盾构常压开仓换刀施工技术

盾构常压开仓换刀施工技术

邢凯晨

广州轨道交通监理有限公司  广东广州  510000

摘要：根据佛山市轨道交通三号线土建3206-1标兴业路站~太平站盾构区间现场施工情况，总结了盾构机在长距离泥质粉砂岩的较硬地层中掘进时，遇到的推进参数异常、刀具磨损、常压开仓换刀等问题，同时对其原因进行了具体分析，给出了详细的解决措施，后续施工进度及质量均取得了良好效果，在类似工程中具有一定的参考意义。

关键词：盾构掘进；刀具磨损；常压开仓；更换刀具

1、项目工程概况

本盾构区间为佛山市城市轨道交通三号线3106-1标土建工程兴业路~太平站盾构区间，

主要穿越地层为<6>全风化红层碎屑岩、<7-1>强风化泥岩、<7-2>强风化泥质粉细砂岩、<7-3>强风化中粗砂岩、<8-1>中风化泥岩、<8-2>中风化粉细砂岩、<8-3>中风化中粗砂岩、<9-2>微风化粉砂岩。截至开仓位置盾构总掘进长度1518m。

2、掘进中出现的异常情况及原因分析

在区间第1012环掘进过程中，盾构机推力加至15000~17000kN，刀盘扭矩在20000~5000kN·m之间跳变，推进速度15~40mm/min，渣温40~50℃，参数异常严重，现场停机处理。

经各方讨论，并结合公司盾构专家意见及类似问题处理经验，分析此次盾构机掘进参数异常主要由以下原因导致：

（1）滚刀磨损。区间右线所使用盾构机刀盘配置有中心双刃滚刀、单刃正滚刀、边缘滚刀三种，不同刀具出现磨损后会对推进造成影响：

①中心双刃滚刀及正面单刃滚刀磨损，导致盾构机对开挖面切削效果变差、贯入度偏低。部分滚刀偏磨或磨损程度相差较大导致盾构机参数发生跳变；

②边缘滚刀磨损导致盾构机开挖面直径减小，从而造成盾构机盾体与地层的间隙减小，摩擦阻力增大，盾构机无法有效推进。

（2）土仓隔板、刀盘结泥较多。土仓隔板结泥会导致主驱动散热不佳，盾构推进系统频繁报警、跳停，严重影响施工进度；刀盘结泥会造成刀具工作状态异常，发生滚刀偏磨、损坏甚至失效等异常状况，从而使盾构机推力增加，速度反而降低。

3、刀具磨损机理及损坏种类

3.1刀具磨损简要机理

盾构机刀具磨损的简要机理大致可分为表3.1所示五种类型。

表3.1 刀具磨损的基本机理

在这五种磨损机理的影响下，刀具磨损机理的表现形式主要有以下几种：

（1）显微切削：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小；

（2）疲劳(微观犁皱或微观压入)：表面微观部分受循环变应力产生重复变形 导致裂纹形成，最终使表面产生破损；

（3）粘着：两接触表面局部的粘着使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损；

（4）龟裂：材料表面受到垂直应力的反复作用，产生显微裂纹。

3.2刀具损坏种类

一般来说，盾构机刀具损坏有以下几种情况：

（1）正常磨损。刀具的正常磨损是指刀圈的磨损量超过了规定值，磨损量可用专用的量具进行测量；

（2）刀圈偏磨。如果滚刀在掘进时不转动，刀圈和掌子面的相对运动就会形成刀圈的偏磨。由于中心区滚刀线速度较小，承受载荷较大，中心区滚刀容易出现此现象；

（3）刀圈断裂。盾构机推力过大或刀圈在比较硬的岩石上滚动则可能使刀圈断裂，若一个刀圈有两处断裂，断裂的部分刀圈就有可能掉到土舱。相对而言边缘滚刀和正面滚刀经常出现此现象；

（4）滚刀的多边形磨损。在掘进时滚刀时转时不转，或者在某个点转动时间长在其它点转动时间短，就会产生这样的磨损；

（5）表面缺陷。如果有金属或其它坚硬物损坏了刀圈的局部表面，刀圈局部表面就会形成表面缺陷；

（6）刀圈挡圈磨损或脱落。挡圈是由两个半圆的钢环安装在滚刀轴的卡槽里焊接成一个完整的圆环，其作用是防止刀圈从滚刀轴上脱落，如果刀圈挡圈脱落或焊接处磨损严重，就应该更换刀具；

（7）滚刀漏油。由于刀具密封件的损坏，则可能导致密封油泄漏，从而造成油封座和轮毂的损坏；

（8）轮毂磨损。刀盘和渣土不间断的摩擦，可能使得滚刀轮毂也发生严重磨损；

（9）油封座损坏。由于漏油使得油封座损坏；

（10）轮毂卡顿。刀圈如果在金属物（掉了的刀圈或螺帽）上滚动，轮毂则有可能被卡住，从而妨碍刀圈绕着滚刀中心轴自由转动。

4、刀具磨损原因分析

通过对全国各地较硬地层现场盾构施工的观察及分析，刀具磨损一般有如下原因：

（1）掌子面地层强度较大，对刀具磨损量较大；

（2）刮刀出现磨损、脱落、崩裂等情况，尤其是边刮刀磨损严重，导致滚刀对掌子面进行破碎后，硬岩渣无法正常刮落，辅助刀具对滚刀失去保护作用，从而使滚刀受损；

（3）盾构机纠偏时幅度过大，调节推进姿态时各分组油缸压力差过大，使刀盘面受力不均，导致刀盘转动时，不同位置的滚刀所受阻力扭矩不同，旋转不同步，引起刀圈偏磨；

（4）刀具楔块发生松动，甚至部分刀具固定螺栓松脱。这种情况在掘进时，松动的刀具随着刀盘转动，刀轴也会发生抖动造成刀具无法正常受力破岩，从而影响刀具寿命；

（5）刀具启动扭矩不一样，导致在同一圈旋转轨迹上的刀具各自受力不同而磨损；

（6）盾构机推进过程中刀盘运转速度过高，推力过大，加剧刀具损坏。

因为本区间主要穿越地层为泥质粉砂岩，所以地层中石英含量较高、刀盘转速及推力过大、纠偏幅度过大是导致本区间刀具磨损的主要原因。

5、刀具更换完成后盾构机掘进状态

区间右线换刀完成后恢复推进，推进过程中主要采取了以下改进措施：

（1）稳定刀盘转速，根据现场实际操作，确定当刀盘转速为1.8rpm左右时，最有利于盾构机掘进；

（2）减小推进油缸推力，禁止为了盲目追求推进速度而刻意加大推力；

（3）加强管片选型，控制纠偏量，每环纠偏量严禁大于5mm。

采取相关措施后，盾构机推进参数状态良好。恢复推进后部分环推进参数如表9.1所示，可见换刀后渣温下降，刀盘扭矩、推进速度与推力相匹配。

    换刀完成后，盾构机再次推进300余环顺利接收。隧道贯通后，对刀具再次进行了检查，各刀具仅轻微磨损，说明各项措施对刀具的保护起到了良好的效果。

6、总结

当盾构机在较硬地层中长距离掘进时，应采取以下措施，确保刀具工作状态良好，提高施工质量和进度：

（1）提前准备刀具，筹划开仓时机，定期开仓观察刀具工作状态，根据实际情况更换刀具，提高盾构机掘进效率；

（2）控制推力及刀盘转速等掘进参数，减少刀具磨损量，降低换刀频次；

（3）地层自稳行较好时可采取空仓或半仓掘进，加快螺旋机转速，减少渣土积压；

（4）提高泡沫质量，降低刀具温度，润滑刀具。当土仓内渣土较干或者刀盘扭矩变大时，应及时调整渣土改良参数，降低渣土对刀具的摩擦力，从而起到保护刀具的作用；

（5）在保证姿态的情况下尽量控制各个分区压力相差不要太大（50bar以内），在粉砂岩地层中每一环姿态调整量应控制在5mm以内；

（6）及时关注掘进参数变化，发现有异常时立即开仓检查刀具及掌子面情况。

本标段后续其余盾构区间施工过程中采取上述措施加强刀具保护，取得了良好的效果。在其余区间掘进过程中未发生参数异常跳变，刀具磨损量减少，推进速度大幅提高，总体工程进度得到保障。