復(fù)雜地層盾構(gòu)刀盤磨損處理技術(shù)

繆 楠/MIAO Nan（中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009）

復(fù)雜地層盾構(gòu)刀盤磨損處理技術(shù)

繆 楠/MIAO Nan
（中鐵隧道集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心，河南 洛陽 471009）

[摘 要]以土壓平衡盾構(gòu)刀盤故障磨損案例為背景，介紹了盾構(gòu)在南京上軟下硬地層的掘進(jìn)過程中刀盤和刀具出現(xiàn)異常磨損的情況。分析了刀盤磨損故障的原因，并通故障處理過程的探究，為盾構(gòu)在上軟下硬地層中修復(fù)刀盤磨損提供了一定的借鑒。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；刀盤刀具；磨損處理；復(fù)雜地層

在盾構(gòu)施工過程中難免會(huì)遇到復(fù)合不良地層，尤其在上軟下硬的地層掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)的刀具和刀盤均存在較大的考驗(yàn)。雖然目前對符合地層掘進(jìn)控制的研究較多，但針對刀具和刀盤在上軟下硬地層中磨損故障后處理的探索較少，本文以南京不良地層刀盤故障為例，對此類情況進(jìn)行了分析探討。

1 工程概況及盾構(gòu)使用情況

1.1 工程概況

南京地鐵4號(hào)線鼓樓站－市政府盾構(gòu)區(qū)間由鼓樓站出發(fā)，以半徑500m曲線轉(zhuǎn)向東北方向，區(qū)間南北兩側(cè)建筑物較為密集，地面周邊環(huán)境十分復(fù)雜。

盾構(gòu)區(qū)間主要為侵蝕堆積崗地及秦淮河沖積平原，堆積崗地地區(qū)主要為可塑～硬塑的粉質(zhì)粘土及中密的混合土，秦淮河沖積平原主要為可塑的新近沉積土，局部分布流塑狀軟土及稍密的粉土、粉砂。下部巖體主要為白堊系浦口組（K2p）含礫泥質(zhì)粉砂巖及侏羅系象山群（J1-2xn）石英砂巖。石英砂巖為較硬巖，含礫泥質(zhì)粉砂巖為軟巖。盾構(gòu)穿越的部分區(qū)間地質(zhì)屬于典型上軟下硬復(fù)合地層。

1.2 盾構(gòu)使用情況

為適應(yīng)該復(fù)雜地層的工作，采用了1臺(tái)國產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行該區(qū)間的掘進(jìn)。該盾構(gòu)刀盤為復(fù)合式刀盤，刀盤有6個(gè)主刀梁、 6個(gè)三角形結(jié)構(gòu)的箱型面板、6個(gè)箱型結(jié)構(gòu)的牛腿及外圈梁等結(jié)構(gòu)組成，刀盤的開口率為40%，刀盤中心區(qū)域設(shè)有較大開口，可有效避免中心泥餅的產(chǎn)生。刀盤設(shè)計(jì)3個(gè)泡沫噴口、2個(gè)膨潤土噴口。為提高刀盤的耐磨性，在刀盤面板上堆焊大量的耐磨網(wǎng)格，在刀盤外圈梁的周邊堆焊耐磨焊條、耐磨鋼板和外圈梁保護(hù)刀。

刀盤（圖1）采用6臺(tái)110kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠提供的額定扭矩為5 500kNm，脫困扭矩為6 900kNm，刀盤轉(zhuǎn)速在0～3rpm間任意可調(diào)；采用的主軸承直徑為3 000mm，通過3道內(nèi)密封和4道外密封確保主軸承安全，密封最大能夠承載6bar壓力。

圖1 刀盤示意圖

2 復(fù)雜地層掘進(jìn)中刀盤磨損故障及原因

2.1 刀盤磨損位置地層介紹

在盾構(gòu)穿越區(qū)間右線70余米長的土巖復(fù)合地層中，前50m盾構(gòu)已經(jīng)歷了2次帶壓進(jìn)倉換刀工作，在第二次換刀后的掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)出現(xiàn)了推進(jìn)速度下降、出渣量較大的現(xiàn)象，隨后刀盤扭矩限制器動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致無法推進(jìn)。

根據(jù)詳細(xì)勘探資料顯示（圖2），刀盤停機(jī)位置縱剖面地質(zhì)從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、2-3b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、2-4b2粉質(zhì)粘土，盾構(gòu)刀盤范圍內(nèi)的地層主要為巖、土的復(fù)合地層，掌子面70%為中風(fēng)化石英砂巖，強(qiáng)度為48～57MPa，刀盤右上處存在3-2b2粉質(zhì)粘土層。

圖2 刀盤磨損位置地勘圖

2.2 刀盤磨損故障情況

盾構(gòu)出現(xiàn)無法掘進(jìn)的情況后，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)判斷為刀盤或刀具已經(jīng)磨損，但由于刀盤上方為粉質(zhì)粘土地層，帶壓進(jìn)倉工作存在一定風(fēng)險(xiǎn)，采用地面加固措施（后文詳述）后進(jìn)行了進(jìn)倉檢查工作。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)刀盤中心部位有較大的磨損，刀盤磨損范圍為中心直徑2.7m區(qū)域內(nèi)，其中4把雙聯(lián)滾刀全部掉落，磨損區(qū)域范圍內(nèi)的8把正面滾刀全部掉落，其他滾刀均存在不同程度的磨損；磨損區(qū)域范圍內(nèi)6把切刀掉落（部分刀座也存在磨損、掉落）；刀盤面板和輻條主梁等結(jié)構(gòu)件也存在不同程度的磨損（圖3）。刀盤磨損較為嚴(yán)重，已無法進(jìn)行正常的掘進(jìn)工作。

圖3 刀盤磨損圖

2.3 刀盤故障磨損原因分析

造成刀具磨損的主要原因主要有以下幾種[1]：①地質(zhì)因素；②滾刀結(jié)構(gòu)功能和破巖能力；③刀盤形式與刀具組合因素；④施工控制因素；⑤工程設(shè)計(jì)因素。

鑒于此次刀盤的磨損情況，結(jié)合項(xiàng)目部在施工過程中的參數(shù)和故障的記錄統(tǒng)計(jì)，本次刀具和刀盤磨損如此嚴(yán)重的原因可以歸咎于以下幾個(gè)方面。

1）地質(zhì)因素 地質(zhì)因素是刀具磨損的重要因素，而造巖礦物的種類對滾刀磨損有著較大的影響，簡單來說滾刀的研磨性隨巖石中石英含量的增大而增大，而當(dāng)?shù)貙又姓沉：头哿：扛邥r(shí)，很容易產(chǎn)生泥餅，造成刀具偏磨。本次盾構(gòu)刀盤故障區(qū)域正是上軟下硬的復(fù)合地層，隧道斷面由70%的石英砂巖和30%的粉質(zhì)粘土組成，極易造成刀具的磨損，當(dāng)?shù)侗P失去刀具的保護(hù)后，其結(jié)構(gòu)件的磨損將十分迅速。

2）磨損刀具未能及時(shí)更換 在盾構(gòu)通過這70余米的復(fù)合地層過程中，大概每掘進(jìn)20余米便需要帶壓進(jìn)倉檢查更換刀具，然而在上軟下硬的復(fù)合地層中，建立帶壓條件苛刻，土倉環(huán)境容易坍塌。在盾構(gòu)的第二次帶壓進(jìn)倉換刀過程中，便出現(xiàn)了地層不穩(wěn)定無法帶壓進(jìn)倉的情況，導(dǎo)致刀具檢查不全面，中心區(qū)域刀具沒有進(jìn)行更換，而此時(shí)刀具已使用30余米，繼續(xù)使用的情況下磨損風(fēng)險(xiǎn)非常大。

3）施工控制 在盾構(gòu)施工掘進(jìn)的過程中，面對不良地層，掘進(jìn)參數(shù)的控制和渣土改良工作是保證盾構(gòu)施工的重要措施。在本次的復(fù)合地層掘進(jìn)過程中，項(xiàng)目主要采用的是添加泡沫劑作為渣土改良手段。在設(shè)備故障停機(jī)前，盾構(gòu)出現(xiàn)了推力和扭矩增大，推進(jìn)速度下降的情況，經(jīng)判斷，其刀具已經(jīng)磨損，但由于地層不穩(wěn)定，無法帶壓進(jìn)倉檢查更換刀具，進(jìn)而繼續(xù)掘進(jìn)，最終導(dǎo)致了刀盤的較大面積磨損。

總體而言，本次盾構(gòu)刀盤和刀具磨損嚴(yán)重是綜合因素造成，石英砂巖和粉質(zhì)粘土的復(fù)合地層導(dǎo)致了刀具和刀盤的快速磨損，而上軟下硬地層帶壓進(jìn)倉不穩(wěn)定，導(dǎo)致刀具更換不徹底，為通過不良區(qū)域繼續(xù)掘進(jìn)的過程中造成了刀具和刀盤的嚴(yán)重磨損。

3 復(fù)雜地層刀盤磨損故障修復(fù)探討

結(jié)合時(shí)間、成本、地面環(huán)境因素和上軟下硬地層等問題的考慮，為解決地層不穩(wěn)定對故障刀盤刀具修復(fù)帶來的隱患，對修復(fù)工法進(jìn)行了一定的探討。

3.1 洞內(nèi)修復(fù)條件探討

由于刀盤和刀具磨損較為嚴(yán)重，修復(fù)工作量較大，若可以營造常壓進(jìn)倉條件，其刀盤修復(fù)的時(shí)間和成本將大大減少，而常壓進(jìn)倉的關(guān)鍵便在于上軟下硬地層自穩(wěn)性較差。盾構(gòu)刀盤所在地層從上至下依次為雜填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和石英砂巖，為穩(wěn)定刀盤上方的軟土綜合考慮地面可施工區(qū)域較小等因素，進(jìn)行了以下工作。

1）袖閥管注漿加固地面（圖4)。袖閥管注漿是將袖閥式注漿管通過鉆孔下入地層，采用分段注漿工藝，使?jié){液在壓力條件下，較均勻地進(jìn)人地層，以達(dá)到漿液在地層中分段可控、均勻擴(kuò)散的目的。本次注漿范圍為盾體左右兩側(cè)各1.0m，刀盤前方3.0m（且須保證大于塌陷區(qū)）,刀盤后方2.0m；布孔間距不大于3.0m,孔位為布孔深度為刀盤上方0.5～1.5m，刀盤前方可適當(dāng)加深。地面注漿完成后，進(jìn)行帶壓進(jìn)倉檢查了刀具磨損情況，但是在嘗試常壓進(jìn)倉的過程中發(fā)現(xiàn)效果不佳，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

圖4 袖閥管注漿圖

2）樹根樁法地面加固。樹根樁法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土、粉土、碎石土及人工填土等地基的加固工作[2]。本次因袖閥管注漿未能達(dá)到預(yù)期加固效果，在刀盤右前方打設(shè)兩排樹根樁。樹根樁樁徑?150mm，樁間距200mm，樁深入巖層50cm，注入水泥-水玻璃雙液漿。由于管線及大樹影響，共打設(shè)樹根樁19根（另外有2根樹根樁偏孔進(jìn)入刀盤，未成孔），每根樁注入漿液約為1t水泥量。注漿完成后，在常壓條件下，仍舊未達(dá)到預(yù)計(jì)的加固效果，無法進(jìn)行長時(shí)間的進(jìn)倉修復(fù)工作。

3.2 豎井開挖修復(fù)方案探討

考慮到盾構(gòu)刀盤磨損較嚴(yán)重，掌子面不穩(wěn)定、操作空間狹小等因素，在土倉內(nèi)完成刀盤修復(fù)比較困難，需在刀盤正面進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)考慮到工期、環(huán)境影響等因素后決定在盾構(gòu)切口處開挖豎井對刀盤進(jìn)行修復(fù)。

施工豎井平面為矩形（圖5），凈空尺寸為1 650mm×1 800mm，豎井采用倒掛井壁法施工，人工分層開挖。以刀盤頂部20cm處為分界面，分上下兩部分施工，上部為封閉結(jié)構(gòu)，下部為敞口式“U”結(jié)構(gòu)。

同時(shí)為確保豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及刀盤修復(fù)過程中刀盤前方土體穩(wěn)定，在刀盤前方及豎井前方布設(shè)3根人工挖孔樁(1根900mm、2根800mm）。

圖5 豎井施工示意圖

3.3 刀盤修復(fù)結(jié)果

采用豎井開挖方案進(jìn)行了刀盤修復(fù)工作，通過低標(biāo)號(hào)水泥-膨潤土砂漿進(jìn)行填倉和刀盤前方挖孔樁進(jìn)行封閉加固等措施，保證了豎井開挖過程中土體穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)滲水或其他風(fēng)險(xiǎn)。在近一個(gè)月的刀盤機(jī)械修復(fù)過程中，通過布點(diǎn)監(jiān)測和加強(qiáng)通風(fēng)等手段，保證了整個(gè)修復(fù)、換刀過程的安全順利實(shí)施。

4 小 結(jié)

本次刀盤修復(fù)處理工作總共歷時(shí)約四個(gè)月的時(shí)間，期間為處理不良地層經(jīng)歷多次探索，雖然地面加固工作最后無法實(shí)現(xiàn)常壓進(jìn)倉要求，但卻達(dá)到了一定時(shí)間內(nèi)帶壓進(jìn)倉換刀的條件。而本次刀盤故障直接原因正是無法在軟土地層條件下帶壓進(jìn)倉更換刀具，為以后處理類似故障提供了一定的借鑒。

同時(shí)通過分析在石英砂巖和粉質(zhì)粘土的復(fù)合地層掘進(jìn)過程中導(dǎo)致刀盤磨損如此嚴(yán)重的原因，為以后在類似地層掘進(jìn)過程中盾構(gòu)的使用管理奠定了一定的基礎(chǔ)，以渣土改良為輔，嚴(yán)格監(jiān)控掘進(jìn)參數(shù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后第一時(shí)間檢查并更換刀具，是盾構(gòu)安全、正常地通過復(fù)合地層的關(guān)鍵。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 竺維彬，王 暉，鞠世健．復(fù)合地層中盾構(gòu)滾刀磨損原因分析及對策[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，(4)：72-76．

[2] 譚 斌．注漿樹根樁性能及施工注意事項(xiàng)研究[J].科技風(fēng)，2012，（1）：184-186．

（編輯 張海霞）

［中圖分類號(hào)］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)05-0053-03

［收稿日期］2015-01-15

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