超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换工法（图文丰富）

1、超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换工法中铁*集团1、前言随着国内交通根底设施建设的飞速开展，盾构施工以其平安、快速、高效在城市地铁、越江穿河隧道、输油地下管道等地下工程建设中的应用越来越多。在越江穿河工程中，一般由于隧道埋深较大，地层透水性较强，水压较高而选用泥水盾构。由于江底、河底、海底多为冲洪积形成的砂卵石地层和软硬不均的互层，作为盾构机上承当掘进功能的刀具磨损会很快，在施工中需经常检查、维修保养和更换刀具。中铁*集团针对南京长江隧道盾构段主要穿越地层为粘土层、粉细砂、砾砂和圆砾复合地层，在砾砂和圆砾复合地层刀具的磨损比拟严重，且由于盾构在长江底进行掘进，埋深大，水压高，开挖面土体自稳性差

2、，高压进仓换刀风险很大的技术难点进行研究，在总结超大直径盾构常压换刀施工技术的根底上，形成该工法。2(即相当于70cm水头压力)，开挖直径达14.96m，距离超过3km等现象，拟通过调研、理论分析、实物试验、模型试验、三维数值可视化仿真模拟和现场实测等手段，研究盾构法穿越长江隧道建造的一系列关键技术及其施工风险分析评估体系和健康监测体系，上述内容尚未见有公开文献报道。2021年9月9日通过了中国建筑业协会全国建筑业新技术应用示范工程成果评审，评审意见：“超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换技术到达国际先进水平。该工法应分别应用于南京长江隧道工程左、右线盾构隧道江中段，推广应用成绩显著。2、工法特

3、点常压换刀作为盾构施工中一种新型的换刀工艺，其主要特点如下：2.0.1平安性高。整个换刀工作处在常压下，相比带压进仓、对开挖面前方土体进行加固后，常压进仓作业条件好，平安性高。2.0.2工期短。常压换刀，平均2小时更换一把刀，一次停机换刀只需要23天时间，相比带压进仓作业每次进仓只能工作1.5小时，出仓减压需要34小时，每次刀具更换约需要1215天，常压换刀相对高压换刀效率提高了45倍。2.0.3施工本钱降低。高压换刀每次高浓泥浆制备需要30万元，专业潜水人员作业费用85万元。常压换刀每次泥浆费用5000元以下，换刀人员每次换刀作业特殊作业津贴1万元，施工本钱明显减少。2.0.4环境影响小。压

4、换刀施工不占用地表，不对地面交通及周围环境造成影响。3、适用范围本工法适用于大直径的长距离越江穿河隧道工程中高水压、砂卵石地层下的盾构刀盘主臂内配有可常压更换刀具设计的泥水盾构工程。4、工艺原理刀盘由6个辐臂和6块可焊接块组成，其中6个辐臂采用空心体形式，根据刀盘刀具分布位置不同，将局部刀座采用背装式，使这局部刀座上的刀具切削轨迹覆盖整个刀盘面。背装式刀具刀腔内设置闸板，人员可直接进入辐臂内，从刀腔内抽出刀具，然后关闭刀腔闸板，将刀盘前方高压仓与刀臂常压仓隔开，待检查更换新刀具后，翻开闸板，装回刀具，实现常压更换刀具。如图4.1可更换刀具示意图。图4.1 可更换刀具示意图5、施工工艺流程及操作

5、要点刀具更换流程，见图：5.1 刀具更换工艺流程图5.2刀盘、刀具介绍刀具的种类和数量：可更换刮刀71把，固定刮刀118把，先行齿刀16把，螺栓式铲刀12把，焊接式铲刀6把，仿形刀2把，共225把刀具，其中10把刀具设有磨损检测装置。刀具的轨迹：每把刀的轨迹如下表所示，7把中心刀轨迹间隔230mm，8#-35#正面刀轨迹间隔200mm,36#和37#刀轨迹间隔170mm，37#和38#轨迹间隔70mm。从刀具轨迹表可以看出，刀具随着半径方向的增大而增多、加密，这是由于外圈的线速度总是大于内圈，更容易造成磨损。可更换刀具的轨迹覆盖了整个开挖面，刀盘刀具配置见表5.2和图5.2-1。是提高开挖仓泥

6、浆比重、粘度换刀准备工作开仓刀具撤除关闭闸门刀具检查刀具磨损刀具更换、安装否图5.1 刀具更换工艺流程图表5.2 刀盘刀具配置表轨迹线半径小计中心1#主臂2#主臂3#主臂4#主臂5#主臂6#主臂11151123451135751148051151035116126531117149551111181695611111191895611111110209561111111122956111111122495611111113269561111111428956111111153095611111116329561111111734956111111183695611111119389561111

7、112040956111111214295611111122449561111112346956111111244895611111125509561111112652956111111275495611111128569561111112958956111111306095611111131629561111113264956 111111336695611111134689561111113570956111111367240211377410211387480211397480211先行刀16444421574801121674801121774802112187480211超挖刀211

8、中刮刀12111111111111小计:2257333739323839合计:225225黄色填充-可更换刀具绿色填充-报警刀具刀具的高度相对于刀盘面：先行刀250mm，固定刮刀和可更换刀200mm，其中39#刀只有15mm。由于36#-39#属于边缘刀，用来保障开挖直径，所以当磨损超过10mm时需进行更换，否那么会伤及刀盘，如图5.2-2。从盾构机的刀具设计及耐磨性对砾砂层地质条件的适应程度分析，刀具磨损的形式为：一是正常的磨损，二是非正常磕碰崩齿。以上两种磨损后者所占比重更高，对刀具的危害更大，尤其是刀盘边缘部刀具。在该段地层中盾构掘进施工，为有效地防止刀具过度而磨损损伤刀盘，刀具的检查与

9、更换作业将是经常性的工作。根据磨损分析及盾构机刀盘刀具设计，拟通过定期的刀具检查及更换和临时刀具检查加大对刀具健康状态的监控。定期开仓刀具检与更换方案主要根据预估的刀具磨损量设定一定的检查频率，主要以边缘刀具和处于砾砂层的刀具为主。方案表见下。图5.2-1 刀盘刀具配置图盾构机在砾砂层掘进过程中可能会出现推力与扭矩异常的状况，此时应分析掘进参数异常的原因，并及时作出是否增加临时开仓检查作业。盾构机在砾砂层掘进过程中应加大对装有刀具磨损报警装置检测。假设报警装置报警那么临时开仓对相应掘削轨迹线的可更换刀具进行开仓检查。当泥水处理设备有异物出现时，也应认真分析并决定是否开仓检查。1、边缘刀具由于边

10、缘刀只比刀盘高出15mm，所以当边刀磨损10mm时，就应更换刀头，以保护刀盘、保证开挖直径。2、正面刀具正面刀具比刀盘高出200mm，但由于刀具磨损后对相邻刀具形不成保护，会导致相邻刀具的加速磨损，因此磨损量也不宜过大，应在磨损15mm时，更换刀头。图5.2-2 刀具磨损分析图泥水平衡盾构的主要原理是开挖仓内的泥水压力与地下水土压力平衡，泥浆向地层渗透形成不透水泥膜，从而保持开挖仓内的泥浆压力，支撑开挖面土体稳定。常压换刀一般需要2到3天的停机时间，换刀前应适当提高开挖仓泥水的粘度和比重，确保开挖面稳定。将刀盘旋转到需要检查的刀具所在主臂垂直于盾构水平轴线。翻开中心锥上的人闸孔进行通风。连接穿

11、梭人闸和气管、水管、电缆等。根据刀具磨损的一般规律，最外圈的边缘刀具磨损最快。南京长江隧道所用盾构机最外圈的刀具编号为38#边缘刀，本工法以38#边缘刀为例进行阐述，其余刀具更换同理。38#边缘刀位于六号主臂，首先将刀盘旋转到6#主臂处于最底部的位置，使中心穿梭人闸正好位于中心锥正中位置，然后开启中心锥的仓门，通过事先安装在中心人闸上的气管，置换人闸内废气。在人闸内充满新鲜空气后刀具检查更换作业人员进入人闸，将2t重的气动葫芦安装在竖向垂直于6号主臂上方的吊耳上。翻开6号主臂盖，用压缩空气置换主臂内废气。两名作业人员留在中心人闸6号主臂入口处，一名停留在位于主臂中部的隔板上传递作业工具，另外两

12、名进入刀具所在位置从事具体的拆刀、安装刀具的工作。撤除位于刀具基座上的四个水管接头的两个，选择适宜的位置安装油缸，如图5.4-1所示。注意在下列图箭头所示处安装销子，固定油缸。 图5.4-1 换刀油缸安装图1、按图5.4-2刀具基座所标螺栓，先撤除1号螺栓，根据相应刀具编号查找到所需导向杆的长度，安装导向杆。图5.4-2 刀具固定基座图2、同理根据相应的刀具编号查找到对应的丝杆编号，将丝杆带有圆形卡口的固定端安装到基座的固定端的缺口上，如图5.4-1所示。将丝杆带有方形卡口的一端安装到刀具的活动基座的缺口上。丝杆两端都用销子固定，防止滑脱。3、将预先准备好的三通水管连接在刀具固定基座的两个预留

13、阀门上，三通水管上连接有水压测试表。先翻开进水阀再翻开基座上的闸阀，观察水压表压力变化，使压力能够维持在10bar大于开挖面最大泥浆压力，确保水压足以阻挡外界泥浆涌进。 4、撤除图5.4-3所示编号为2的八颗螺栓时，需要用两把同样型号的气动扳手同时顺时针方向操作。操作过程中要用力均匀，且同时启动，同时关闭。如果发现一把扳手用力明显超过另一把，说明丝杆已经发生变形，用力大的扳手就要停一下或者往反方向回打一点，保持两气动扳手同步。5、当丝杆的尾部离刀具移动基座剩余20cm时，此时刀头即将脱离固定基座，停止打气动扳手，用吊带拴住抽出刀具的尾部。将刀具悬挂在葫芦上，保证刀具平稳。6、启动气动扳手，当抽

14、到导向杆尾部距移动刀具基座还有约5mm时，刀头已经离开了闸门处，应停止抽刀，准备关闭闸门。A构A7、在保证两水阀常开的条件下，使用手压泵给预先安装在固定基座上的闸门闭合油缸加压。在油缸收缩约25cm时，闸门闭合油缸会有明显的压力变化，在闸门顶部与固定基座外表平齐时，停止加压。关闭基座上的两个球阀门以及进水管的阀门，撤除其中一个水管，翻开球阀，观察是否有泥水流出，假设有泥浆流出，那么应对闸门闭合油缸继续加压；假设无泥浆流出，那么闸门已完全关闭，关闭球阀进入下一步工作。8、撤除导向杆、丝杆，用吊带将刀具固定基座一端拴好，缓缓移动刀具，直至刀头完全脱离固定基座的刀腔。检查刀具有无崩齿及刀具磨损情况，

15、确认是否更换刀具。9、对于尚不需更换的刀具，可装回刀腔内固定。对于有明显磨损的刀具，用悬挂在刀臂入口正上方的气动葫芦将刀头吊到中心锥处，用千分尺测量刀头竖向和横向的磨损程度。根据相应地层和磨损程度确定是否更换刀具，如需更换刀具，在刀具移动基座上部缺口处作好标记后撤除刀头，新刀头装回时只需将做标记的一侧朝上就能保证刀具方向正确。10、撤除如图5.4-3中六颗3号螺栓，取下刀具移动基座后盖板。用加长杆连接如图5.4-4所示1号螺栓和气动扳手，撤除1号螺栓后刀头即可与移动基座别离。如果刀头和基座摩擦力较大，可用锤子轻打刀头，震动至松动，取下刀头并运出中心锥。为方便装新刀头，可在刀头和移动基座上用记号

16、笔沿刀刃两侧画两条线，装回新刀具时刀刃沿所标记的线装入。1、根据图纸选择相应的刀具，吊至中心锥内，在刀头和刀具移动基座接触的部位涂抹黄油2号锂基脂，黄油主要起润滑作用，方便下次撤除刀头。将涂抹黄油的新刀头装入刀具的移动基座，新刀装入时刀刃方向沿着拆刀时标记的线装入。2、借助悬挂在中心锥入口处和相应主臂入口处的葫芦将刀具竖立。采用加长杆将图5所示1号螺栓紧固。3、检查如图5.4-4所示刀具移动基座尾部盖板处b、c、d三道密封橡胶密封圈是否完好。假设有损坏应进行更换。盖好盖板，用气动扳手对角紧固图5.4-4所示2号螺栓，全部紧固完毕后应二次复紧。4、将组装好的的刀具吊入刀臂内，移动基座做标记的一侧

17、朝上，将刀头对准刀腔后插入少许，安装导向杆、丝杆，方法同刀具撤除的步骤3。5、重新装好撤除刀具卸下的水管，翻开水管阀门，用清水冲洗刀腔内泥沙等杂物，边冲刷边启动扳手，和撤除刀具一样，两组气动扳手同步操作，防止丝杆弯曲变形。6、当刀具移动基座与固定基座接触时，丝杆也根本拧至端头，此时可以紧固图5.5-4所示2号螺栓，操作时应对角紧固。撤除丝杆、光杆，在1号孔位置安装螺栓。对1、2号共十颗螺栓复紧。 7、关闭水管球阀，撤除水管，将一根水管连接气动油脂泵，往刀腔内注入油脂，翻开另一球阀检验是否有油脂涌出，以验证刀腔是否充满油脂。关闭阀门，在管路端头装上油堵，防止污渍、杂物进入刀腔内。劳动力组织见表5

18、.5 人员配制表序号人员人数职责分工1指挥组3全面管理、决策、组织、指挥换刀工作2盾构机长2设定并确保盾构机各项参数正常3泥水工程师3调制满足指标要求的泥浆4换刀领班3提供换刀设备、图纸、现场协调和技术指导。5换刀技工15负责安装、撤除刀具6平安员3负责换刀时的各项平安工作说明：此表劳动力配置考虑了三班制，合计29人。除去必要的带压作业培训外，对所有的作业人员进行一次涉及平安、工作流程培训，包括：总体流程、刀具拆装方法、工具使用方法等。由于刀具检查时会采取带压作业的形式，危险点较多，因此各个岗位的人员必须固定，明确职责，以最大限度的减少不确定因素。6、材料与设备61主要机具设备见表6.1 机具

19、设备表表6.1 机具设备表序号名称规格数量用途1手动油压泵700bar1台闸门开闭2闸门开闭油缸90/70-375-S1套闸门开闭3油缸附件压板不同刀具不同图纸1件闸门开闭4油缸附件定位销不同刀具不同图纸6个油缸连接和丝杆连接用5油管350bar3个闸门开闭6丝杆/导向杆853/765、1053/977、1003/911、1113/1023、1185/1095、1372/1265各2套刀具拆装7内六角扳手142个连接油缸与压板8开口/梅花两用扳手17、19各2个拆螺杆尾部螺母9双向气动扳手3/42个打螺丝10套筒242个打丝杆11手拉葫芦3个刀具拆装12吊带2T4条13气动葫芦2T1个14手板

20、葫芦2T3个15气管配接头140m16水管配接头140m1724V行灯24V直流10m线长3把18防水插座防水插座5个19气动扳手11个撤除刀头20扳手延长杆300-400mm长，12个21套筒19mm in. 、22mm in.、24mm in.、30mm in.、36mm in.、46mm in.、55mm 1 in.各2个22套筒变径接头 - 2个23扳手延长杆200mm长12个24扳手延长杆400 mm长12个25锤子1把26PVC锤子PVC1把27螺丝刀一字1把28开口/梅花两用扳手14、17、19、22、24、30、32各1个29管钳22把30丝锥M16、M20、M24、M30、M

21、36各2个31气动扳手11个撤除刀头32扳手延长杆300-400mm长，12个33套筒19mm in. 、22mm in.各2个34卡扣4t4个35气枪带快速接头2个36撬棍2个37手提式蓄电池灯防水耐压型4台工作一旦展开，应当防止现场工具遗失、不够等情况的发生，以免耽误时间；并坚决杜绝工具遗忘在刀盘内的情况的发生。为此，制定机具设备管理方法如下：1、工作开始之前，所有工具摆放在管片安装器下方的走道上的工具箱中，并上锁。由值班机电领班负责保管。2、不管是常压作业还是带压作业，所有带入仓内的工具必须在值班机电领班处登记领用。3、当班作业完毕后，机电领班需与下班机电领班做好工具交接，所有工具尽可能

22、由仓内取出，对由于工作需要暂时不能取出的，必须移交清单，并双方签字确认。4、为保证仓内平安，除清单内的工具，严禁私自携带工具进入仓内。5、刀具检查结束后，清点所有工具，确保没有任何异物遗漏在工作仓内。将清点好的工具打包，集中存放，以方便下次使用。7、质量控制边缘刀磨损10mm时，更换刀头，正面刀具磨损15mm时，更换刀头。7.2.1按照施工工艺要求，严格执行指挥部制定的?盾构维保操作规程?。7.2.2每天对掘进参数进行分析，在刀盘扭矩明显变大时，应当停机检查刀具。7.2.3用游标卡尺对刀具磨损情况进行测量，对每次换刀时间、刀具磨损情况进行准确的登记。及时观察不同地质条件对刀具的磨损状况。7.2

23、.4针对不同的地层使用不同的材质和形状的刀具。7.2.5严格执行丝杆报废制度，丝杆使用3次以上必须进行更换。7.2.6刀头撤除时作好标记，安装新刀头时严格按照标记进行安装，确保刀头的耐磨面朝向开挖方向。8、平安措施8.1创立三级平安生产责任体系。在集团公司平安机构的领导下，指挥部成立了三级平安机构：一级是局指平安领导小组，由指挥长亲自任组长，管施工生产的副指挥长及平安长任副组长，组员由总工程师及各工程部经理、局指各部门负责人组成。二级是由各工程局部管生产的副经理及平安长、平安工程师及各部门负责人组成。三级是由专职平安员及各班组兼职平安员组成，并且在施工现场所有作业人员都是义务平安员，对所负责的

24、施工现场平安负责。使平安在组织体系上到达了全覆盖无漏洞。8.2强化平安责任制、严格规章制度、实行绩效管理制定了一系列的平安生产管理方法，并根据每个管理人员及施工作业人员不同的工作岗位及所从事的不同工种制定了详细的岗位平安职责，贯彻“平安第一、预防为主的方针和“管生产必须抓平安的原那么，确保施工生产的平安。指挥部制定了?工程绩效考核管理方法?，把平安工作目标进行数据化量化管理，实行每月一考核。“一法三卡工作法，维护员工的健康和平安参照国家现行的劳动平安卫生法律法规和技术标准，结合平安生产的实际情况，借鉴国内外平安管理的经验，积极推行“一法三卡工作法，维护员工的健康和平安。8.4公布落实?平安生产

25、手册?根据超大直径盾构浅覆土穿越施工的特点和业主、公司的平安生产管理规定，公布实施适合本工程需要的?平安生产手册?，其内容遵守国家公布的各种平安规程。工人上岗前进行培训和考核，合格者准予上岗。对于机械操作手、电工、电焊工等特殊工种工作人员，严格持证上岗，确保按平安操作规程施工，保证施工平安。8.6抓教育培训、提高员工素质面对超大直径盾构隧道施工这一技术难度大，施工风险点多、危险源多、员工操作不熟练这一现状，为了使员工能熟练掌握操作规程，保证平安生产，我们坚持“学用结合、按需培训的原那么，做好员工三级平安教育的同时，抓好员工操作技能培训工作。8.7防止疲劳作业，强化现场管理1、负责具体换刀的作业

26、人员实行三班倒，保证充足的休息时间，防止疲劳作业。2、作业人员进出换刀工区前，要用新鲜空间置换操作区间内的废气。严格按照作业程序工作，闸门不完全关闭，严禁抽刀。3、所有放入中心锥内的工具严格登记，关闭仓门前，清点工具列单。9、环保措施在本工程施工过程中，严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章，以及业主制定的有关本工程环境保护的规章制度，加强对噪声、粉尘、废气、废水的控制和治理，降低噪声，控制粉尘和废气的浓度以及做好废水和废油的治理和排放，做好垃圾等废弃物的处理。10、效益分析南京长江隧道在进入砾砂层掘进初期采用高压换刀，每次换刀需要联系国外专业潜水公司，准备高压进仓设备，进

27、行高浓泥浆置换，每次换刀需要1518天时间，高浓泥浆制备30万元，专业潜水人员作业费用85万元。后来采用常压更换刀具后，每次停机更换刀具作业只需23天，换刀作业只需正常泥浆维护掌子面，泥浆费用5000元以下，换刀人员为盾构设备维保人员，每次换刀作业设置特殊作业津贴1万元，施工本钱明显减少。按照盾构在砾砂及圆砾层中掘进平均每80m进行一次刀具检查更换作业，单线隧道累计可节省工期8个月，节约人工及材料费用5000余万元。常压换刀无需进入开挖仓内，施工环境较好，平安风险小。常压换刀，防止了高压换刀对前方土体采取加固、开槽等措施，对环境无污染。1、通过超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换工法的研究，解决

28、了刀具磨损对盾构掘进长度的影响，节约了工期，确保了工程成功建设。2、超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换工法的研究，对长大隧道在砾砂层地层中长距离掘进，盾构刀具常压更换具有非常重要的指导意义。3、超大直径盾构隧道常压下盾构刀具更换工法的成功实施，防止了高压换刀的巨大风险，创造了世界纪录，为企业在施工领域的拓展树立了良好的信誉。11、应用实例南京长江隧道工程南京长江隧道工程采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁的施工方案，其中左线盾构隧道长3022m，右线盾构隧道长3015m。盾构隧道加压平衡盾构施工。根据地质纵断面资料及泥水处理厂出渣情况，盾构穿越主要地层为粘土、粉细砂、砾砂和圆砾层，其中砾砂和圆砾复合地层1300m，盾构穿越地层