上軟下硬地層盾構刀盤洞內修復技術及施工建議

張威威，馬 哲，張家年

（中鐵工程裝備集團有限公司設計研究總院，河南 鄭州 450016）

近年來，隨著全國各地城市掀起地鐵建設的高潮，我國盾構裝備制造得到大力發展，盾構法施工得到廣泛采用。盾構刀盤是盾構機最前端的部件，直接與開挖面土體接觸，承受扭矩、推力和沖擊載荷的作用。盾構在掘進中會遇到淤泥、粉土、砂卵石及硬巖等不同地層，尤其是在上軟下硬復合地層，工作狀況非常惡劣，刀盤刀具是最容易出現損壞的部件之一，特別是長距離掘進，經常出現刀盤刀具損壞的現象，給盾構施工帶來安全隱患。

目前，在盾構刀盤維修方面已有不少專家和學者做出分析和研究。這些技術文獻對刀盤刀具修復提出很好地指導和借鑒意義，但在上軟下硬地層盾構施工掘進如何避免刀盤出現損壞方面文獻較少。本文以武漢地鐵21 號線黃朱區間盾構上軟下硬施工為例，針對刀盤刀具出現損壞的情況，制定刀盤修復方案及提出盾構掘進建議，希望能為同行在類似地層施工提供參考。

1 背景概述

1.1 工程概況

武漢地鐵21 號線黃朱區間右線總長2 137.8m，管片外徑6.2m，管片長度1.5m，盾構穿越地層主要為粘土夾碎石、白云巖、以及上軟下硬地層，上部為粘土夾碎石，下部為白云巖。地質報告初勘顯示白云巖最大抗壓強度為135MPa，平均巖石抗壓強度為78MPa。盾構在760～1 037 環（區間共1 427 環）為上軟下硬地層，地質斷面圖如圖1 所示。

圖1 右線760～1037環上軟下硬地層地質斷面圖

區間地下水主要為孔隙潛水及微弱承壓水，其中空隙潛水主要位于上部粉土夾碎石中，富水及透水性均一般。

1.2 設備情況

本工程采用復合式土壓平衡盾構機，開挖直徑6 480mm，刀盤為四主梁結構形式，開口率40%。刀盤配置中心雙聯滾刀4 把，正面單刃滾刀32把，刀高175mm，刮刀36把，邊刮刀8把，刀高130mm，焊接撕裂刀23 把，刀高155mm，保徑刀12把，超挖刀1把，刀盤結構如圖2所示。

圖2 刀盤結構示意圖

2 刀盤損壞情況及原因分析

盾構掘進開始地層為粘土層，總長約1 140m，其次是上軟下硬地層，上部為粘土夾碎石，下部為白云巖，總長約415m，最后是粘土及含粘土卵礫石，總長約585m。刀盤初裝刀配置為可更換焊接撕裂刀，在盾構掘進至657 環（985m）處開倉更換為全盤滾刀，刀盤刀具出現損壞主要是在進入上軟下硬地層后。

2.1 施工情況

在 盾 構 掘 進 至872 環（1 308m）時出現螺機無法從土倉內排出渣土現象，盾構無法正常推進，隨即進行開倉檢查，發現有黑色帶有異味渾水流出，水壓增高，水流變大，超出頂部排水孔排水速度，人員無法進倉。在872 環處為上軟下硬地層，上部為黏土夾碎石，下部為白云巖（1/5 黏土夾碎石，4/5 白云巖），隧道頂部埋深25.41m，停機位置如圖3所示。

停機檢查發現刀盤4 根主動攪拌棒全部斷裂，由于停機位置正處于暉騰鋼構廠房地基下部，且土倉內充滿渣土，空間有限，無法對刀盤刀具磨損及損壞情況進行進一步檢查；只焊接了一根攪拌棒，盾構恢復掘進，緩慢掘進至887 環（1 330.5m）處進行土體加固停機檢查刀盤刀具狀況。盾構掘進主要參數變化如圖4 所示。

圖3 刀盤結構示意圖

2.2 刀盤刀具損壞情況

圖4 盾構掘進主要參數變化曲線

在887 環停機對土體進行加固開倉檢查刀盤刀具情況，發現刀盤整體損壞嚴重，其中5#、7#和6#、8#號中心刀掉落，且刀箱損壞，1#、3#和2#、4#中心刀損壞偏磨及10#單刃滾刀損壞，無法正常取出，31#、37#單刃滾刀掉落；泡沫及膨潤土管路損壞嚴重，刀盤盤體中心約1.5m 范圍內出現磨損，磨損最大深度約120mm，刀盤刀具損壞情況如圖5 所示。

圖5 盾構刀盤刀具損壞情況

2.3 刀盤刀具損壞原因分析

一方面盾構在穿越上軟下硬的復合地層時，刀盤刀具受力不均勻，在通過上軟下硬地層分界面時，刀盤刀具尤其是中心區域滾刀極易發生損壞，當一把滾刀發生偏磨或者刀圈崩裂而失效時，會影響相鄰滾刀的破巖效果，尤其是通過下部硬巖地層時，在盾構推力作用下，刀盤下部受到偏載力，加劇了相鄰刀具的損壞，若未能及時發現，盾構持續掘進，造成刀盤結構本體直接與巖石摩擦，導致刀盤本體結構磨損。

另一方面刀盤中心滾刀安裝方式采用螺栓連接，滾刀與巖石之間的作用力直接由緊固螺栓承擔。盾構在上軟下硬地層中施工時，中心滾刀受到分界面巖層的反復沖擊，安裝螺栓容易發生松動，需要按時開倉檢查安裝螺栓緊固情況。由于此段上軟下硬區間位于暉騰鋼構廠房下部，不具備進倉檢查刀具的條件。同時通過施工掘進參數分析，中心刀脫落失效對盾構整體掘進參數影響不是太大，由于中心刀處于中心位置，當中心刀脫落后，對刀盤的扭矩、推力影響不如邊滾刀那樣顯著，故未引起操作人員的重視，刀盤繼續研磨掘進，加劇了整個刀盤刀箱的損壞。

3 刀盤修復方案措施

通過進倉對刀盤刀具損壞情況進行測量分析，需要將0～10#滾刀范圍內的刀盤正面本體結構、刀箱、耐磨板進行焊接修復，同時將泡沫改良管路進行疏通恢復，將斷裂的刀盤攪拌棒進行焊接修復。

3.1 刀盤修復要求及準備

刀盤修復作業需要在刀盤中心磨損區域前開辟一定操作空間，能夠實施氣體切割和電焊作業，實現掌子面穩定和保持通風，并及時排水。由于此處為上軟下硬地層，需要對周邊地層進行地面注漿加固處理，達到掌子面穩定，然后在掌子面開辟維修空間，維修空間深1m，寬3m，高2.5m，如圖6 所示。

圖6 刀盤維修空間示意圖

3.2 刀盤修復方案流程

刀盤修復方案流程內容如圖7 所示。

3.3 刀盤修復具體施工及控制要點

3.3.1 刀盤結構修復

1）刨除中心區域磨損滾刀刀箱、刮刀刀座、加強筋板和中心刀盤噴口，對磨損刀梁進行打磨或火焰切割修整，打磨完后測量磨損刀梁各部位剩余寬度。

2）通過測得數值現場校核每塊下料鋼板的尺寸，并進行局部修整。

圖7 刀盤修復方案流程

3）根據刀盤結構中心區域磨損的具體尺寸，可以采用整體下料的方式修復，減少洞內焊接變形及焊接工作量，如圖8 所示。

圖8 刀盤中心區域結構整體下料修復

4）新下料結構與刀盤本體之間的焊接方式如圖9 所示。

3.3.2 新制中心滾刀刀箱定位和焊接

1）需根據刀盤總圖明細表，分別采購相應數量中心雙聯滾刀刀箱及安裝所需螺栓。

圖9 刀盤主梁及筋板焊接示意圖

2）在拼焊中心滾刀刀箱時，短中心刀箱可以在地面拼焊完成，由人倉運入土倉內部，長中心刀箱需在土倉內部完成拼焊。

3）考慮土倉作業環境，滾刀刀箱定位時，可根據刀箱背部進行定位，具體根據刀盤已安裝滾刀刀箱，使重新定位滾刀刀箱背部與已安裝滾刀刀箱均處于同一平面；針對中心滾刀刀箱，若刀盤中心結構未產生變形，則可以根據舊刀箱位置做標記定位，或者通過工裝或重錘線，使單刃滾刀刀箱安裝新刀后，該刀尖與中心滾刀刀箱安裝新刀刀尖處于同一平面，刀箱的焊接示意如圖10 所示。

圖10 中心刀箱焊接示意圖

3.3.3 新制刀盤噴口定位和焊接

新制掉落刀盤噴口按照要求定位并焊接，固定刀盤噴口，同時管路與噴口焊接，管路焊接完后，需焊接δ10mm 的鋼板對管路進行保護，刀盤噴口焊接如圖11 所示。

圖11 刀盤噴口剖視圖

3.4 土倉焊接及其他作業要求

1）為便于土倉內打磨、定位和焊接等作業，刀盤在此過程中需頻繁旋轉，故需保證土倉整個環境土體巖層的穩定，及主控室操作司機的密切配合。

2）土倉作業時焊接所產生的煙霧比較大，內部環境溫度較高，需保證土倉具有較好的空氣流通，特別是作業人員的正常呼吸。

3）磨損主梁焊接面需打磨見金屬光澤，采用多層多道焊接，保證主梁連接強度。

4）鋼板焊前坡口需預熱及焊后保溫，同時注意控制焊接變形，必要時可打工藝輔助支撐梁，保證刀箱安裝。

4 總結及建議

1）在盾構選型前，應對區間地質狀況做好充分研究，尤其是在重大風險源及上軟下硬地層變換處，應增加地質補勘。同時盾構刀盤刀具做好針對性設計，提前制定好刀盤刀具的檢查和更換方案以及應對突發情況的針對性措施。

2）在盾構施工掘進過程中應加強對刀盤刀具的檢查，及時更換磨損達到極限的刀具，同時加強對掘進參數的監控及分析，尤其是在上軟下硬地層掘進時，參數出現異常時應及時的停機查找原因，避免盾構造成進一步的損壞。

3）通過制定合理的刀盤修復方案及修復工藝，以及在刀盤修復過程中對焊接質量進行嚴格把控，使刀盤結構基本恢復到出廠狀態，保證了剩余區間長度的順利掘進。