气压环境下盾构刀盘修复方案曹金伟

1、 1#盾构机刀盘刀具更换和恢复推进施工方案目录1. 工程概况21.1 1#盾构机前300环施工情况21.2 1#盾构机刀盘现状21.3 工程地质31.4 工程周边环境52. 刀盘刀具更换和恢复推进施工总体筹划52.1 刀盘刀具更换施工安排52.2 1#盾构恢复推进总体施工安排63. 1#盾构机刀盘刀具更换施工技术措施63.1 气压置换仓内泥浆63.2 清理土仓、检查基岩岩面线63.3 带压封闭刀盘开口区域63.4 常压或低压状态开辟两个换刀空间73.4 仓内更换正面和周边滚刀93.5 低压状态出仓更换正面撕裂刀和周边圆弧刮刀93.6 拆除开口区域封板93.7 修复完毕恢复正常工况104. 隧道

2、沿线地质补充勘察施工105. 1#盾构恢复掘进施工技术措施105.1 土仓内压入加压泥浆置换气压105.2 低速、小推力、高转速试推进105.3 完成1m试推进后转入正常推进模式116. 施工组织安排116.1 人员组织安排116.2 材料、设备安排116.3 施工工期安排117. 施工监测128. 工程安全专项措施128.1 气压进仓作业程序128.2 换刀作业操作程序129. 应急预案151. 工程概况1.1 1#盾构机前300环施工情况(请项目部根据实际情况完善相应内容)1.2 1#盾构机刀盘现状1#盾构机在经过300环的掘进施工，特别是283环后继续推进16环过程中出现大推力、高扭矩以

3、及盾构剧烈抖动等现象，表明盾构机刀盘的刀具受损严重。同时在四次进仓检查和换刀作业过程中，实际看到的刀盘情况也证实目前1#盾构机刀盘刀具的现状已非常差，无法满足继续推进的要求。主要体现在：(1) 滚刀刀刃的偏磨和崩缺(2) 周边圆弧刮刀的崩缺和掉落(3) 正面撕裂刀的崩缺和掉落具体的情况见下图1-01、02：图1-01 圆弧刮刀和滚刀受损图一图1-02 撕裂刀、圆弧刮刀和滚刀受损图一1.3 工程地质(1) 工程地质根据地质详勘资料，在340环前(请项目部核实)隧道开挖断面内均为残积土和全风化紫苏花岗岩，基本表现为软土/软岩。然而1#盾构机掘进至283环时出现高扭矩的现象，表明隧道开挖断面内出现高

4、强度的强、中风化基岩，后续几次的进仓作业也确认上述地质情况。目前隧道断面内由上而下地层为：残积土(厚1.7m)、全风化花岗岩(厚2.2m)、强风化花岗岩(厚1.5m)和中风化花岗岩(厚1.5m)，且强、中风化花岗岩岩体较为完整，岩体强度达到50MPa以上。具体的地层分布见下图1-03图1-03 盾构正面岩土地层分布示意图12.247(2) 水文地质根据详勘资料，工程沿线地下水水位平均标高为+0.25m，主要为潜水。目前隧道的中心标高为-11.997m，至隧道中心的水头压力约为12.247m。详见图1-04(具体的水文地质详细情况请项目部补充完善)图1-04 盾构正面水位情况示意图1.4 工程周

5、边环境工程沿线主要在较为密集的民房区，目前盾构停顿区域上部是Alakappa Road和PH Road的十字路口，交通繁忙，管线密集，建筑物较多。详见图1-05。图1-05盾构停顿位置周边环境示意图 2. 刀盘刀具更换和恢复推进施工总体筹划2.1 刀盘刀具更换施工安排根据1#盾构机刀盘刀具受损的实际情况，必须采取相应措施，对刀盘的刀具进行更换和改进。同时由于受到工程地质和周边环境的限制，现场无法实施地基加固、降水等辅助措施，所以只能在盾构机内部采取措施，既要保证刀盘正面的安全，又要满足快速进仓换刀的各项要求，最终达到尽快恢复1#盾构机的正常掘进的目的。1#盾构机刀盘刀具的总体施工安排如下： 施

6、工材料、刀具和专用工具的准备 气压置换仓内泥浆 清理土仓、检查基岩岩面线 带压封闭刀盘开口区域 常压或低压状态开辟两个换刀空间 仓内更换正面和周边滚刀 低压状态出仓更换正面撕裂刀和周边圆弧刮刀 拆除开口区域封板 修复完毕恢复正常工况施工过程中做好安全监护和施工监测工作，确保换刀工作的安全以及地面不出现较大的变形。2.2 1#盾构恢复推进总体施工安排基于前期盾构推进过程中发现地质条件与详勘资料差异较大，为了准确地了解隧道沿线的地质情况，在进行刀具更换的同时，对盾构机前沿200m范围内的地质进行补充勘查。一旦上述两项工作全部完成后，着手进行恢复推进施工。1#盾构恢复推进总体施工安排如下： 隧道沿线

7、地质补勘、刀具全部更换完毕 土仓内压入加压泥浆置换气压 低速、小推力、高转速试推进 完成1m试推进后转入正常推进模式在恢复推进阶段，特别是初始1m试推进过程中，尽可能以低速进行掘进，待原状土填满土仓以及推力、扭矩基本正常后，再转入正常掘进模式。3. 1#盾构机刀盘刀具更换施工技术措施在正式实施刀盘刀具更换之前，通过逐渐减压的方法再次判断目前工况下，常压状态能否保证盾构机开挖面的稳定。最终确定是否可以常压换刀，或者以多少气压可以维持正面稳定。3.1 气压置换仓内泥浆(1) 确认盾构机胸板上具有排浆管路。(2) 确认螺旋机的密封状态。(3) 通过上部加压，下部管路排浆的方法置换土仓内泥浆。(4)

8、观察45个小时，确认0.8bar气压状态下正面的稳定情况。3.2 清理土仓、检查基岩岩面线(1) 施工人员带压进入土仓(具体的气压作业程序见安全施工章节)，清理土仓内残余的泥浆和刀盘开口区域。(2) 清理仓内残余积土，在土仓内最低位置设置一个集水坑和抽水设备，保证临时排水。(3) 检查刀盘正面基岩的岩面线，为后续换刀空间位置的最终定夺做好技术准备。3.3 带压封闭刀盘开口区域(1) 在开口区焊接封板固定螺栓(M16)。(2) 利用钢封板将刀盘开口全部临时封闭，施工顺序为由上而下。(3) 根据刀盘开口形式，具体的开口形式为4种，具体形式和尺寸见表3-01表3-01刀盘开口形式和临时封板汇总表序号

9、形式、尺寸数 量固定螺栓封板规格18块6*M16=8mm材料：Q235A尺寸为开口尺寸外加40mm跨中加12#槽钢加强28块8*M1638块8*M1648块8*M16 3.4 常压或低压状态开辟两个换刀空间(1) 拆除非结构受力区的封板和隔仓板。(2) 常压或低压状态利用风镐或液压破碎设备在下半部强、中风化花岗岩区域开辟两个换刀空间(左右各一个)，空间尺寸要求为600X1800X1900mm，具体要求见图3-01。(3) 在完成换刀空间开凿后，利用60mm厚木板对上部进行临时支撑。强风化花岗岩岩面线换刀空间位置割除非受力隔板凿除刀具回转范围内硬岩1.01.5m强风化花岗岩岩面线换刀空间位置67

10、30盾构机图3-01 刀盘刀具换刀空间设置示意图3.4 仓内更换正面和周边滚刀(1) 常压或低压工况下，利用专用工具逐一将受损的正面和周边滚刀更换。在换刀过程中，需再次对受损严重的滚动的底座进行检查，确保底座完好。如出现某把滚动底座受损或变形，换刀时间过长，可通过钢封板将该滚动开口位置临时封闭，保证换刀作业的安全。(2) 为了加快换刀进度，过程中可以小幅度转动刀盘，保证换刀作业角度的舒适。(3) 如前期判断中风化花岗岩岩面线在盾构底部的1m以上，为了保证新换的周边滚刀在初期转动时不直接受集中偏心力而损伤，必须将周边滚刀轨迹内盾构底部中风化基岩先期凿除。3.5 低压状态出仓更换正面撕裂刀和周边圆

11、弧刮刀(1) 低压工况下，在先期开凿出的换刀空间内将受损的正面撕裂刀、先行刀和保护刀逐一割除和焊接。操作顺序为：割除一个区域的34把刀具，同步将新刀具焊接完成，然后再调整刀盘角度，再进行下一个区域刀具的更换工作。(2) 在完成撕裂刀及其他正面刀具的更换工作后，按相同的操作顺序逐一对受损的周边弧形刮刀更换。(3) 这个阶段气割和焊接的工作量非常多，必须采取通风和排气措施，保证工作面的环境满足职业健康要求。(4) 在各类刀具焊接前，做好焊接工艺的测试工作，确保刀盘母材、刀具底座和焊接材料的匹配。具体的焊缝要求、焊接作业要求见“8.2 换刀操作程序”章节3.6 拆除开口区域封板在完成各类刀具的更换工

12、作，并确认刀具初始开挖空间内不存在能破坏刀具的硬岩或其他异物后，开始进行以下工作：(1) 重新焊接先期割除的非受力隔板。(2) 拆除刀盘开口区域钢封板，盘体上留置的M16螺栓拧上保护螺母。(3) 施工顺序为：由下而上。3.7 修复完毕恢复正常工况在完成相应的检查工作后，仓内施工人员撤出土仓，恢复初始正常的气压平衡状态，准备实施试推进。4. 隧道沿线地质补充勘察施工基于前期盾构推进过程中发现地质条件与详勘资料差异较大，为了准确地了解隧道沿线的地质情况，在进行刀具更换的同时，对盾构机前沿200m范围内的地质进行补充勘查。补勘的基本原则：(1) 每20米设一个勘察孔，孔深为21.2m(盾构底部下1m

13、)。(2) 勘察孔梅花形错位布置，在盾构掘进断面外，需覆盖两条隧道。(3) 勘察主要以判断岩层岩面线和岩层强度为主，同时对上部残积土的水文情况，以及岩层的裂隙发育情况和破碎程度作出准确的补勘。(4) 补勘完成后，对取芯孔必须通过粘土进行有效回填。5. 1#盾构恢复掘进施工技术措施一旦刀具更换和地质补勘两项工作全部完成，对后续的地质情况形成较为充分的了解，并在同期进行的2#盾构掘进类似地层的前提下，着手进行1#盾构恢复推进施工。5.1 土仓内压入加压泥浆置换气压由于仓内全部为压缩空气，没有土体，为了避免盾构恢复掘进时，出现较大扰动或坍塌。利用下半部胸板上的管路压入加压泥浆，逐步将压缩空气置换。最

14、终达到盾构机土仓内以加压泥浆为主的工况。5.2 低速、小推力、高转速试推进(1) 以11.2rpm的转速进行刀盘试运转1015分钟，确认刀具或主驱动没有异常。(2) 以低速、小推力、高转速进行试掘进，以推进速度控制为主：23mm/min，一旦出现扭矩波动剧烈或盾构抖动等异常情况，及时停止推进。(3) 初期正面压力控制以管路排浆为主，在掘进3035cm后逐渐转为螺旋机控制，螺旋机出土口需带密封闸阀或保压泵渣装置，避免出现喷涌现象。5.3 完成1m试推进后转入正常推进模式(1) 在恢复推进阶段，特别是初始1m试推进过程中，尽可能以低速进行掘进，待原状土填满土仓以及推力、扭矩基本正常后，再转入正常掘

15、进模式。(2) 在后续高强度花岗岩地层中正常掘进模式也基本以慢速为主，带班工程师主要的工作为参数控制、地质检查和超前预判，同时根据参数情况判断刀盘刀具的情况，并定期进仓进行刀具的检查。(3) 一旦盾构盾尾到达前期换刀区域，通过增加同步注浆量，控制后续的地表沉降。并相应的增加盾尾油脂压注量，保证盾尾密封的效果。(4) 转入正常掘进模式后，通过盾构机胸板的温度检查，判断土仓内是否结泥饼，一旦出现结泥饼现象，及时通过压注加压泥浆或泡沫消除泥饼。(5) 在硬岩地层中掘进需要安排专人和专业队伍进行刀具的管理，主要做好以下管理工作： 要做好刀具的编号和使用台账； 要定期做好刀具的检查工作，并对磨损或损坏情

16、况分门别类地记录在案； 做好刀具特别是旧滚刀的修善和保养工作。通过上述对刀具的专业管理，既能加快施工进度降低施工成本，又能对各类刀具对不同地层的适应性作出准确的判断和预估。6. 施工组织安排6.1 人员组织安排(请项目部根据实际情况补充完善)6.2 材料、设备安排(请项目部根据实际情况补充完善)6.3 施工工期安排序号项 目施工周期备 注1施工材料、刀具和专用工具的准备10d2气压置换仓内泥浆1d3进仓清理岩土、检查岩层岩面线2d4带压封闭刀盘开口区域5d5常压或低压状态开辟两个换刀空间7d6仓内更换正面和周边滚刀7d7低压状态出仓更换正面撕裂刀(其他刀具)和周边圆弧刮刀16d8拆除开口区域封

17、板1d9修复完毕恢复正常工况0d合计49d同期进行地质补勘工作，施工周期约40天7. 施工监测根据现场条件，地面和周边建筑物布设相应的沉降监测点，进行信息化施工。同时在隧道内布设部分隧道沉降测点，通过管底或拱顶的沉降判断成环隧道的稳定情况。(请项目部根据前期实际情况补充完善)8. 工程安全专项措施8.1 气压进仓作业程序(请项目部根据钦奈实际情况补充完善)8.2 换刀作业操作程序由于盾构刀盘最外周的圆弧刮刀底板在施工中发生脱落,为保证盾构顺利推进需对该刀具安装底板进行修复,由于底板焊缝有部分位于盾构刀盘前方,在刀盘背部无法焊接刀盘正面焊缝,需在刀盘前方开凿出一定空间便于施焊。考虑到不同主幅条上

18、的圆弧刮刀底板都有脱落，修复刀盘圆弧刮刀底板需要旋转刀盘，为保证换刀空间在刀盘旋转时不坍塌，以及人员安全拟在岩面线以下开凿详见图3-01。(1) 焊缝介绍 刀盘背部焊缝(见图8-01)40mm角焊缝满焊图8-01 刀盘背部焊缝详图 刀盘正面焊缝(见图8-02)两端满焊40mm角焊缝先在刀盘上两端各300mm范围内做出C20的倒角后再进行焊接，并最终达到40mm角焊缝图8-02 刀盘正面焊缝详图 (2) 焊接作业底板焊缝分刀盘正面焊缝和刀盘背部焊缝，刀盘背部焊缝只要将幅条转至恰当位置，人员在土仓内就可焊接，而刀盘正面焊缝焊接，则在正面左右两个换刀空间内进行。考虑避免仰焊，影响焊接质量，一个换刀空间只能焊主