孔隙潛水和基巖裂隙水全斷面中風(fēng)化IV級泥巖中刀盤修復(fù)和換刀技術(shù)研究

余正新

（中交第二航務(wù)工程局有限公司，武漢 430000）

1 工程概況

南京地鐵6號線興興區(qū)間出興學(xué)路站（原新港開發(fā)區(qū)站）后沿恒競路正下方向東敷設(shè)，在恒競路與興智路交叉口到達(dá)興智街站（原興智路站），區(qū)間上行（下行）線縱斷面先以290 m、20‰，290 m、5‰下坡至最低點；后以310 m、14.400‰，200 m、22‰上坡至興智路站。本區(qū)間的設(shè)計范圍［興學(xué)路站（原新港開發(fā)區(qū)站）興智街站（原興智路站）］為：上DK 58+872.592～上DK 60+060.292，區(qū)間上行線總長度為1 187.7 m；下DK 58+872.592～下DK 60+060.292，區(qū)間下行線總長度1 187.7 m，區(qū)間采用2臺φ6 460 mm土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。

左線盾構(gòu)在始發(fā)后于220環(huán)左右進入全斷面巖層，在310環(huán)位置進行第1次開倉查換刀，此時盾構(gòu)機于全斷面巖層中掘進約110 m（強度在6.67～46.68 MPa），上軟下硬地層掘進約70 m（其中，掘進前30 m范圍內(nèi)，軟土和巖面分界線在刀盤中心以上）。該位置刀盤掌子面巖石的完整性較差，經(jīng)查，刀具磨損量較小，中心八連撕裂刀磨損量在2～3 mm。第1次開倉查刀后，先后穿越全斷面巖層110 m、上軟下硬地層約105 m（其中，55 m巖面在刀盤中心以上），期間扭矩、推力較之前有明顯上升，初步判斷存在刀具或刀盤存在不同程度磨損，結(jié)合地勘資料及周邊環(huán)境，計劃于493環(huán)停機進行第2次開倉查刀，對刀具、刀箱及面板磨損區(qū)域進行修復(fù)、更換，停機位置刀盤里程為下DK 59+473.343。

2 周邊環(huán)境和管線

恒競路為棲霞區(qū)東西向城市干道，雙向四車道，道路中間無隔離帶，兩側(cè)分別為非機動車道、綠化帶及人行道，道路限速40 km/h，車流量一般，人流量較少，隧道上方無重大管線、建構(gòu)筑物分布，周邊條件良好。白天該位置?？坑懈浇髽I(yè)員工私家車，作業(yè)前需對地面進行圍蔽，疏散人群和車輛。

根據(jù)管線資料，盾構(gòu)停機位置上方管線為700 mm×600 mm的10 kV電纜，管線埋深約0.5 m，作業(yè)過程中需做好地面監(jiān)測，加強地面巡視。

3 地質(zhì)情況和水文情況

停機并開倉的位置于恒競路下側(cè)土體中，隧道頂部距離地面混凝土層14.67 m，從上至下土體情況依次是素填土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。目前，盾構(gòu)位于全斷面巖層中，其中，刀盤掌子面為全斷面中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。根據(jù)詳勘資料，停機位置最近的地勘孔揭露的巖石質(zhì)量等級為IV級，RQD（巖石質(zhì)量指標(biāo)）值為10%～70%，巖層強度為9.46～23.33 MPa。通過開倉檢查，掌子面刀具軌跡清晰可見，巖層完整性好，經(jīng)現(xiàn)場實測掌子面巖層強度為30～40 MPa。

區(qū)間沿線無地表水，沿恒競路有常見的路面排水設(shè)施，如邊溝、截排水溝、暗溝、窨井等，夏季降雨時積水可迅速排出。停機下方作業(yè)位置的地下水主要由孔隙潛水（主要在素填土中）、基巖裂隙水（主要在白堊系葛村組泥質(zhì)砂巖中并且富水性一般）兩種類型構(gòu)成。降雨是補充孔隙潛水的主要途徑，蒸發(fā)低排流失；上部地下水補給基巖裂隙水?？紫稘撍恢脼?.50～3.90 m，標(biāo)高25.60～29.75 m，水位年變化幅度約在1 m以內(nèi)?；鶐r裂隙水受裂隙性影響較大，分布不均并且富水性較差，水量少，水位一般靠近基巖頂板微承壓性。

4 刀盤結(jié)構(gòu)

根據(jù)本區(qū)間地層特性，配置復(fù)合式刀盤，以同時滿足復(fù)合土層的掘進施工。刀盤鋼材為Q345B，軟硬巖刀具可以互換。面板的耐磨板材和邊緣板材使用Hardox鋼板，刀盤外側(cè)使用焊接的圓周保護刀保證隧道尺寸。

刀盤前面板及圓弧表面焊接10 mm厚Hardox鋼板，刀盤外圈采用焊接圓周保護刀。刀座設(shè)計具有軟硬巖刀具可以互換的特點。刀盤開挖直徑φ6 500 mm，刀盤質(zhì)量約65 t，開口在整個盤面均勻分布，利于渣土流動及土壓傳遞更流暢，不易形成刀盤泥餅。

5 刀盤及刀具磨損情況

在493環(huán)停機位置開倉查刀情況：經(jīng)查，刀盤和中心刀具刀箱均存在一定程度磨損。

1）刀盤磨損情況：刀盤中心出現(xiàn)弧形磨損，磨損區(qū)域直徑約為70 cm，最大磨損深度在60～70 mm。其中，1#、2#刀具安裝位置磨損嚴(yán)重。

2）刀具及刀箱具體磨損情況：1#、2#、3#、4#中心撕裂刀存在不同程度的掉落和脫落，刀箱存在不同程度磨損，部分位置磨損量較大，磨損的最大磨損深度132 mm，成片磨損。9#、11#、33#滾刀有不同程度磨損，其他刀具磨損量在2～3 mm。

6 技術(shù)難點

刀箱的修復(fù)焊接過程中，需要在危險區(qū)域進行大量的動火作業(yè)，由于土倉內(nèi)部的施作空間比較狹小，動火作業(yè)會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，必須做好土倉內(nèi)部的通風(fēng)作業(yè)，對倉內(nèi)氣體進行檢測。此外，為保證刀盤修復(fù)順利進行，需在刀盤正面進行修復(fù)作業(yè)，因此，需要對掌子面進行鑿除，過程中對掌子面加固。同時做好盾尾止水環(huán)，在倉內(nèi)常備抽水泵，實時監(jiān)測掌子面滲漏及倉內(nèi)水位。

7 修復(fù)技術(shù)研究

7.1 止水環(huán)施工

對盾構(gòu)機后部3環(huán)管片（485～487環(huán)）進行水玻璃和水泥的雙液漿的二次注漿。雙液注漿施工要求：單環(huán)注漿采用從下向上的順序進行，按照9、10、8、7、11、…、1點位的順序?qū)ΨQ注漿，過程中避開K塊（管片封頂塊）。注漿配合比為水∶水泥=1∶1；水泥漿：水玻璃=5∶1，初凝時間60 s左右。注漿壓力≤0.5 MPa。打孔前，必須先裝球閥。打孔采用長度1 000 mm的鋼釬，開孔深度穿過同步注漿層≥10 cm，注漿至相鄰的靠上側(cè)的球閥冒出雙液漿為止，再注冒漿孔位。在注漿過程中，嚴(yán)禁作業(yè)人員在附近開孔，注漿期間無關(guān)人員應(yīng)避開注漿位置，防止壓力過大造成水玻璃漿液噴出傷害作業(yè)人員。

7.2 隔倉板進氣、排氣

通過泡沫管路排放壓出氣體，經(jīng)洞內(nèi)新鮮空氣進行稀釋，檢測氣體，直到排出的氣體質(zhì)量滿足要求，否則應(yīng)繼續(xù)進行氣體置換。進氣管和排氣管選擇相對位置最遠(yuǎn)的隔倉板球閥，并保證球閥位置在倉位以上。

7.3 倉內(nèi)通風(fēng)

倉門打開后，首先進行活禽試驗，試驗時間≥20 min，試驗過程中人員撤離到倉外等候。試驗合格后，從倉外1#臺車用φ200 mm軸流風(fēng)機+φ200 mm軟管將地面新鮮空氣通過材料倉引入倉內(nèi)進行通風(fēng)，倉內(nèi)開始空氣循環(huán)并關(guān)閉土倉隔板球閥，停止泡沫系統(tǒng)送風(fēng)。在材料倉內(nèi)放置1臺φ20 mm軸流風(fēng)機，通過φ200 mm軟管將倉內(nèi)有害氣體排至連接橋底部位置。若活禽在試驗時出現(xiàn)異常，則應(yīng)加強泡沫系統(tǒng)送風(fēng)并檢測倉內(nèi)空氣質(zhì)量，進倉查換刀作業(yè)過程中，保持24 h不間斷倉內(nèi)通風(fēng)，并每小時檢測1次倉內(nèi)空氣質(zhì)量。

7.4 掌子面檢查

倉內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)后，作業(yè)人員進倉檢查掌子面地層、穩(wěn)定性，對巖層進行強度回彈，通過刀具軌跡觀察等檢查巖層完整性，確認(rèn)是否與詳勘資料相符合。檢查掌子面及盾體后方滲水情況，檢測并記錄滲流量，觀察滲流量是否有增大趨勢，若有此趨勢，采取對盾體徑向孔注入聚氨酯或?qū)γ摮龆芪驳墓芷俅问┳髦顾h(huán)的措施。

根據(jù)上述內(nèi)容綜合判斷掌子面穩(wěn)定情況，確認(rèn)安全后方可開展下一步工作，若因地層不符等原因造成掌子面被判定處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有較大坍塌或較大坍塌趨勢，應(yīng)立即撤離土倉并關(guān)閉倉門，重新建立土倉壓力，由相關(guān)負(fù)責(zé)人研究處置措施或重新制定開倉方案。

7.5 維修孔鑿除

在刀盤面板前部掌子面鑿除深0.7 m、寬0.9 m、高1.5 m的維修孔，方便后續(xù)施工作業(yè)。倉內(nèi)同時進入2人作業(yè)，利用風(fēng)鎬進行維修孔鑿除，作業(yè)期間人倉內(nèi)安排專人值班，實時掌握倉內(nèi)動態(tài)。

鑿除作業(yè)前對維修孔頂部2 m范圍內(nèi)搭設(shè)保護平臺，將10#槽鋼焊接至刀盤，在槽鋼上滿鋪木板，防止上方碎塊或雜物滑落傷人。刀盤轉(zhuǎn)動前將槽鋼割除，轉(zhuǎn)動至指定位置后重新焊接。作業(yè)前和作業(yè)過程中及時對土倉底部進行排水，同時備好應(yīng)急水泵，做好緊急排水預(yù)案。

按照前期盾構(gòu)常壓開倉查刀監(jiān)測要求，刀盤修復(fù)作業(yè)過程中保持監(jiān)測頻率要求。地面安排專人進行24 h巡查，并與監(jiān)控室、盾構(gòu)機保持聯(lián)動。

7.6 刀箱及刀盤面板修復(fù)

1）刀箱及面板磨損情況。根據(jù)查刀情況，中心刀刀箱磨損區(qū)域，均位于3#～4#中心刀之間，計劃將6個中心刀箱支撐板（磨損塊）刨除，焊接相同規(guī)格、尺寸和材質(zhì)的刀箱支撐板。

2）刀箱修復(fù)。利用氣刨將6個塊分別刨開，對接觸面進行打磨后，利用二保焊機（焊絲1.2 mm）將提前定制的刀箱支撐塊（鋼板材質(zhì)Q345B）焊接至磨損位置。

3）刀箱支撐塊需采用工裝進行定位焊接，確保新焊接的支撐塊之間的間距與原設(shè)計一致。

4）刀盤面板修復(fù)。刀盤面板磨損量最深60～70 mm，提前現(xiàn)場量測、繪制磨損區(qū)域形狀及深度，根據(jù)磨損形狀定制鋼板，鋼板材質(zhì)為Q345B。利用二保焊機（焊絲1.2 mm）將鋼板貼焊至刀盤面板磨損區(qū)域，面板焊接焊縫≥30 mm，焊接質(zhì)量等級為I級，焊接完成后加焊耐磨。

修復(fù)完成后進行焊縫質(zhì)量檢測并出具第三方檢測報告，對于不合格的焊縫需進行補焊或刨除重新焊接。

7.7 刀具更換安裝

計劃對1#～8#中心撕裂刀和9#、11#、33#滾刀進行更換。磨損量超過15 mm時，刀具更換遵循“由外往內(nèi)，拆一把、裝一把，刀盤逆時針（或順時針）旋轉(zhuǎn)”的原則，并做好過程記錄，刀盤轉(zhuǎn)動前，所有人員及工具必須全部撤出土倉。

新刀進倉、安裝。清潔滾刀底座，檢查是否變形，采用手拉葫蘆將新刀運輸進倉安裝，依次裝入楔形塊、壓塊及螺栓。螺栓的緊固力矩為250～315 N·m，螺栓緊固時可使用氣動扳手緊固，螺栓緊固完成后將螺栓止退墊片鎖緊。中心刀的安裝與拆除時相反。

7.8 關(guān)閉倉門

刀盤及刀箱修復(fù)、刀具更換、刀盤檢查工作全部完成后，檢查清理添加劑管路，保證添加劑管路的暢通。清點各類設(shè)備、工具、材料及其他雜物，拆除作業(yè)平臺、軸流風(fēng)機管路和照明線路并運至倉外，確保倉內(nèi)無遺留物體，檢查無誤之后人員出倉并關(guān)閉倉門。

7.9 恢復(fù)掘進

刀盤修復(fù)、查換刀結(jié)束后，必須做好人倉清潔工作，盤點各類設(shè)備、工具及材料，全部收齊一并入庫[1-2]。開倉期間打開的各類閥門的關(guān)閉情況，符合要求后盾構(gòu)機可恢復(fù)掘進，復(fù)推第一環(huán)時必須嚴(yán)格控制刀盤貫入度。

8 結(jié)語

經(jīng)實踐檢驗，該工程施工后，圍巖穩(wěn)定，無透水發(fā)生，刀盤得以修復(fù)，刀具更換完成，后續(xù)施工正常?？蔀榻窈箢愃祈椖刻峁┙梃b。