過江隧道大型泥水盾構(gòu)刀具使用與管理

季玉國， 楊榮斌

(上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200031)

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過江隧道大型泥水盾構(gòu)刀具使用與管理

季玉國， 楊榮斌

(上海建通工程建設(shè)有限公司， 上海 200031)

為了進(jìn)一步推進(jìn)和提高我國大型泥水盾構(gòu)刀具的使用與管理水平，解決其目前存在的突出問題，以南京長江隧道、南京揚子江隧道、南京地鐵3號線和10號線過江單洞雙線隧道等大型泥水盾構(gòu)施工為背景，通過對復(fù)合地層盾構(gòu)掘進(jìn)施工刀具使用的分析總結(jié)，提出了刀具管理的前期設(shè)計、過程使用管理、刀具檢查更換、意外事故的預(yù)防和恢復(fù)掘進(jìn)注意事項等刀具使用系統(tǒng)管理理念，以期為今后類似工程盾構(gòu)施工刀具管理提供指導(dǎo)與借鑒。

過江隧道； 泥水盾構(gòu)； 盾構(gòu)刀具； 使用管理

0 引言

多年來，隨著我國過江跨海大型盾構(gòu)隧道的建成運營，如南京長江隧道、南京揚子江隧道、上海長江隧道和武漢長江隧道等，我國大型泥水盾構(gòu)施工技術(shù)得到空前發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)械制造和掘進(jìn)工藝技術(shù)水平迅速提高，但通過對上述諸多工程施工過程中存在問題的總結(jié)分析，可以得出當(dāng)前我國大型泥水盾構(gòu)施工普遍存在的突出問題是：盾構(gòu)刀具的設(shè)計和使用管理與掘進(jìn)的巖石地層、復(fù)合地層嚴(yán)重不相適應(yīng)，制約了我國大型泥水盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展。

目前，國內(nèi)對大型泥水盾構(gòu)刀具的設(shè)計管理，包括刀盤設(shè)計和刀具的使用管理等方面的研究較少。文獻(xiàn) [1]對北京鐵路直徑線工程盾構(gòu)開艙高壓環(huán)境下刀具的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[2]就超大直徑泥水盾構(gòu)帶壓進(jìn)艙換刀技術(shù)研究與應(yīng)用做了詳細(xì)闡述，解決了施工中存在的技術(shù)難題；文獻(xiàn)[3-5]針對地鐵隧道小直徑盾構(gòu)刀具的設(shè)計、磨損、損壞原因及對策進(jìn)行了分析研究；文獻(xiàn)[6-11]研究了大直徑泥水盾構(gòu)高壓環(huán)境下刀具的檢修技術(shù)等。上述文獻(xiàn)都是研究盾構(gòu)帶壓換刀技術(shù)和刀盤修復(fù)技術(shù)，對我國大直徑泥水盾構(gòu)刀具與地層不適應(yīng)和刀具使用管理中存在的突出問題研究極少，為此本文就這一問題，通過諸多典型工程實例，進(jìn)行系統(tǒng)分析研究和總結(jié)。

國內(nèi)大型泥水盾構(gòu)的刀盤和刀具設(shè)計已進(jìn)行多年，取得了較大的成效，但與我國隧道工程的迅速發(fā)展還不能適應(yīng)，大直徑泥水盾構(gòu)在江河湖海復(fù)合地層、巖石地層隧道掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)刀具的使用與管理仍存在諸多問題，特別是盾構(gòu)初裝刀具的研究和配置問題較為突出，表現(xiàn)為盾構(gòu)刀盤、刀具設(shè)計和組合不能完全適應(yīng)隧道地層掘進(jìn)的要求。我國的很多條過江(如過長江、黃河)隧道的掘進(jìn)施工，過程中往往需要對刀盤和刀具進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，甚至需要帶壓進(jìn)艙進(jìn)行動火改造，花費時間少則幾個月多則一年甚至更長時間，付出巨大代價。因此，需要進(jìn)一步摸索總結(jié)和改進(jìn)。如南京揚子江隧道、南京長江隧道、南京地鐵3號線和10號線等過江隧道及地鐵隧道等巖石地層、復(fù)合地層的盾構(gòu)刀具使用就經(jīng)歷過這樣的過程。

南京長江隧道盾構(gòu)初期設(shè)計可實現(xiàn)一次性過江，不需要更換刀具完成掘進(jìn)3 200 m，但由于地質(zhì)條件變化，在2008年8月5日掘進(jìn)655環(huán)時發(fā)生異常，刀盤、刀具磨損嚴(yán)重，被迫對初裝刀具進(jìn)行檢查、改進(jìn)和更換，歷時半年才恢復(fù)掘進(jìn)。

南京揚子江隧道南、北線盾構(gòu)段長分別為4 135 m和3 575 m，巖石地層和復(fù)合地層刀具改進(jìn)及掘進(jìn)時間長達(dá)20個月，飽和氣體帶壓作業(yè)進(jìn)艙檢查刀具更換更是達(dá)到624次，作業(yè)時間累計超過2 800 h，2條隧道共更換各類刀具1 009把，可見掘進(jìn)之困難。

南京地鐵3號線過江單洞雙線盾構(gòu)隧道，長距離掘進(jìn)因刀盤、刀具嚴(yán)重磨損，江中停機(jī)帶壓修復(fù)刀盤更換刀具時間長達(dá)7個月，國內(nèi)外多家專業(yè)單位先后實施了帶壓換刀作業(yè)和刀盤修復(fù)。

綜上所述，過江大型泥水復(fù)合盾構(gòu)刀盤、刀具修復(fù)和刀具更換安全風(fēng)險大，成本高，工期長，因此，對復(fù)合巖石地層盾構(gòu)刀盤、刀具的研制、設(shè)計和使用管理意義重大。

1 刀具使用的前期管理

1.1 復(fù)合盾構(gòu)刀盤、刀具的設(shè)計選型研究和應(yīng)用管理，應(yīng)向前延伸到從研究隧道軸線設(shè)計的工程地質(zhì)報告開始

復(fù)合盾構(gòu)設(shè)計重點應(yīng)在刀盤和刀具方面，施工單位應(yīng)會同盾構(gòu)制造的技術(shù)人員一起，共同分析研究隧道地層，研究巖石的強度、完整性及可切削性等，即盾構(gòu)刀具對地層的適應(yīng)性。較早前，諸多工程在這方面研究重視不夠，盾構(gòu)刀具設(shè)計不合理，不適應(yīng)地層的要求，后續(xù)花費高昂的費用去改進(jìn)、改造，損失更大。與其后來的改進(jìn)帶來工期、造價、成本和安全的高昂付出，不如早期主動去研究，這樣做起來會事半功倍。

1.2 設(shè)計單位在進(jìn)行隧道軸線斷面設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到盾構(gòu)施工的難度和風(fēng)險，合理確定隧道穿越巖石及復(fù)合地層的范圍

設(shè)計單位在過江復(fù)合巖石隧道軸線設(shè)計時，關(guān)注的重點多在隧道的埋深、抗浮、隧道線路的坡度、進(jìn)出端口的限制條件及強制性要求等方面，缺少對隧道巖石、復(fù)合地層盾構(gòu)施工難度和風(fēng)險的了解，如直徑15 m盾構(gòu)隧道的斷面，若巖石強度達(dá)到60 MPa以上，掘進(jìn)的造價、工期、施工難度和風(fēng)險很大，設(shè)計單位應(yīng)了解當(dāng)前國內(nèi)外盾構(gòu)施工技術(shù)現(xiàn)狀和水平，在滿足隧道設(shè)計功能的條件下，盡可能減少隧道段巖石地層的長度，以節(jié)省成本，縮短工期，降低造價和施工風(fēng)險。比如南京揚子江隧道工程，因為工期、造價和施工風(fēng)險等綜合因素的要求，對隧道軸線進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，取得了較好的成效。

1.3 做好盾構(gòu)刀盤、刀具設(shè)計，是做好刀具使用管理的前提

1.3.1 刀盤設(shè)計

只有根據(jù)地層做好刀盤、刀具設(shè)計，才能在掘進(jìn)工作中確保刀具的合理使用。刀盤設(shè)計應(yīng)加強沖刷系統(tǒng)的設(shè)計和配置，此前諸多盾構(gòu)在砂巖、泥巖中掘進(jìn)易結(jié)“泥餅”，特別是刀盤中心區(qū)域，因開口率低，易結(jié)“泥餅”，所以應(yīng)加強對刀盤中心區(qū)域的沖刷和開口率的優(yōu)化、改進(jìn)。南京揚子江隧道盾構(gòu)刀盤開口率為25.7%，刀盤中心區(qū)域結(jié)“泥餅”現(xiàn)象嚴(yán)重，其沖刷清除“泥餅”的時間占換刀總時間的40%，應(yīng)加強沖刷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

1)刀盤的耐磨裝置，特別是外圈耐磨更應(yīng)牢固。南京地鐵3號線過江隧道在卵礫石地層掘進(jìn)時，因施工管理和刀盤磨損傳感系統(tǒng)失效等原因，刀盤外圈磨損30～50 cm，修復(fù)耗時7個月。

2)刀盤、刀具的磨損檢測系統(tǒng)要可靠、有效。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)刀盤、刀具均布置磨損檢測系統(tǒng)，應(yīng)保證實用性和完好性。

3)滾刀和撕裂(切削)刀刀座，應(yīng)做到互換性和通用性良好。

4)刀座的耐磨性要強，刀具的拆卸互換應(yīng)方便。

1.3.2 刀具設(shè)計

1)刀具的設(shè)置數(shù)量應(yīng)適當(dāng)，以滿足掘進(jìn)地層要求。

2)刀具設(shè)計的切削碎巖層次不宜太多。例如：南京揚子江隧道盾構(gòu)滾刀刀具設(shè)計掘進(jìn)巖石，設(shè)計推進(jìn)一次性完成過江，采取2個層次推出滾刀和若干次推出切削刀，實際操作較為困難，難以達(dá)到原刀具設(shè)計切削目的。

3)刀具的可推出裝置應(yīng)確保長距離掘進(jìn)后正常工作。

4)滾刀與切削刀掘進(jìn)切削巖層的層次應(yīng)分明，減少相互影響。

5)刀具設(shè)計的適應(yīng)性，應(yīng)從隧道全線不同地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面綜合分析考慮。

1.3.3 施工單位在盾構(gòu)選型和刀盤、刀具的設(shè)計中應(yīng)起主導(dǎo)作用

一些長期從事盾構(gòu)隧道施工的單位，對隧道沿線巖石地層的分析和刀具的使用效果積累了豐富的經(jīng)驗和認(rèn)識，刀盤、刀具的設(shè)計者應(yīng)充分重視和吸取。盾構(gòu)設(shè)計聯(lián)絡(luò)會議是施工單位的技術(shù)人員與盾構(gòu)設(shè)計者的重要溝通渠道，施工單位應(yīng)選派經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員或聘請相關(guān)專家參會，把有關(guān)經(jīng)驗融入盾構(gòu)的設(shè)計中，可有效避免或減少盾構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性方面的失誤。同時，要重視盾構(gòu)出廠驗收和現(xiàn)場刀具組裝調(diào)試驗收。

2 刀具使用過程中的管理

2.1 合理使用刀具

在復(fù)合巖石地層盾構(gòu)掘進(jìn)中，首先應(yīng)建立每把刀(包括同一軌跡刀具)的使用、更換檔案，記錄刀具包括初裝刀具使用和更換情況，包括更換時間、使用壽命和相鄰刀具的使用情況，摸索總結(jié)出不同刀具使用壽命，通過分析對比使用壽命，結(jié)合掘進(jìn)異常情況，綜合判斷刀盤、刀具磨損情況，制定科學(xué)的換刀計劃，動態(tài)控制刀具的檢查更換。

2.2 根據(jù)復(fù)合地層巖石各方面情況，合理確定掘進(jìn)工藝參數(shù)，加強掘進(jìn)參數(shù)的控制，規(guī)范操作，減少刀具不正常磨損和損壞

1)推力。滾刀掘進(jìn)每把滾刀軸承的額定推力基本固定，但由于盾構(gòu)推進(jìn)摩擦阻力的不確定性，所以有效推力的確定比較困難，建議采用貫入度控制，推力不應(yīng)過大造成滾刀刀圈斷裂、偏磨等不正常損壞刀具。

2)轉(zhuǎn)速。應(yīng)對巖石的全斷面、半斷面、性質(zhì)、軟硬程度、強度等級和完整性綜合考慮。

2.3 及時對復(fù)合地層、巖石地層掘進(jìn)進(jìn)行總結(jié)，摸索刀具使用壽命和更換規(guī)律，確定滾刀定型和工藝參數(shù)，使盾構(gòu)掘進(jìn)施工盡早走向正常

大多數(shù)復(fù)合盾構(gòu)隧道掘進(jìn)都經(jīng)歷這個過程，如南京長江隧道混合地層刀具改進(jìn)歷經(jīng)6個月；南京揚子江隧道完成巖石地層掘進(jìn)和刀具改進(jìn)歷經(jīng)20個月；南京地鐵3號線過江盾構(gòu)隧道刀具改進(jìn)及刀盤修復(fù)歷經(jīng)7個月。其他地鐵盾構(gòu)復(fù)合地層掘進(jìn)也都經(jīng)歷這樣一個過程，都是在對盾構(gòu)初裝刀具掘進(jìn)總結(jié)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，摸索總結(jié)出刀具型式和更換規(guī)律，才使盾構(gòu)掘進(jìn)走向正常，完成隧道工程掘進(jìn)施工。

2.4 勤檢查，勤更換，勤維護(hù)，定期對刀具進(jìn)行檢查更換

1)勤檢查。在巖石和復(fù)合地層中，根據(jù)巖石強度情況和掘進(jìn)經(jīng)驗一般5～10環(huán)應(yīng)對刀具進(jìn)行檢查，在新刀具安裝掘進(jìn)2環(huán)后對刀具螺栓進(jìn)行復(fù)緊，根據(jù)刀具使用統(tǒng)計出刀具檢查更換的周期和使用壽命。

2)勤更換。對邊緣刀、正面刀和中心刀的更換，應(yīng)遵循刀具使用磨損標(biāo)準(zhǔn)，到達(dá)更換標(biāo)準(zhǔn)后及時進(jìn)行更換，刀具的更換應(yīng)確保同一軌跡有1把更換的新刀，以保證應(yīng)急情況下可以實現(xiàn)立即恢復(fù)掘進(jìn)。

3)勤維護(hù)。指的是對刀座、刀具和刀盤面板維護(hù)等，在進(jìn)行開艙檢查和刀具更換時，應(yīng)及時進(jìn)行沖洗，防止刀盤結(jié)“泥餅”，在掘進(jìn)和管理拼裝時也可進(jìn)行，以便保護(hù)這些部位，防止過度磨損。如南京揚子江隧道北線在掘進(jìn)585環(huán)時，刀盤扭矩驟增，掘進(jìn)速度突降，刀盤面板溫度升高，掘進(jìn)速度1～2 mm/min，刀盤輻條溫度達(dá)80 ℃，扭矩達(dá)到70%以上，泥水站出渣量減少，漿液比重變大，對刀具檢查無磨損，泥水循環(huán)5 h，溫度僅降10 ℃。帶壓進(jìn)艙檢查結(jié)果如下：刀盤被黏性土完全糊住，且后側(cè)泥水艙隔板也被黏性土糊住，導(dǎo)致刀盤扭矩增大，溫度升高。處理措施如下：采取低比重、低黏度泥漿，通過刀盤高速旋轉(zhuǎn)和泥水循環(huán)沖刷對泥水艙進(jìn)行沖洗，同時由人工帶壓進(jìn)艙用高壓水槍沖洗被黏土糊住的部位，才使問題得以解決。

對卵礫石混合地層，為避免刀具的二次磨損應(yīng)加大沖刷系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)泵的流量，及時排出艙內(nèi)的渣土和碎石，對大的卵石、石頭可以使用破碎機(jī)破碎，加強掘進(jìn)排渣，同時在掘進(jìn)中途和拼裝管片時加強循環(huán)排渣及沖刷，達(dá)到排渣干凈和保護(hù)刀座、刀具的目的。

2.5 充分利用重型撕裂刀的優(yōu)勢，在巖石強度低于20 MPa時代替滾刀，可以達(dá)到較好的效果

在南京揚子江隧道南線盾構(gòu)穿越江心洲風(fēng)井時，盾構(gòu)掘進(jìn)需切削風(fēng)井兩端三軸攪拌樁加固區(qū)、井內(nèi)回填混凝土和風(fēng)井圍護(hù)玻璃纖維筋混凝土地墻等，在方案討論時，有人認(rèn)為地墻混凝土和加固區(qū)施工已完成2年以上，強度可能超過25 MPa，建議使用滾刀切削，而施工單位通過分析，采用重型撕裂刀穿越，掘進(jìn)達(dá)5～6 m/d，掘進(jìn)非常順利，發(fā)揮了重型撕裂刀的作用，也減少了滾刀的更換。

2.6 充分利用刀盤、刀具的磨損檢測報警系統(tǒng)，及時判斷刀具損壞情況，做好刀具的更換，禁止盲目推進(jìn)，避免事故發(fā)生

利用安裝的刀具磨損檢測報警系統(tǒng)，并根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的異常變化，如刀具嚴(yán)重磨損時，推力不變的情況下掘進(jìn)速度會明顯降低，扭矩增大，可以基本判斷為刀具嚴(yán)重磨損；同時，根據(jù)巖渣的形狀判斷刀具的磨損，綜合判斷確定對刀具進(jìn)行檢查更換，不應(yīng)再盲目推進(jìn)，以免發(fā)生重大事故。如南京長江隧道在2008年8月5日掘進(jìn)655環(huán)時，推力、扭矩和速度明顯異常，推測可能是江底的“異物”或“孤石”，強推1環(huán)判斷情況，但未成功，帶壓開艙檢查刀具發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨損，個別刀具損毀嚴(yán)重導(dǎo)致掘進(jìn)難以維持，之后進(jìn)行刀具的檢查和更換，帶壓開艙修補刀盤和補焊周邊刮刀，更換切削刀，歷時6個月才得以恢復(fù)掘進(jìn)。同樣，南京地鐵3號線過江隧道在卵礫石混合地層掘進(jìn)時，出現(xiàn)掘進(jìn)異常繼續(xù)掘進(jìn)，刀盤外圈損毀達(dá)30～50 cm，刀盤、刀具修復(fù)更換長達(dá)7個月，經(jīng)濟(jì)損失較大。

3 刀具檢查與更換過程中意外事故的預(yù)防

刀具檢查與更換過程中容易出現(xiàn)的意外事故如下：

1)人員傷亡安全事件。常壓和帶壓檢查更換刀具均發(fā)生過類似事件，主要靠管理實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

2)掌子面坍塌和漏氣事件。

3)刀具及工具掉入泥水艙。刀具檢查和更換過程中應(yīng)加強安全防范，防止常壓、帶壓作業(yè)人員安全事故的發(fā)生，加強人員培訓(xùn)和通風(fēng)、供氣及掌子面等安全防護(hù)，確保人員安全。每次盾構(gòu)刀具檢查和更換需要很長的時間和周期，應(yīng)加強對掌子面“泥膜”的維護(hù)，防止垮塌和漏氣事件發(fā)生，保證換刀安全。大型盾構(gòu)的滾刀質(zhì)量達(dá)150～250 kg，質(zhì)量大，加之艙內(nèi)工作條件極其復(fù)雜，稍有不慎拆除的刀具、工具和新的滾刀運送時會掉入艙內(nèi)，需花費人力和時間去打撈，需特別慎重，注意防范。

4 刀具更換后恢復(fù)掘進(jìn)注意事項

在完成刀具檢查更換、恢復(fù)掘進(jìn)前，應(yīng)進(jìn)行清艙工作，加強泥漿循環(huán)，按設(shè)定的掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)掘進(jìn)，應(yīng)注意以下問題：

1)對掉入艙內(nèi)的異物進(jìn)行清艙工作，防止掘進(jìn)時損壞刀盤、刀具。如南京揚子江隧道北線在刀具更換完成后，恢復(fù)掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)異常，開艙檢查發(fā)現(xiàn)刀盤外圈磨損深5～7 cm、寬30 cm的溝槽，不得不進(jìn)行修補。

2)恢復(fù)掘進(jìn)1～2環(huán)后及時給滾刀螺栓進(jìn)行復(fù)緊，防止裝配掘進(jìn)后螺栓松動。

3)恢復(fù)掘進(jìn)應(yīng)規(guī)范操作，防止意外事故的發(fā)生。如南京長江隧道在刀具更換完成恢復(fù)掘進(jìn)時，由于操作失誤，發(fā)生輕度“冒頂”事件；南京揚子江隧道在刀具更換過程中，也曾因為掌子面漏氣發(fā)生過“冒頂”事件。

4)恢復(fù)掘進(jìn)后泥水壓力設(shè)定應(yīng)合理，應(yīng)平穩(wěn)恢復(fù)掘進(jìn)，保證推進(jìn)安全。

5 結(jié)論與討論

復(fù)合盾構(gòu)掘進(jìn)刀具使用與管理意義重大，不僅關(guān)系到盾構(gòu)掘進(jìn)成本、工期和進(jìn)度，還關(guān)系著盾構(gòu)施工安全與風(fēng)險，乃至工程成敗。本文得出結(jié)論：要做好大型過江泥水盾構(gòu)刀具使用與管理，必須認(rèn)真分析研究隧道地質(zhì)條件，依據(jù)地質(zhì)條件，合理科學(xué)地做好刀盤面板和刀具的設(shè)計及組合研究，加強掘進(jìn)過程的技術(shù)管理，做好刀具的檢查與更換，預(yù)防刀具更換過程中意外事故的發(fā)生，重視恢復(fù)掘進(jìn)安全管理，特別重視盾構(gòu)刀盤和刀具的前期設(shè)計，確保刀盤、刀具設(shè)計與掘進(jìn)地層相適應(yīng)，才能從真正意義上做好過江隧道泥水盾構(gòu)刀具使用與管理，提升我國大型泥水盾構(gòu)的整體技術(shù)水平。

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Application and Management of Cutting Tools of Large Slurry Shield in River-crossing Tunnels

JI Yuguo, YANG Rongbin

(ShanghaiJiantongEngineeringConsulting&ConstructionCo.,Ltd.,Shanghai200031,China)

The application of cutting tools of shield in complex strata of Nanjing Yangtze River-crossing Tunnels and Nanjing River-crossing Metro Line No. 3 and Line No. 10 is analyzed and summarized. And then the initial design, application and management, cutting tool checking and replacing, incident prevention and boring recovery of cutting tool management are proposed, so as to improve the application and management of cutting tools of large slurry shield in China. The results can provide reference for application and management of cutting tools of shield in similar projects in the future.

river-crossing tunnel; slurry shield; cutting tool; application and management

2016-02-17;

2016-03-20

季玉國(1963—)，男，安徽阜陽人，1987年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)，巖土工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道工程、地下工程和地鐵工程施工技術(shù)管理和研究工作。E-mail: jiyuguo1963@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.018

U 45

A

1672-741X(2016)07-0877-04