盾構開倉檢修更換刀具施工關鍵技術研究

常潤安 胡俊

摘 要：以北京地鐵17號線朝陽港站至十里河站區間左線盾構開倉檢修換刀為工程背景，介紹一種盾構機開倉檢修更換刀具的新工法。對該工程的換刀原因和施工風險進行分析，詳細介紹該工法的施工工藝、施工參數、控制措施和最終實施效果等。盾構機直徑的改變、素混凝土墻的尺寸可參考本工法做適當調整，為今后類似工程提供技術參考依據。

關鍵詞：盾構開倉;北京地鐵;更換刀具;素混凝土墻

Abstract：Based on the engineering background of the left line of shield repair open tool change between Chaoyang Port station and Shilihe Station of Beijing metro line 17， this paper introduces a new method of shield machine shield repair open tool change. In this paper， the reason and construction risk of the project are analyzed， and the construction process， construction parameters， control measures and final implementation effect of the method are introduced in detail. The diameter of shield machine changes， the size of plain concrete wall can be adjusted according to this method， which can provide technical reference for similar projects in the future.

Keywords：Shield opening; Beijing subway; tool change; plain concrete wall

0 引言

目前，盾構法修建城市地鐵隧道建設已成為主流工法[1]。盾構機在施工過程中不可避免地會對刀盤刀具造成磨損，必要時需進行開倉檢修更換刀具，可分為有計劃性換刀和無計劃性換刀[2-3]。有計劃性換刀又分為三種情況：一是換刀位置選土體穩定性好的地方，只需進行地層封水就能滿足常壓開倉換刀;二是換刀位置土體穩定性不好，需對選擇位置事先進行土體加固封水，達到加固要求后方可進行常壓開倉換刀;三是換刀位置有較厚黏土層時，可進行帶壓開倉換刀作業[4]。無計劃性換刀[5]是指在盾構掘進過程中遇到各種特殊工況而不得不進行開倉換刀作業，常需進行帶壓換刀作業[6]。帶壓換刀作業操作難度大，處理不好會造成開挖面失穩坍塌，作業工人產生減壓病癥狀，如骨壞死、耳膜破裂和聽力障礙等現象[7]。因此，宜優先選擇常壓開倉換刀作業。

國內許多學者和現場施工人員對盾構開倉檢修換刀作業進行了研究。張宗喜等[8]通過結合富水砂層中泥水盾構帶壓開倉換刀作業具體工程實例，指出泥膜應該全覆蓋掌子面且平均厚度大于5 cm，降壓過程要分步分階段進行，泥膜加壓壓力應比切口壓力高出0.05 MPa。譚善文等[9]介紹了盾構開倉換刀時液氮凍結加固地層的方法，實例表明液氮凍結法加固地層可為盾構開倉作業提供安全保障。黃恒儒[10]針對盾構開倉前方掌子面不穩定土體置換加固問題，開展了非可凝固性漿液和凝固性漿液的配合比試驗，選擇出最優漿材，并將研究成果在工程實例中應用，取得較好效果。程躍輝等[11]提出了一種砂卵石地層土壓平衡盾構開倉換刀輔助施工方法，解決了現有技術受地面環境影響造成的地層加固不穩固、開倉換刀時刀盤轉動對周邊土體產生擾動等問題，提高了倉內人員、地表建筑物及管線安全。可以看出，前人主要是在土體加固方法及盾構開倉換刀時的新設備和新材料上進行探索。

本文以北京地鐵17號線朝陽港站至十里河站區間左線盾構開倉檢修換刀為工程背景，介紹一種盾構機開倉檢修更換刀具的新施工方法，對該工程的換刀原因和施工風險進行分析，運用素混凝土墻這種新的加固地層方法，詳細介紹該工法的施工工藝、施工參數、控制措施和最終實施效果等，為今后類似工程提供技術參考依據。

1 工程概況

北京地鐵17號線朝陽港站至十里河站區間盾構機由東南四環向東南三環方向掘進。區間工程設計所采用的施工方法包括明挖法、盾構法及礦山法，整個區間共設置5處聯絡通道。其中盾構區間起終里程：左K12+658.162—左K16+174.717，全長3 516.555 m;右K12+658.162—右K16+113.851，全長3 455.689 m。區間最小轉彎半徑為400 m，最大轉彎半徑為3 000 m。區間平面圖如圖1所示。

由區間縱剖面圖可知，區間豎向曲線上大體呈“W”形，最小坡度為0.2%，最大坡度為2.6%。區間隧道埋深約9.448～23.3 m，線間距約11～30.4 m。隧道洞身開挖深度范圍內主要地層為第④—⑧層的粉質黏土（黏土）、粉土和飽和的砂土;粉質黏土為可塑—硬塑狀態（黏粒含量平均值約為15.1%～26.4%，最大值為39.1%），粉土、砂土呈中密—密實狀態，工程施工主要受地下水層間潛水、層間潛水部分的承壓水和承壓水的影響，局部因上部填土層較厚，可能受上層滯水的影響。

工程在實施后進行了變更，在區間上大羊坊路與西大望路南延相交路口南側增設了十八里店站， 新增車站沿大羊坊路設置。線路東南至西北走向敷設，車站設計起止點里程為：右K14+ 553.200—右K14+852.400。車站基底持力層主要為：④3粉細砂層、⑥粉質黏土層、⑥2黏質粉土層，④3粉細砂層承載力標準值180 kPa，⑥粉質黏土層承載力標準值180 kPa，⑥2黏質粉土層承載力標準值200 kPa。車站圍護結構采用0.6 m厚的地連墻，地下連續墻采用C35混凝土。最外層鋼筋的混凝土保護層厚度：外側70 mm，內側70 mm。新設車站地質剖面圖如圖2所示。采用“先隧后站”施工方法，盾構掘進

至新加站圍護結構前10 m，等待車站圍護結構施工后，盾構破除車站圍護結構，拼管片（通縫拼裝）通過十八里店站，待盾構區間施工完畢后再施工新加車站主體結構。

綜合考慮實際施工情況及業主施工籌劃要求后決定，若刀具在切削2道地連墻后磨損較大（依據切削地連墻前后掘進參數判斷），則分別在左線和右線盾構機通過地連墻后對刀具進行檢修及更換，確保剩余區間順利完工;若刀具磨損不嚴重，則無需換刀檢修，盾構繼續正常掘進至十里河接收井接收。

2 換刀原因及風險分析

2.1 原因分析

盾構機過十八里店站需要穿越2次地連墻，在穿越1次地連墻之后，左線盾構已經掘進至1 782環時，盾構機停機保壓，距離十八里店站北端頭第2次需穿越的地連墻38.5 m，左線盾構機停機保壓位置如圖3所示。經分析，此時，需要對左線盾構機進行盾構開倉檢修更換刀具，原因如下：

（1）對比左線盾構機在切削地連墻進入新加的十八里店站前后施工參數發現，相似地質狀況下，盾構掘進參數變化明顯：掘進時，推力由8 000～10 000 kN增長至16 000～17 000 kN，而切削速度卻由6～7 cm/min降低至3～4 cm/min;同時，刀盤平均扭矩自2 000 kN·m增長至4 600 kN·m。據此分析判斷，左線盾構刀盤刀具（初步推測至少為邊切刀及保徑刀）出現較大磨損。

（2）左線盾構刀盤刀具配置主要為軟土刀具，始發切削地連墻及過新加站切削地連墻，造成軟土刀具磨損過大。

（3）左線盾構已掘進1 782環（2 138.4 m），在粉質黏土與粉細砂復合地層條件下長距離掘進導致刀盤刀具磨損較大。

（4）相較于新加站前區間穿越地層（砂層占比較少），新加站之后區間穿越地層主要為中粗砂與粉細砂（占比約4/5），且有部分圓礫，該地質對刀具磨損傷害更大，若不檢修換刀，刀具磨損會進一步加大，造成盾構可能無法正常施工。

2.2 風險分析

本次開倉換刀地點位于新加站十八里店車站內，此時新加站十八里店站地連墻施工已完成98%，所涉及車站基坑內無風險建（構）筑物及管線改遷已完成。 施工可能存在的風險及應對措施見表1。

1 氣體

檢測 會發生爆炸或導致人體中毒等 人員傷害 定期進行氣體置換，配備有害氣體檢測儀及防毒面具，及時組織人員撤離

2 機械

設備 機械設備（如空壓機、壓力表、消音器、閘閥、管路等）故障 地面塌陷，人員傷害 加強設備日常巡檢，開倉前對所有機械設備進行檢測、維修、保養、試運行及壓力表標定，在試運行合格后方可開倉作業;遇緊急情況及時啟動備用設備

3 施工

3 盾構開倉換刀方案

盾構區間在距離北端頭地連墻30 m位置（里程：ZK14+823.18）處設置加固地層（素混凝土墻）進行換刀作業。設置素混凝土墻位置周邊無風險建（構）筑物，且管線已改遷完成。隧道頂部地質從上往下為：雜填土、素填土、粉質黏土、黏質粉土、粉砂、粉質黏土、黏質粉土、 黏質粉土、粉細砂、黏質粉土。該位置隧道拱頂埋深與水位線關系：隧道拱頂埋深為10.69 m，地下水位線為18.25～22.4 m，位于隧道結構底板下2.21～4.67 m。

3.1 素混凝土墻加固地層

采用現場現有的成槽設備，先施工600 mm厚素混凝土墻，待到達一定強度后再施工1 200 mm厚素混凝土墻，盾構機掘進至素混凝土墻內，常壓開倉換刀。設置素混凝土墻寬度為7.2 m，總厚度為1.8 m，高18.24 m，采用C15混凝土澆筑，具體參數如圖4所示。

3.2 開倉換刀施工工藝流程

本工法施工工藝流程如圖5所示。

3.3 總體施工步序

本工法總體施工步驟如下：

（1）盾構機在距離加固區素混凝土墻位置約10 m處停機保壓，等待素混凝土墻施工且強度達到要求時（≥12 MPa），盾構機恢復掘進。

（2）盾構機掘進至盾體進入素混凝土墻0.2 m后，停止掘進。利用前盾與中盾上的預留注漿孔向盾殼外注聚氨酯止水。

（3）排除土倉內渣土（約1/2～2/3），同時通過螺旋機出渣口和人倉板上的球閥對土倉內氣體進行檢測。

（4）倉門打開后，首先對土倉頂部以及人倉附近左下和右下方空氣進行檢測，確認掌子面素混凝土墻加固質量及掌子面土體穩定安全后，方可進入土倉進行下一步檢測，全面檢測空氣質量合格且判斷地層穩定，才能進行后續操作。

（5）上述工作完成后，開始進行換刀作業。開倉換刀時，應拆一把換一把，刀盤轉動一周，磨損嚴重刀具應全部更換，換刀程序如圖6所示。

4 方案具體控制參數和措施

4.1 盾構機磨地連墻參數控制

盾構機掘進至素混凝土墻0.2 m時停機，停機前掘進參數控制如下（根據掘進中的實際情況調整）。

（1）刀盤轉速：1.0～1.1 r/min（以減小貫入度為準則適當調整）。

（2）刀盤扭矩：1 200～3 800 kN·m。

（3）總推力：8 000～9 000 kN（根據掘進中的實際情況調整）。

（4）推進速度：3～5 mm/min。

（5）同步注漿量：4～5 m3，注漿壓力：0.2～0.3 MPa。

（6）出渣量：45～46 m3。

（7）上部土壓：0.08～0.1 MPa。

（8）螺旋機轉速：3～4 r/min。

（9）以水作為主要的渣土改良劑，加大注水量，降低刀盤溫度，防止刀盤溫度過高而影響刀具硬質合金焊接質量。

4.2 刀盤刀具的結構形式

朝陽港站至十里河站區間采用2臺ZTE 6610土壓盾構機進行掘進施工，刀盤結構形式及刀具配置見表2。刀盤刀具結構形式如圖7所示。

4.3 刀具檢查內容

檢查內容包括：①刀具磨損情況;②刀具合金損壞情況;③刀座磨損情況;④刀盤輻條磨損情況;⑤刀盤大圓環外周磨損情況;⑥刀盤有無裂紋、牛腿磨損及裂紋情況;⑦攪拌棒磨損情況。

刀具更換與刀盤修復標準如下：①正面貝殼刀合金磨損超15 mm（含）的更換;②正面切刀磨損超15 mm（含）的更換;③崩齒的貝殼刀和切刀全部更換;④刀座磨損需修復;⑤刀盤磨損需堆耐磨焊。

4.4 施工控制措施

檢修更換刀具施工控制措施如下。

（1）盾構機停機位置。盾構掘進至切口進入素混凝土墻0.2 m時盾構停機。

（2）止水施工。利用前盾與中盾上的預留注漿孔向盾殼外注聚氨酯止水。

（3）換刀作業前，確保盾構機的正常運轉。

（4）其他準備：

① 停止盾構機的推進，根據工作面地質情況，排出土倉內1/2～2/3的碴土。

② 檢查盾構機承力墻上的球閥及閘閥，對堵塞的球閥及閘閥進行疏通，保證能夠正常使用。

③ 對盾構機各系統進行檢查，保證其功能完好。

④開倉后做好倉內照明通風，檢修平臺挖設，使用氣體檢測儀每天進行氣體檢測，做好換刀過程中的相關配合工作。如果土倉內的有毒、有害氣體超標，要對隧道進行持續通風排除有害氣體。

5 方案實施效果

本工程于2020年1月7日完成了地層加固措施，2020年1月12日開倉檢修換刀作業。整個作業過程安全順利，取得了成功的應用效果。具體工序作業時間為：2019年12 月27日至12月30日共4 d作業完成素混凝土墻導墻施工;2020年1月2日至7日共6 d作業完成素混凝土墻成槽及澆筑施工;2020年1月12日作業完成了通風檢測、常壓開倉清理、搭設檢修平臺;2020年1月13日至1月14日共2 d作業完成了刀具檢修更換。

導墻施工是素混凝土地連墻施工的重要準備環節，其主要作用是為成槽導向，控制標高，控制槽段垂直度、位置和鋼筋網定位，防止槽口坍塌及承重作用，本工程導墻的混凝土設計強度等級為C15。根據施工圖紙，導墻形式采用“L”型，配筋圖及現場施工圖如圖8所示。

換刀前掘進時同步注漿量按照每環4.5方控制;按方案要求通過盾殼管路徑向周圍注入聚氨酯進行止水施工;盾尾后7環、5環管片壁后二次注漿加固（做止水環）。止水效果如圖9所示。

盾構開倉3 d作業完成了開倉換氣、刀具檢修更換，檢修更換刀具效果如圖10所示。

刀盤扭矩變化曲線如圖11所示。當左線盾構掘進至1 782環時，刀盤扭矩增長至4 600 kN·m，結合推力變化情況判斷左線盾構刀盤刀具出現較大磨損。刀具更換完畢恢復掘進后，刀盤扭矩恢復到正常平均值2 000 kN·m，可見刀盤刀具更換后效果良好。

6 結束語

本文以北京地鐵17號線朝陽港站至十里河站區間左線盾構開倉檢修換刀為工程背景，介紹了一種盾構機開倉檢修更換刀具的新施工方法，該方法在盾構檢修更換刀具施工時，先完成地層加固施工，盾體掘進至加固體素混凝土墻內0.2 m后停機泄壓，通風后進行常壓開倉換刀作業。本文中C15素混凝土地連墻的厚度、寬度、高度尺寸主要針對直徑為6～7 m的盾構機而設置，對于其他直徑的盾構機，素混凝土墻的尺寸可參考本工法做適當調整。

本工法在實際工程中得到了成功應用，取得了很好的實施效果，可為今后類似工程提供技術參考依據。

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