提高地铁盾构刀具使用效率规律性及更换安全性研究

提高地铁盾构刀具使用效率规律性及更换安全性研究

刘东启

（中煤隧道工程有限公司，江苏 徐州 221008）

摘要：随着国家大型集成化城市基础设施的建设，地铁建设是不可缺少的一项重要元素，而盾构法施工地铁隧道是最常用的方法之一，盾构机是机械化系统集成安全性很高的设备，在施工过程中除了控制沉降带来的次生安全高风险外，最大的最直接的风险就是复杂地层施工的开仓换刀。本文研究的内容就是在盾构施工中，通过对地质资料、周边环境、盾构机和刀具选型进行合理规划，并在施工中通过控制推进力、扭矩、转速、出土量等参数减少刀具磨损，有效延长开仓换刀周期，并通过推进情况判断，进行专人专业、周期检查、周期清仓、调整刀具、更换刀具、保养刀具，增大刀具使用寿命，降低施工成本，同时进行规律性换刀，安全有序作业，减少安全风险。为地铁盾构制造单位、设计单位和施工单位提供一定的行业借鉴。

关键词：盾构；开仓换刀；刀具；安全；成本

作者简介：刘东启（1969— ），男，山东菏泽人，高级工程师，本科，研究方向为城市轨道交通、市政工程道路、给排水等工程技术管理。

1 研究背景

随着现代城市集成化发展，单一的地面交通已满足不了城市交通发展的要求，人口密集，街道狭窄，交通拥堵，催化了立体化交通发展的需要，地下交通地铁建设成了现代化都市必不可少的一项硬性指标，至2022年中国北京、上海、广州、深圳、南京、成都、昆明、杭州等45个城市建有自己的地铁，其中港澳台地区占5个，而地铁建设为长距离的地下空间施工，历经四代改革，现在地铁施工基本均为安全快速高效的盾构法施工。

盾构隧道掘进机，简称盾构机。是一种全断面隧道整体掘进的专用工程机械，现代盾构机发展是集机、电、液、光、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送碴土、拼装衬砌成巷、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，具有安全性好、可靠性高、掘进速度快的施工特点。盾构机已广泛用于地铁、公路、市政、铁路、水电等隧道工程。新型机械化、信息化设备的应用，同时也伴随新的安全风险，在大型城市中，高楼林立，人群密集，小小的隐患会隐藏大的安全风险，失控会造成巨大的损失，因此对各种安全风险的管控非常必要，本文就是为减少和避免盾构施工中的更换刀具风险，对刀具更换的规律和安全进行系统的研究，以减少刀具更换风险的频次，提高有效的换刀作业方法，从而降低安全风险。另因采用盾构机械化暗挖技术，施工过程中要求盾构机各部位的功能必须确保万无一失，这就对盾构刀具的质量提出了更高的要求。

地下盾构施工，在正常磨损的条件下，却没有达到预定挖掘距离(如一个施工区间段)或是出现盾构刀具的早期破坏，它是在施工过程中非常难以应对的问题。如地质条件好，可开仓更换刀具；如地质条件恶劣，或刀具损坏下引发的刀盘主轴损坏，只能在无建筑的开阔地带下开凿基坑，大多会开挖检修竖井的方法，来对刀具、刀盘进行更换或修理。一旦隧道在城市的密集建筑地带，如果要对刀具进行修复或更换，就必须采用从盾构机内部通道进入开挖面的办法。故规律性更换有着很大的意义，同时刀具维修和更换作业存在较大的安全风险，如果处理不好，可能危及到个人和整个项目安全。这就是岩石、砂砾等复杂地质条件下地铁施工盾构所面临的一个重大问题。所以，对于规律性更换和安全有序更换刀具作业技术是至关重要的，同时今后开发可靠性强、使用寿命长、质量优的盾构刀具也有重要意义。

冲击、磨损和一定程度腐蚀的恶劣环境，是盾构刀具长期工作的环境，尤其是在含有比较多的砂石地段进行作业，对于刀具的磨损就更加的严重，致使使用寿命大打折扣，对于盾构施工的施工成本和施工效率最直接的影响就是刀具使用寿命的长短，所以，怎样的把新的技术用到提高盾构刀具的抗冲击、抗磨损、耐腐蚀的性能上，从而使成本降低，就成为了我国盾构施工中现有的最为急迫要解决的问题之一。

作为盾构刀具的刀刃，都是由烧结硬质合金组成，它耐磨性好，硬度高，缺点是冲击韧性较低，所以既要保证刀刃的硬度，又要在此基础之上提高刀刃的韧性，这就成为刀具使用寿命提高的一个重要方面。而刀体材料一般采用中低碳钢，其韧性好，强度高，但耐磨性较差，硬度较低，因刀刃是钎焊在刀体上的，过度磨损刀体，会使刀刃脱落，所以，对于刀体容易受到磨损的部位，要大大的提高其耐磨性，这是使刀具使用寿命提高的另一个重要方面。因为零部件的腐蚀和磨损都是从表面开始的，而后逐步由外向内发展，所以，利用一定的表面处理方法，对刀体和刀刃作表面的处理改性，可以使刀体的耐腐蚀性和耐磨性提高，使刀刃的冲击韧性加强，这是最有效，最经济的一种方法。

在盾构机推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力，伴随着旋转的刀盘，土砂磨料与刀具之间产生摩擦，造成磨损。地质条件和刀具在刀盘上的安装位置都会影响刀具磨损，另刀具掘削里程的增加过程中磨损也相应地增加。刀盘周边放置的刀具，因其切削路线长，线速度大，所以其易磨损，易折断。刀具的脱落和磨耗是刀具破坏的主要形式。刀具的硬度、材质、地质条件，以及盾构机推力、切入速度、深度、时间等都是影响刀具磨耗的因素；而安装位置制约了刀具可能脱落的频率。在掘进中，盾构机会遇到各种不同地层，会遇到淤泥、砂层、砂卵石层、软岩及硬岩等多种情况。所以在开挖的过程中刀具的受力是十分复杂的，它的工作环境也十分恶劣。刀具的磨损和施工地层的结构密不可分，粉质黏土、淤泥质黏土等这些对刀具的磨损都比较小，但是岩石、砂卵石砾石、砂土等对刀具磨损较大，甚至使刀具崩口、折断。这种情况在已经施工的工程中得到了印证。

2 问题的提出

当前，盾构施工的风险主要有：地质与盾构选型风险；盾构组装与调试风险；盾构始发与到达作业风险；盾构掘进施工风险；特殊地段盾构施工风险；盾构设备维护保养风险。

近年来，许多国内外专家学者都对盾构风险都进行了研究。2005年5月，李希元等分析了北京、上海、广州、深圳、南京等地的盾构隧道施工工程事故，对盾构进出洞、开挖面失稳、地表沉降等进行了原因分析，提出了相应的规避措施[[]1]；2006年3月，张礼杰等提出将风险管理应用到地铁隧道工程，通过定量和定性分析，提出建立地铁隧道实施阶段系统的风险管理技术[[]2]。

经调研，盾构的风险管理对刀具的规律性更换的经济性，和更换的安全性缺乏进行深入的研究，而刀具更换在含岩复杂地层推进中却是一个风险较大、作业频率相对较高的一项工作，针对此事项，本文就是针对盾构在复杂地层中，采用滚刀推进时，对刀具更换的安全性和规律性进行研究。

3开仓换刀

3.1开仓换刀的目的

开仓换刀主要为了检查刀盘滚刀的磨损，对磨损严重的刀具进行更换，确保顺利通过硬岩段。

3.2开仓判断方法

（1）如果在硬岩段掘进，渣土明显呈现粉碎状；

（2）掘进过程中刀盘在掌子面的切割声音出现异常；

（3）渣土温度冬季高于30℃，夏季高于35℃；

（4）推力大于同条件的30%，但是贯入度、推进速度降低至原速度20%，刀盘扭矩波动增大30%以上；

（5）盾构机铰接压力突然增大；

（6）盾构刀盘结泥饼；

（7）盾构机掘进姿态异常，不好控制。

3.3开仓点影响范围

开仓点影响范围为切口开仓里程，前后30m、隧道中线左右20m，开仓前加强地面监测频率，收集原始数据，开仓过程中安排专人进行路面巡视。

3.4开仓组织措施

（1）开仓前测量组准确放样出刀盘停置的实际里程及位置，技术组根据实际里程的位置对当前地质及水文情况进行评估。

（2）结合刀盘前掌子面稳定性，选择合适的开仓方式。

（3）被动开仓时尽量选择围岩较为稳定、地下水较少的区域，如遇小范围溶洞及破碎带，考虑通过风险区后进行换刀；

（4）地层条件不稳定，存在上软下硬及破碎带、岩溶发育地下水丰富的地层,应选择带压开仓，带压开仓时不管是否提前对土体进行加固,均要求开仓停机位置土体具有气密性,具备保压条件。

（5）开仓前完成监测点布设，加密测量，同时安排专人进行24h不间断路面巡视，观察周边道路及建（构）筑物的沉降变形，并及时将监测结果进行反馈。

（6）按照当地政府相关部门及建设单位相关管理及验收办法组织关键节点验收，验收通过后方可开仓作业。

（7）开仓作业流程严格按操作规程和施工方案组织进行。

3.5开仓形式选择

盾构施工中，开仓进行作业将使作业人员脱离盾构壳体的保护，受工程地质的影响，施工环境中将存在地层坍塌、涌砂等危险。因此，应紧密结合工程地质条件，地面环境条件等有计划的规律性的进行开仓换刀管。同时，在开仓过程中还存在设备保压、氧气含量等一系列不确定因素的影响，因此在开仓过程中必须加强程序控制，确保每一环节的安全。

（1）常压开仓

选定标准为地层条件较好、开挖面自稳定性较好的位置，原则上常压开仓的位置为全断面基岩，无溶洞、破碎带、地面建（构）筑物，管线较少，道路车辆较少的区域。开仓前对开仓点前后25m范围内进行地质雷达扫描，确认无空洞及其它对施工不利的条件。

（2）带压开仓

选定标准为地层条件较差，上软下硬，隧道断面内存在溶洞及大范围破碎带侵入，基岩裂隙水较多，自稳性较差的区域。

（3）常压转带压开仓

在不可避免的建（构）筑物及破碎带、溶洞区域范围内被动开仓，首先判断地层含水量及土体稳定性，如满足常压进仓条件的过程中，突遇刀盘土仓区域水位异常升高，掌子面土体松动等异常情况，立即安排人员撤出，封闭舱门，对开仓点进行二次风险评估，并准备实施带压开仓。

3.6开仓时应注意的问题

在施工中，不可避免会遇到某些意外情况：如因螺丝松动而使刀具脱落；在硬岩掘进盾构掘进参数异常，总推力、刀盘扭矩过大；掘进速度小于2环/天等情况，就有可能需要在计划外进行开仓检查，即被动开仓。被动开仓时应注意：一是要综合判断盾构机所处地层条件是否满足开仓检查条件；二是要综合考虑各种因素如地表情况、上覆地层、隧道断面地层等来确定地层的加固方案。

3.7开仓换刀位置及换刀方案的选择

（1）盾构机下穿重要周边建（构）筑物前。

（2）盾构机在穿越断层破碎带位置前。

（3）开仓作业位置应选择地层自稳能力强、渗透系数小，不易发生坍塌的地层。

（4）盾构机刀具发生磨损超限、刀箍损坏、脱落、结泥等需检修更换或清洗的情况。

（5）盾构机开挖面地层岩性判断、辨识、分析。

（6）盾构机开挖仓，土压平衡盾构机土仓内的刀具、岩石等异物的打捞作业。

（7）盾构机开挖仓元器件故障，仓内作业检修、更换盾构元器件。

（8）掘进过程中刀盘在掌子面的切割声音出现异常。

（9）换刀地点选取应尽量避免在建（构）筑物、城市主干道、管线下方及江河湖泊水道等位置，如不能避免的应做好地面或洞内加固处理。

（10）渣土温度明显比正常情况下升高。

（11）推力明显增大，但是推进速度仍然很慢，刀盘扭矩增大，贯入度小。

（12）盾构机掘进姿态异常，不易控制。

3.8开仓换刀工艺流程

3.9刀具磨损情况

3.10开仓换刀风险及应对措施

（1）地层不稳定或开仓点遇溶洞或受地面大型车辆动载（振动）影响发生坍塌、涌水涌泥土，开仓时未按照规章制度、相关程序作业，引起隧道掌子面坍塌，地面建（构）筑物及管线发生沉降变形。

应对措施：做好人员教育交底培训工作；现场专人负责量测及巡视工作并加大频率，发现重载车辆第一时间阻拦、疏导；提前做好掌子面前后方地基加固工作，并采用地质雷达对掌子面前后25米范围进行空洞扫描，确认无影响；提前对接好影响范围管线产权单位，摸清管线位置及阀门，同时准备好开关阀门工具，出现险情及时关闭阀门；在地面设置围挡，悬挂警示标识及警戒等；提前准备好应急物资、人员、设备，随时待命。

（2）易燃易爆、有毒气体、爆炸或导致人体中毒等。

应对措施：按要求对仓内进行气体置换；对进仓人员身体状况及携带物品进行检查，禁止携带烟火、手机等违禁物品；配备有毒有害气体检测仪及防毒面具，设置应急氧气罐；安排专人对仓内情况进行监督。

（3）开仓作业受水害影响。

应对措施：开仓前打开盾体径向注浆孔观察确认无涌水后方可进入；开仓后安排专职观察员对仓内情况进行检查，满足条件后安排作业人员进仓；作业过程中重点关注掌子面及土仓内水位高度，发现水位不正常升高及时组织人员撤出。

（4）仓内无法保压或影响加压及减压操作。

应对措施：加强设备定期维护保养，准备备用发电机，启用备用空压机进行减压，换刀期间机电人员24h待命，及时处理问题；采取应急增压减压、重新增压减压、检查泄气孔并进行封堵或通过副仓进行增压减压，保证气压平衡稳定，确保人身安全。

（5）用电不规范、仓内使用挥发性物质、穿着易燃易衣物进仓。

应对措施：施工前由专业电工对用电设备进行详细检查；加强设备维修保养，仓内选用低压照明；进仓前检查漏电保护，定期巡查；发现停电现象立即启动备用发电机；专业电工24h循环待命；由安全员对进仓人员随身物品进行检查；对仓内易燃气体进行监测，确认无异常后安排人员进仓换刀。

5 结语

根据施工安全性和规律性研究，通常硬岩换刀距离宜为40～60m左右，具体换刀主要考虑刀具磨损情况、地层稳定性。开仓点应选择在地层环境较好（中风化砂岩）、地面环境较好（地处空旷、无建构筑物和管线）的地方进行，并应避开溶洞所处地层，避免被动换刀，且开仓前监测数据稳定无异常。但在推进中管理人员、技术人员和操作人员，要时刻关注盾构推进状态，对推进速度、扭矩、推力、姿态等异常变化时，结合工程地质和水文地质情况，及时分析控制，需要换刀时要停机换刀，换刀时要也控制停机位置，对于地层条件不稳定而又急需换刀的情况可注入添加剂（高粘度泥浆），增加泥浆粘度，改善泥膜质量，稳定岩壁；或注浆超前加固，充填裂隙确保围岩稳定。

参考文献：

[1]李希元，闫静雅．孙艳萍．盾构隧道施工工程事故的原因与对策[J]．地下空间与工程学报．2005.5（6）：968-971.

[2]张礼杰，张家春．风险管理在地铁隧道工程中的应用[J]．建筑施工，2006.28（3）：177-179.

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