土與粉細(xì)砂復(fù)合地層條件下長(zhǎng)距離掘進(jìn)導(dǎo)致刀盤刀具磨損較大。

（4）相較于新加站前區(qū)間穿越地層（砂層占比較少），新加站之后區(qū)間穿越地層主要為中粗砂與粉細(xì)砂（占比約4/5），且有部分圓礫，該地質(zhì)對(duì)刀具磨損傷害更大，若不檢修換刀，刀具磨損會(huì)進(jìn)一步加大，造成盾構(gòu)可能無(wú)法正常施工。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

本次開倉(cāng)換刀地點(diǎn)位于新加站十八里店車站內(nèi)，此時(shí)新加站十八里店站地連墻施工已完成98%，所涉及車站基坑內(nèi)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)建（構(gòu)）筑物及管線改遷已完成。 施工可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表1。

1 氣體

檢測(cè) 會(huì)發(fā)生爆炸或?qū)е氯梭w中毒等 人員傷害 定期進(jìn)行氣體置換，配備有害氣體檢測(cè)儀及防毒面具，及時(shí)組織人員撤離

2 機(jī)械

設(shè)備 機(jī)械設(shè)備（如空壓機(jī)、壓力表、消音器、閘閥、管路等）故障 地面塌陷，人員傷害 加強(qiáng)設(shè)備日常巡檢，開倉(cāng)前對(duì)所有機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)、維修、保養(yǎng)、試運(yùn)行及壓力表標(biāo)定，在試運(yùn)行合格后方可開倉(cāng)作業(yè);遇緊急情況及時(shí)啟動(dòng)備用設(shè)備

3 施工

3 盾構(gòu)開倉(cāng)換刀方案

盾構(gòu)區(qū)間在距離北端頭地連墻30 m位置（里程：ZK14+823.18）處設(shè)置加固地層（素混凝土墻）進(jìn)行換刀作業(yè)。設(shè)置素混凝土墻位置周邊無(wú)風(fēng)險(xiǎn)建（構(gòu)）筑物，且管線已改遷完成。隧道頂部地質(zhì)從上往下為：雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、 黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、黏質(zhì)粉土。該位置隧道拱頂埋深與水位線關(guān)系：隧道拱頂埋深為10.69 m，地下水位線為18.25～22.4 m，位于隧道結(jié)構(gòu)底板下2.21～4.67 m。

3.1 素混凝土墻加固地層

采用現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的成槽設(shè)備，先施工600 mm厚素混凝土墻，待到達(dá)一定強(qiáng)度后再施工1 200 mm厚素混凝土墻，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至素混凝土墻內(nèi)，常壓開倉(cāng)換刀。設(shè)置素混凝土墻寬度為7.2 m，總厚度為1.8 m，高18.24 m，采用C15混凝土澆筑，具體參數(shù)如圖4所示。

3.2 開倉(cāng)換刀施工工藝流程

本工法施工工藝流程如圖5所示。

3.3 總體施工步序

本工法總體施工步驟如下：

（1）盾構(gòu)機(jī)在距離加固區(qū)素混凝土墻位置約10 m處停機(jī)保壓，等待素混凝土墻施工且強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)（≥12 MPa），盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。

（2）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至盾體進(jìn)入素混凝土墻0.2 m后，停止掘進(jìn)。利用前盾與中盾上的預(yù)留注漿孔向盾殼外注聚氨酯止水。

（3）排除土倉(cāng)內(nèi)渣土（約1/2～2/3），同時(shí)通過(guò)螺旋機(jī)出渣口和人倉(cāng)板上的球閥對(duì)土倉(cāng)內(nèi)氣體進(jìn)行檢測(cè)。

（4）倉(cāng)門打開后，首先對(duì)土倉(cāng)頂部以及人倉(cāng)附近左下和右下方空氣進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)掌子面素混凝土墻加固質(zhì)量及掌子面土體穩(wěn)定安全后，方可進(jìn)入土倉(cāng)進(jìn)行下一步檢測(cè)，全面檢測(cè)空氣質(zhì)量合格且判斷地層穩(wěn)定，才能進(jìn)行后續(xù)操作。

（5）上述工作完成后，開始進(jìn)行換刀作業(yè)。開倉(cāng)換刀時(shí)，應(yīng)拆一把換一把，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周，磨損嚴(yán)重刀具應(yīng)全部更換，換刀程序如圖6所示。

4 方案具體控制參數(shù)和措施

4.1 盾構(gòu)機(jī)磨地連墻參數(shù)控制

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至素混凝土墻0.2 m時(shí)停機(jī)，停機(jī)前掘進(jìn)參數(shù)控制如下（根據(jù)掘進(jìn)中的實(shí)際情況調(diào)整）。

（1）刀盤轉(zhuǎn)速：1.0～1.1 r/min（以減小貫入度為準(zhǔn)則適當(dāng)調(diào)整）。

（2）刀盤扭矩：1 200～3 800 kN·m。

（3）總推力：8 000～9 000 kN（根據(jù)掘進(jìn)中的實(shí)際情況調(diào)整）。

（4）推進(jìn)速度：3～5 mm/min。

（5）同步注漿量：4～5 m3，注漿壓力：0.2～0.3 MPa。

（6）出渣量：45～46 m3。

（7）上部土壓：0.08～0.1 MPa。

（8）螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速：3～4 r/min。

（9）以水作為主要的渣土改良劑，加大注水量，降低刀盤溫度，防止刀盤溫度過(guò)高而影響刀具硬質(zhì)合金焊接質(zhì)量。

4.2 刀盤刀具的結(jié)構(gòu)形式

朝陽(yáng)港站至十里河站區(qū)間采用2臺(tái)ZTE 6610土壓盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工，刀盤結(jié)構(gòu)形式及刀具配置見(jiàn)表2。刀盤刀具結(jié)構(gòu)形式如圖7所示。

4.3 刀具檢查內(nèi)容

檢查內(nèi)容包括：①刀具磨損情況;②刀具合金損壞情況;③刀座磨損情況;④刀盤輻條磨損情況;⑤刀盤大圓環(huán)外周磨損情況;⑥刀盤有無(wú)裂紋、牛腿磨損及裂紋情況;⑦攪拌棒磨損情況。

刀具更換與刀盤修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)如下：①正面貝殼刀合金磨損超15 mm（含）的更換;②正面切刀磨損超15 mm（含）的更換;③崩齒的貝殼刀和切刀全部更換;④刀座磨損需修復(fù);⑤刀盤磨損需堆耐磨焊。

4.4 施工控制措施

檢修更換刀具施工控制措施如下。

（1）盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置。盾構(gòu)掘進(jìn)至切口進(jìn)入素混凝土墻0.2 m時(shí)盾構(gòu)停機(jī)。

（2）止水施工。利用前盾與中盾上的預(yù)留注漿孔向盾殼外注聚氨酯止水。

（3）換刀作業(yè)前，確保盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）其他準(zhǔn)備：

① 停止盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，根據(jù)工作面地質(zhì)情況，排出土倉(cāng)內(nèi)1/2～2/3的碴土。

② 檢查盾構(gòu)機(jī)承力墻上的球閥及閘閥，對(duì)堵塞的球閥及閘閥進(jìn)行疏通，保證能夠正常使用。

③ 對(duì)盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行檢查，保證其功能完好。

④開倉(cāng)后做好倉(cāng)內(nèi)照明通風(fēng)，檢修平臺(tái)挖設(shè)，使用氣體檢測(cè)儀每天進(jìn)行氣體檢測(cè)，做好換刀過(guò)程中的相關(guān)配合工作。如果土倉(cāng)內(nèi)的有毒、有害氣體超標(biāo)，要對(duì)隧道進(jìn)行持續(xù)通風(fēng)排除有害氣體。

5 方案實(shí)施效果

本工程于2020年1月7日完成了地層加固措施，2020年1月12日開倉(cāng)檢修換刀作業(yè)。整個(gè)作業(yè)過(guò)程安全順利，取得了成功的應(yīng)用效果。具體工序作業(yè)時(shí)間為：2019年12 月27日至12月30日共4 d作業(yè)完成素混凝土墻導(dǎo)墻施工;2020年1月2日至7日共6 d作業(yè)完成素混凝土墻成槽及澆筑施工;2020年1月12日作業(yè)完成了通風(fēng)檢測(cè)、常壓開倉(cāng)清理、搭設(shè)檢修平臺(tái);2020年1月13日至1月14日共2 d作業(yè)完成了刀具檢修更換。

導(dǎo)墻施工是素混凝土地連墻施工的重要準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，其主要作用是為成槽導(dǎo)向，控制標(biāo)高，控制槽段垂直度、位置和鋼筋網(wǎng)定位，防止槽口坍塌及承重作用，本工程導(dǎo)墻的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C15。根據(jù)施工圖紙，導(dǎo)墻形式采用“L”型，配筋圖及現(xiàn)場(chǎng)施工圖如圖8所示。

換刀前掘進(jìn)時(shí)同步注漿量按照每環(huán)4.5方控制;按方案要求通過(guò)盾殼管路徑向周圍注入聚氨酯進(jìn)行止水施工;盾尾后7環(huán)、5環(huán)管片壁后二次注漿加固（做止水環(huán)）。止水效果如圖9所示。

盾構(gòu)開倉(cāng)3 d作業(yè)完成了開倉(cāng)換氣、刀具檢修更換，檢修更換刀具效果如圖10所示。

刀盤扭矩變化曲線如圖11所示。當(dāng)左線盾構(gòu)掘進(jìn)至1 782環(huán)時(shí)，刀盤扭矩增長(zhǎng)至4 600 kN·m，結(jié)合推力變化情況判斷左線盾構(gòu)刀盤刀具出現(xiàn)較大磨損。刀具更換完畢恢復(fù)掘進(jìn)后，刀盤扭矩恢復(fù)到正常平均值2 000 kN·m，可見(jiàn)刀盤刀具更換后效果良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以北京地鐵17號(hào)線朝陽(yáng)港站至十里河站區(qū)間左線盾構(gòu)開倉(cāng)檢修換刀為工程背景，介紹了一種盾構(gòu)機(jī)開倉(cāng)檢修更換刀具的新施工方法，該方法在盾構(gòu)檢修更換刀具施工時(shí)，先完成地層加固施工，盾體掘進(jìn)至加固體素混凝土墻內(nèi)0.2 m后停機(jī)泄壓，通風(fēng)后進(jìn)行常壓開倉(cāng)換刀作業(yè)。本文中C15素混凝土地連墻的厚度、寬度、高度尺寸主要針對(duì)直徑為6～7 m的盾構(gòu)機(jī)而設(shè)置，對(duì)于其他直徑的盾構(gòu)機(jī)，素混凝土墻的尺寸可參考本工法做適當(dāng)調(diào)整。

本工法在實(shí)際工程中得到了成功應(yīng)用，取得了很好的實(shí)施效果，可為今后類似工程提供技術(shù)參考依據(jù)。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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