中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司
摘要：随着城市地铁的快速发展，盾构施工成为地铁建设的主要工法，而且经过国内多年不同城市及不同地质情况的总结，盾构施工技术已经相当成熟，其中包括盾构开仓换刀技术，成都地铁建设初期砂卵石地层掘进100-200米，盾构就需要进行刀具更换，现在可以达到500米甚至更长。换刀方式一般采用常压换刀，但对于一些复杂地层常压开仓换刀存在很大的困难。为此，本文依托成都地铁某工程，讨论盾构机在富水松散砂卵石、泥岩交接面地层常压开仓换刀案例，研究总结地层松散、降水困难开仓换刀的控制措施，以期能为类似工程提供参考。
关键词：地铁；盾构；刀盘；刀具；开仓；磨损；掌子面；降水；二次注浆
一、引言
盾构施工作为城市地铁隧道建设的核心工法，越来越被广泛的推广应用，技术越来越成熟，但地铁施工作为地下工程具有很多不可预见性。成都地层以富水砂卵石为代表，一般开仓检查更换刀具，只需降水满足要求，掌子面可以达到稳定，通风良好，无有毒有害气体就具备常压开仓的条件。但对于一些复杂地层，特别是降水比较困难，降水程度达不到要求的地质交接面，开仓检查更换刀具存在一定的风险，为了实现安全地检查、更换刀具，除采用常规降水措施来进行开仓作业，其他的措施的综合应用，也能开仓检查更换刀具作业安全顺利完成。
二、工程概况及水文地质情况
本区间盾构线路平面最小曲线半径为550m，区间最大坡度22.722‰，最小坡度2‰，结构最小覆土埋深约9.6m，最大覆土埋深约16.3m。盾构线路间距14.7～16.2m。在YDK34+452.500（ZDK34+449.618）设置一座联络通道兼废水泵房，联络通道及泵房采用矿山法施工。
区间隧道采用盾构施工法，管片外径6000mm，管片内径5400mm,管片厚度300mm，环宽1500mm。
1、开仓位置
掘进拼装完成405环，该处隧道拱顶埋深约15.2m，泥岩交界面在21m左右，区间总计590环。
2、地质情况
根据地质勘察图及补充勘察情况，刀盘开仓位置位于上部砂卵石下部中风化泥岩地层，恢复掘进140米后区间隧道将重新进入全断面砂卵石地层，直至到达。
3、管线情况
根据区间管线图纸与实际调查结果，右线隧道上方存在部分自来水管、燃气管线、污水管、排水渠、军用光缆、及部分通信光纤。管线大小、埋深等信息统计情况如下：
4、海瑞克盾构机刀盘情况
（1）刀盘：刀盘型式为复合式。刀盘排除大于520*315mm的卵石进入土仓，避免砂卵石地层容易卡伤螺旋轴的情况；
（2）螺旋输送机：盾构螺旋输送机直径为850mm，提高螺旋输送机的排渣性能，设计最大排土能力404m3/h；
（3）刀具：中心双刃滚刀4把（已拆除两把），单刃滚刀35把，正面刮刀36把，周边刮刀20把，超挖刀1把，所有刀具均可从刀盘背面进行更换。刀盘耐磨块等设置完好，泡沫及膨润土孔，加水孔能有效使用，流量满足掘进要求。
三、事件经过及处置过程
1、事件经过
儒五右线盾构机掘进至375环后，掘进参数恶化，推力、刀盘扭矩明显增大，推力达到18000KN，刀盘扭矩持续在5000-6500MNm,时有刀盘卡停情况，掘进速度只有5-10mm/min,盾构掘进单位试图通过渣土改良对掘进参数进行调整，在泡沫和水的基础上土仓注入膨润土、惰性浆液等材料进行改良，但效果不理想，掘进参数没有好转，根据以上情况，判断为土仓结饼所致，拟定掘进至第405环的计划停机点进行开仓检查。开仓后土仓有少量泥饼，刀具磨损严重，随后经过一个月的刀具更换，恢复掘进后参数正常，顺利完成了剩余工程。
2、处置过程
2.1开仓方案的选择
降水控制+地面袖阀管注浆加固+刀盘开口封堵
2.1.1开仓位置地面降水
于刀盘两侧外2米，布置两口降水井，降水井深度25米，隧道埋深15米， 采用22KW水泵抽水，开仓位置隧道底部为泥岩与砂卵石交接面，经过长时间抽水，从静水位观测中测得，水位降至刀盘中部位置时，水位不再下降。
2.1.2地面袖阀管加固
刀盘前方地面10米范围内袖阀管梅花型布置，打入地层深度10米，采用水泥浆加固，注入40m³水泥浆以稳固地层，防止开仓时掌子面坍塌,同时为后期掘进创造有利条件。
2.1.3封堵刀盘开口
经过地层加固完成以及连续降水，水位将至最低程度后，进行开仓作业，委派专人观察掌子面稳定情况。考虑到土仓内作业时间长，为防止掌子面局部坍塌，造成泥土进入土仓内，危及人员作业安全，决定采用钢格栅对刀盘开口进行封堵。具体做法为刀盘3、9点钟方位以上开口全部封堵，3、9点以下土仓内渣土不排出平衡仓底外部土仓压力，来保证土仓的整体安全。
2.2维修方案的确定
开仓后检查发现，刀具磨损严重，11把边缘滚刀刀箱都有不程度的磨损，20把边刮刀基本磨损完，用于固定边刮刀的刀盘处螺栓孔已完全被磨损掉，且无法固定边缘刮刀，根据检查情况，刀盘需要进行局部修复。
根据以往成都地铁地下进行刀盘修复的经验，往往是在地面刀盘前方施做竖井，修复人员通过竖井到达刀盘前方进行修复，但该盾构刀盘位置前方隧道投影范围内管线错综复杂，无法使用常规方案施作竖井。盾构掘进单位对刀盘磨损情况进行整体评估，并邀请相关专家及刀具厂家专业工程师探讨后，决定采用土仓内处理的方案，具体方案如下：
2.2.1边滚刀
边缘滚刀总计11把，磨损都比较严重，全部更换。
磨损情况：
六、事件防范措施总结
1、应预先根据区间地质情况、区间长度、刀具耐磨性等情况制定换刀计划，确定换刀地点与换刀方法。换刀地点选取应尽量避免在建筑物、城市主干道及管线下方。按照成都地铁多年在刀具配置和换刀距离方面的经验总结，掘进500米左右必须进行一次刀具检查或更换，若遇到大卵石、大漂石等特殊地层，要根据实际情况在安全地点进行刀具检查或更换。
2、盾构机适应性和可靠性方案评审时，须根据新建项目地质条件、盾构可靠性评估报告、故障问题库及拆检情况，提出维修、改造方案，尤其要根据地质情况、以及盾构机刀盘系统现状的改造、修复刀盘，合理配置刀具，选用可靠品牌厂家刀具，确保刀具使用过程中的可靠性。
3、盾构始发前，对区间沿线特殊地点要进行补勘，准确的掌握地质情况，以便选择合适的盾构掘进参数，有针对性进行渣土改良。掘进参数异常后，要对地层、渣土改良效果、刀具磨损情况进行综合分析，根据综合数据做出正确判断，且不可片面的施工经验盲目掘进，否则容易造成更大的风险和损失。
4、泥岩砂卵石地层交接面降水到位较为困难，在掌子面不稳定的情况下，可灵活采用钢格栅等封堵措施，采用水泥、水玻璃二次注浆加固掌子面，稳定掌子面，确保检查更换刀具及处理土仓时人员、环境的安全性。
5、松散，受冲刷，细颗粒少的地层，采用刀盘前方提前注浆加固，稳固地层，提高土体的整体性，对于盾构复推后掘进参数的改善有很大的作用。
6、刀盘及刀箱的设计阶段不仅要考虑刀具安装的牢固，同时也要针对掘进地层的地质特点针对性的考虑耐磨保护设计，另外，还要考虑在土仓内更换刀具的便捷性、安全性。
论文作者:郭彬栋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/27
标签：盾构论文; 刀具论文; 地层论文; 情况论文; 卵石论文; 磨损论文; 区间论文; 《防护工程》2018年第33期论文;