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地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术

日期: 2017-07-19    来源:土木工程集团有限公司 作者:王 凯

  [摘要]结合北京地铁某标段施工过程中遇到的盾构机刀具严重磨损和刀盘失效等问题,在常压的条件下进仓对刀盘进行了改造并更换了全部的刀具,取得了在北京砂卵石地质条件下刀盘设计和刀具布置的经验; 并对盾构机的刀盘设计、刀具布置、刀具改造技术以及在施工过程的紧急状态下对刀盘和刀具进行修复改造的技术进行了初步的研究和探讨。

  [关键词]盾构机; 刀盘; 刀具; 改造

  盾构法是地铁区间隧道施工常用的方法,地质水文适应能力强,对地面交通影响很小,对施工周边环境的振动和噪声等干扰较小,地面沉降控制比较好,对周边地下管线、地面建筑物和构筑物及周围环境的影响比较小,施工速度比较快,工程质量比较高。

  北京地铁某标段区间盾构隧道括两个区间盾构和若干个联络通道,隧道穿越的地层主要为粉细砂、圆砾和黏质粉土和砂质粉土。选型一台广州海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机,面板式刀盘,开孔率为 30% ,采用机电一体化的液压驱动系统。

  1 、工程概况

  1. 1 工程基本情况及设备选型

  北京地铁某标段土建施工包括两个区间盾构施工和各个区间的联络通道,线路均为双线。第 1 个区间全长754. 172m,轨顶距地表14 —— 14. 5m; 第2 个区间全长 666. 564m,轨顶距地表 14 —— 21m。隧道结构内径 5 400mm,外径 6 000mm。钢筋混土管片,厚 0. 3m,宽 1. 2m,采用普通环管片,错缝拼装。

  本标段区间隧道处于北京永定河冲洪积扇轴部。

  整体地势较平坦,地面标高在 44. 80 —— 45. 70m。地层土质自上而下,依次为人工填土层( Qml) 、第四纪全新世冲洪积地层( Q4al + pl) 、第四纪晚更新世冲洪积地层( Q4al + pl) 。地下水为上层滞水、潜水和承压水。隧道围岩具有上软下硬的特点。第 1 区间隧道埋深 8. 2 —— 9. 5m,隧道上部为黏质粉土砂质粉土层及粉质黏土层,洞身穿越黏质粉土砂质粉土层及粉质黏土层、粉细砂层、圆砾层,下部为圆砾层; 局部地段隧道底部进入潜水层,未 进 入 承 压 水。第 2 区 间 隧 道 埋 深14. 8 —— 15. 6m,隧道上部为粉土层、粉土层和中粗砂层,洞身穿越中粗砂层、圆砾层、黏质粉土砂质粉土层和粉质黏土重粉质黏土层,下部为圆砾层、黏质粉土砂质粉土层和粉质黏土重粉质黏土层; 隧道进入潜水层,一部分进入承压水层。

  本标段地面周边环境比较复杂。沿线道路为市区交通要道,经过商业中心和繁华闹市,地面交通繁忙,交通量很大。隧道从密集商业建筑物和城市住宅区下穿过,建筑物大多比较老旧,文物和危房比较多; 地下管线比较多,包括自来水、雨污水、供热、电力、通信等多种管线。

  鉴于隧道穿过的地层为软弱地层,以砂质粉土、粉质黏土、粉细砂层、圆砾层、卵石层等为主,且含水量丰富,大部分在潜水层中,部分段进入承压水。为满足能适应上述不同地质情况的要求,盾构机的选型和设计是关键。采用广州海瑞克生产的土压平衡盾构机施工[1-3]。盾构机直径 6. 25m,总推力 25 300kN,最大扭矩 4 700kN·m,总功率 942kW,单液同步注浆。开挖断面直径 6. 28m,隧道底板最大埋深约为 15m。

  1. 2 刀盘形式

  盾构机刀盘设计在德国完成。考虑到该区间隧道的地质条件和埋深小于 25m,并对面板式和辐条式两种刀盘特性进行比较,采用面板式刀盘,既能满足隧道施工需要和提供较好的掘进性能,同时具有适应能力强( 尤其是砂卵石地层) 和更换刀具更安全、方面的特点,选择了面板式刀盘。刀盘结构采用中间梁支承[4],面板式全断面回转切削方式,刀盘开口率为 35% 。

  1. 3 刀具形式和切削方式的选择

  考虑到隧道穿越的地层主要是黏质粉土砂质粉土层、粉质黏土层、粉细砂层、圆砾层,针对不同地质而不同的切削要求,刀盘设计设置了切削刀( 齿刀,见图1) 、盘圈刀( 周边刀,见图 2) 、中心刀( 见图 3) 等几种刀具,没有选择滚刀。切削刀的 β( 前角) 和 α( 后角)值均为 15°。

  

      图 1 齿刀 

  

        图 2 球齿耐磨周边刀

  刀具在刀盘的布置如图 4 所示。周边刀( 盘圈刀或圆弧刀) 8 把,设球齿耐磨颗粒,沿刀盘周边布置; 齿刀( 切削刀或割刀) 80 把,突出刀盘面板,按全断面切削排列; 中心刀设一把,按鼻型半翼布置; 考虑到区间隧道黏性土、粉质黏土何砂性土为主,没有设置撕裂刀和超前刀。

  

图 3 半翼中心刀

图 4 刀盘刀具布置

  从工程的实践看,上述刀具的布置存在一定的问题,主要是没有充分考虑北京的砂卵石的条件,没有设置撕裂刀和超前刀,周边刀只设球齿耐磨颗粒,耐磨性能不足,同时没有设周边保护刀,中心刀切削力度不够。

  2 、施工中的刀盘修复和改造

  2. 1 施工过程中发生的刀具和刀盘严重磨损

  本标段从第 2 个区间开始隧道掘进施工,第 2 个区间完成后,盾构机再掘进施工第 1 个区间。盾构机在第 2 个区间始发后,当掘进至在 282 环开始,推进速度放慢,推力和扭矩增大,泡沫注入量开始增大; 掘进至 287 环时,推进速度明显减缓,刀盘扭矩增大,泡沫注入量大量增加,渣土温度较高,推进耗时约 219 分钟; 至 288 环时,刀盘扭矩快速剧烈上升,推进停止。掘进速度曲线如图 5 所示,推进时间曲线如图 6 所示,泡沫用量曲线如图 7 所示,推力曲线如图 8 所示。

  

图 5 掘进速度曲线

  

图 6 推进时间曲线

  

图 7 泡沫用量曲线

  

图 8 推力曲线

  当时盾构机所处的地质条件如图 9 所示。经过分析,发生此现象的主要原因可能是之前在黏土和圆砾层掘进中,黏土在刀盘中部黏结,在挤压和相互间摩擦的作用下,膨润土、泡沫和地层中的砂石黏土在刀盘中部发生固结,刀盘开口率逐渐减小。在第287 和 288 两环的施工过程中,刀盘开口率迅速减小,造成排土不畅,扭矩和推力增大。同时,通过进一步的对附近人防工程勘测调查,排除了既有人防工程坍塌所致的可能。海瑞克在其他国家曾有过相似经验,都是加压进舱人工清理解决。对此问题,项目和专家均认为必须立即进仓进行检查,对刀臂及刀盘用高压水冲洗进行清理才能恢复盾构正常施工。同时,在进仓前要对刀盘上方土体进行雷达探测,并进行加压进仓前的气密性试验,制定周密的方案,保证工作的安全。经量测,盾构机位置附近的地面沉降趋于稳定。

  经过雷达探测,在刀盘上方土体没有发现明显的空洞,但是存在疏松层。盾构土仓控制控制在刀盘直径的三分之一左右,以尽量维持对开挖面的土压力。在盾构机停止后,为了保持开挖面的稳定,应向土仓内注入高压空气。在加压时,为控制由于开挖面土体内水被排挤而造成的漏气,可以较长时间保持土仓内的压力,要向土仓内加注稠膨润土,在开挖面形成膨润土泥膜。通过注入膨润土浆液对周边地层进行改善后,压力损失速度有所减慢,但对气压作业还是不够,主要原因是因为盾构处于圆砾地层,地层空隙率较大,浆液散失过快。即使在更换品质较好的膨润土并同时提高浆液重度,但仍无法维持压力的相对稳定。随后改用聚合物注入刀盘外侧和土仓内进行护壁处理,压力到目前基本维持稳定,达到气压作业要求。

  

图9 盾构机所在位置地质横断图( K9 + 124. 52)

  经过周密的安排和准备,在加压进仓进行刀盘和刀具检查时,发现刀盘上方土体已经出现了塌陷的迹象,出现了局部孔洞; 同时,所有的周边刀全部被磨损掉,齿刀磨损严重,尤其是紧挨周边刀的齿刀全部被磨损掉,中心刀磨损严重,大部分刀具的安装刀座磨损严重,刀盘面板磨损严重,刀盘耐磨层基本被磨损掉( 见图 10) 。

  经过当时、事后的反复仔细的分析,刀盘和刀具严重磨损的原因主要如下。

  1) 掘进了 280 多环一直没有加压进仓进行刀具例行检查和更换。这主要是因为北京盾构施工中曾多次发生加压进仓失败,导致刀盘上方土体大范围塌陷,甚至引起刀盘上方房屋塌陷。

  2) 盾构机泡沫管堵塞,使泡沫发生效果下降,影响了对土体的改良。

  3) 刀具的选择和布置没有充分考虑北京砂卵石地层的特点,没有设置超前刀、撕裂刀和周边保护刀; 同时中心刀只设置了半翼; 周边刀( 盘圈刀或圆弧刀) 安装的是耐磨球齿,球耐磨效果不佳,且全部崩落,造成周边刀和底座严重磨损。

  

图 10 刀盘严重磨损区域

  装的是耐磨球齿,球耐磨效果不佳,且全部崩落,造成周边刀和底座严重磨损。

  鉴于上述情况,项目部决定在常压下开仓,人工对刀盘本体和刀具、安装基座进行紧急修复,安装新的刀具,并对刀具的选择和布置进行改造,以适应区间砂卵石的地质条件。

  2. 2 常压进仓前的准备

  鉴于上述刀盘和刀具严重磨损的情况,在加压的情况下对刀盘和刀具进行修复的可能性已经不存在了。主要原因如下。

  1) 修复时间较长 长时间加压进仓作业,对仓内工作人员的身体和安全都很不利,同时,也不能保证刀盘上方的土体和建筑物的安全。

  2) 加压环境下,焊接工业困难,难以保证焊接工作的质量。

  3) 加压环境下,工作人员的体力和注意力下降,无法保证长时间安全作业。

  在加压作业的可能性不存在的条件下,只能选择常压进仓,对刀盘和刀具进行修复和改造。

  常压进仓作业的重要前提条件就是要对刀盘上方的土体进行加固,保证土体的稳定,进而保证进仓工作人员和刀盘上方建筑物的安全。

  土体加固选择的加固方式是二重管无收缩双液注浆。由于地面注浆作业区域在市区胡同内,允许作业的场地狭小,因此地面注浆施工采用垂直钻杆和扩散式倾斜钻杆相结合,在局部钻机无法进行钻孔施工的场所采用人工打入钢花管后进行注浆; 盾构机洞内注浆施工,采用从观察窗( 洞) 内向土体内打入钢花管注浆。

  根据地质勘察报告和雷达扫描揭示( 4. 5 —— 6. 5m处有异常区域) 情况,结合隧道已开挖暴露的地质及水文情况,经分析和验算,初步确定注浆范围为: 注浆厚度为 6m( 标高 41. 260 —— 35. 260m) ,宽度为 8. 6m,长度( 隧道轴线方向) 为 11. 2m,如图 11 所示。根据注浆扩散半径计算,孔距采用 1. 0m,平面布孔采用交联等边三角形布置原则,实施时以现场管线及建筑物分布情况,遵循布孔原则合理布置注浆孔位。

  

图11 注浆加固区域( 单位: m)

  为了保证注浆过程中土体和建筑物的稳定和安全,对注浆的压力和注浆管的位置以及浆液的扩散范围要 进 行 严 格 的 控 制。注 浆 压 力 控 制 在 0. 2 ——0. 6MPa; 注浆管的位置控制在胡同内,不能进入建筑物内,从地面进行垂直和倾斜注浆; 浆液扩散防卫尽量控制在刀盘上方土体的左右、下方 4 —— 10m,既保证安全,又防止破坏周边管线。

  成功进行注浆土体加固后,就进行了常压下的进仓作业,对刀盘和刀具进行维修改造。作业前,在在刀盘适当进行人工开挖,并对暴露的土体喷射混凝土。

  2. 3 刀盘和刀具的修复和改造

  对刀盘和刀具进行的修复工作主要包括: ①拆除已经严重磨损的周边刀、齿刀和中心刀; ②拆除严重磨损的周边刀刀座和齿刀刀座; ③安装新的周边刀刀座和齿刀刀座; ④安装新的周边刀和齿刀; ⑤安装新的中心刀; ⑥对磨损严重的刀盘表面进行堆焊耐磨修复。为了保证修复质量,选用了高水平的电焊工。同时选用高质量的碳化钨耐磨焊条、和 E5016 低氢钾型药皮的低碳钢焊条。修复时提高了焊缝堆焊层的层数和高度,以保证修复焊接不低于原厂刀盘的焊接强度。对刀盘和刀具进行的修复工作主要包括:

  1) 周边刀不再采用镶嵌耐磨球齿,改用盘圈贝型刀,即在周边刀堆焊碳化钨耐磨层后,焊接德国海瑞克的碳化钨合金耐磨块,如图 12 所示。盘圈贝型刀专用于切削砂卵石,大大提高了周边刀的耐磨能力[5]。

  

图12 耐磨块周边刀

  2) 增加周边刀的数量,从 8 把增加到 16 把,提高刀盘切削砂卵石的能力。

  3) 增加齿刀( 切削刀) 的数量,从 80 把增加到 160把,在所有的开孔处均设置齿刀,提高刀盘的切削土体能力。

  4) 增加了半翼中心刀,将中心刀从半翼改为一翼,提高刀盘的超前扰动能力。如图 13 所示。

  

图 13 一翼中心刀

  5) 将拆下来的磨损不是很严重的齿刀焊接在周边刀的周围,既可以起到一定的超前的作用,有可以在一定程度上起到周边保护刀的作用。

  6) 将拆下来的磨损不是很严重的齿刀焊接到面板中间位置上,起超前撕裂刀作用。

  7) 将拆下来的磨损不是很严重的齿刀焊接在齿刀附近,和齿刀( 切削刀) 形成主副切削刀的作用,保护齿刀,大大提高刀具的抗磨损( 耗) 能力和延长了刀具的寿命。

  改造后的刀盘如图 13 所示。

  

图 14 改造后的刀盘

  2. 4 刀盘和刀具的修复和改造后的效果

  通过对刀盘和刀具的修复和改造,对于提高刀具的寿命和盾构机的掘进能力,尤其是在砂卵石地层的掘进能力,起到了非常大的作用。同时,加大了例行加压开仓进行刀具检查的力度,对磨损达到一定程度的刀具进行适时的更换,保证了盾构机的快速掘进。盾构机始发后,至 288 环常压开仓修刀,只掘进了288 环,即更换了所有的刀具( 88 把) 。而从第 289 环至第 2 个 区 间 隧 道 完 成 掘 进 共 1 026 环,只 更 换 了( 43) 把刀具。而第一个区间共 1 256 环,只加压进仓检查刀具两次,没有更换一把刀具。当然,这有地质条件变化的原因,但同时也有力地说明了在对刀盘和刀具的修复和改造后,对提高刀具的寿命和盾构机的掘进能力,尤其是在砂卵石地层的掘进能力,起到了非常大的作用。

  3 、结论与建议

  3. 1 结论

  北京的地质条件,尤其是砂卵石,对于盾构机的掘进和刀盘的设计、刀具选择,需要有谨慎的考量。正是由于对于砂卵石的不重视以及整个北京盾构施工界的经验不足,造成了这次刀盘和刀具的大范围的严重磨损和修复、改造。同时,也正是由于对砂卵石的重视,才使得这次的修复和改造非常成功,对于保证完成工期,创造掘进记录起到了非常重要的作用。

  应该说,这次的经验是非常宝贵的,总结如下:

  1) 周边刀合金耐磨块对砂卵石地层的切削能力要远远强于耐磨球齿颗粒。

  2) 增加刀具的数量,可以大大提高刀具的切削能力和使用寿命。

  3) 各种超前刀和撕裂刀对于保护周边刀和齿刀( 切削刀) 是可以起到相当意义的作用的。

  4) 客观意义上的主副刀对于保护齿刀,延长齿刀的寿命也能起到很好的作用。

  5) 半翼鼻型布置的中心刀的超前扰动作用不如一翼布置的中心刀。

  3. 2 建议

  鉴于刀盘设计的现状,有一些改造当时只能限于设想,无法实现,现在作为建议提出来:

  1) 中心刀应该设计为鱼尾刀,如日本产的盾 构机[6],相比鼻型布置的中心刀,鱼尾刀的超前扰动能力和超前切削能力能强,同时对切削下来的土体的翻转搅动能力也更强,可以更好得解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性,大大提高盾构机整体掘进水平。这在第一个区间比较明显,在该区间,中心刀位置上的砂性黏土和粉质黏土混合膨润土、泡沫,在刀盘挤压和摩擦力的作用下,在中心刀位置( 刀盘中部) 发生大面积固结现象[7],是盾构机的扭矩和推力增加,掘进速度下降,不得不加压进仓清除固结的土饼。

  2) 在刀具布置设计上面,应该适当地增加各种超前刀和撕裂刀的数量,以保护各种刀具,延长刀具的寿命,提高盾构机的掘进能力。

  3) 对齿刀可以尝试进行刃口部位的耐磨堆焊处理,增加耐磨堆焊层的厚度,提高刃口的耐磨和抗冲击破坏能力。

  4) 对刀具本体进行耐磨堆焊处理,提高刀具本体的耐磨和抗冲击破坏的能力[8]。

  5) 对周边刀的耐磨材料,是选用镶嵌硬质合金耐磨球齿颗粒,还是选用钨碳合金耐磨块,需要根据地质条件慎重选择。

  6) 对北京的砂卵石地层,应该适当增加刀盘的开口率,或者采用面板 —— 辐条式的符合刀盘设计,甚至选2016 增刊 王 凯: 地铁盾构机施工中的刀盘及刀具改造技术 407

  用辐条式刀盘[9]。鉴于国内对于刀具和刀具布置的多年的研究,以及国产刀具的优良的性价比,对于地质条件良好( 无砂石地层) 的盾构隧道,在具有一定的加压开仓换刀的能力的条件小,建议试用国产刀具。

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