李洪波

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710016)

0 引言

近年來，隨著國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)的大力發(fā)展，盾構(gòu)法施工以其巨大的優(yōu)勢(shì)迅猛發(fā)展，被廣泛采用。一般情況下，盾構(gòu)最前端的刀盤在巖層中工作時(shí)主要受到正面均布力和環(huán)向力矩作用，刀盤的設(shè)計(jì)可滿足在額定推力下工作的強(qiáng)度和抗變形能力要求，但如果地下環(huán)境惡劣，巖層復(fù)雜，在特殊情況下當(dāng)?shù)侗P受到正面局部力作用時(shí)，將產(chǎn)生較大軸向力矩，若施工參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，刀盤出現(xiàn)扭曲變形也偶有發(fā)生。

目前同行在盾構(gòu)刀盤變形維修方面做了一些分析與探討。文獻(xiàn)［1-3］對(duì)盾構(gòu)刀盤在施工的不同階段如何進(jìn)行必要的維修養(yǎng)護(hù)和常規(guī)故障排除等進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4-5］對(duì)應(yīng)用人工挖孔或洞內(nèi)加固等措施創(chuàng)造條件進(jìn)行洞內(nèi)修復(fù)做了探討。文獻(xiàn)［6-8］對(duì)盾構(gòu)始發(fā)前或到達(dá)以后根據(jù)刀盤損壞的不同情況做了修復(fù)技術(shù)的嘗試，取得了一定的成果。這些修復(fù)技術(shù)一般是對(duì)正常磨損和刀盤表面耐磨焊的處理，涉及刀盤結(jié)構(gòu)或者較大面積變形維修的也都是盾構(gòu)到達(dá)后的地面或井內(nèi)維修。本文以珠三角城際軌道盾構(gòu)施工中刀盤非正常變形的倉(cāng)內(nèi)修復(fù)為例，探討在不具備系統(tǒng)修復(fù)的安全空間和作業(yè)條件情況下的倉(cāng)內(nèi)應(yīng)急維修技術(shù)及理念，希望能為同行提供些借鑒。

1 背景概述

1．1 工程概況

廣東珠三角城際軌道交通東莞至惠州段工程目前在建，設(shè)計(jì)時(shí)速200 km/h。其中松山湖北至大朗區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，隧道雙線全長(zhǎng)8 800 m，隧洞開挖直徑8．83 m，穿過地層主要為全、強(qiáng)、弱風(fēng)化混合片麻巖，上軟下硬，地下水較豐富，線路最大縱坡24‰，隧道覆土15～42 m，穿越整個(gè)大朗鎮(zhèn)區(qū)，地面房屋密集，且多為老齡淺基。

1．2 刀盤結(jié)構(gòu)

本工程盾構(gòu)刀盤采用輻板式，6大輻條+6小輻條+6面板。新刀最大開挖直徑8 860 mm，刀盤開口率31．5%，配置54把盤形滾刀，其中，中心區(qū)雙刃滾刀10把，輻條區(qū)單刃滾刀34把，周邊滾刀6把，半徑補(bǔ)償滾刀4把，刀間距91～100 mm;另配置雙層刮刀188把，周邊刮刀24把［9］。滾刀距刀盤面距離140 mm，距刮刀距離45 mm;滾刀采用背裝式換刀方式，刀盤總質(zhì)量為110 t。其結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 刀盤結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure of cutterhead

1．3 事件經(jīng)過及刀盤損壞情況

1)施工情況。盾構(gòu)在始發(fā)掘進(jìn)68環(huán)后進(jìn)入地面預(yù)加固段落，進(jìn)行了整盤刀具的更換，從恢復(fù)掘進(jìn)至盾構(gòu)再停機(jī)，其間共掘進(jìn)104環(huán)，約166．4 m。掘進(jìn)參數(shù):總推力36 000～39 000 kN，刀盤扭矩3 000～4 000 kN·m，土倉(cāng)頂部壓力 0．2 ～0．1 MPa。在停機(jī)前約10 min時(shí)扭矩和推力突然升高，扭矩達(dá)8 000 kN·m、推力達(dá)50 000 kN，同時(shí)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)接頭連接管斷裂，有泡沫噴出，遂停機(jī)。

2)地質(zhì)情況。換刀后掘進(jìn)約70 m為上軟下硬地段，后進(jìn)入全斷面硬巖(W2)90多m，埋深逐漸增大，從開始的20 m到停機(jī)前的27 m。巖石為混合片麻巖，單軸抗壓強(qiáng)度大于80 MPa。

3)損壞情況。刀盤連接盤從支撐臂向中心方向逐漸發(fā)生塑性變形，向土倉(cāng)凹陷最大約為60 mm。將變形區(qū)域內(nèi)的正滾刀和中心滾刀拆除后，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域內(nèi)正滾刀的刀箱變形很小或幾乎沒有變形(見圖2)，中心滾刀箱變形和損壞相對(duì)較大(見圖3)，連接箱與刀盤結(jié)合面法蘭有變形且焊縫開裂(見圖4)。

4)原因分析。由于掘進(jìn)經(jīng)過上軟下硬及節(jié)理較發(fā)育的全斷面硬巖，地面又無預(yù)加固條件，致使掘進(jìn)中對(duì)刀具檢查更換不及時(shí)，刀具正常磨損均較大，且中心區(qū)域雙刃滾刀全部嚴(yán)重偏磨，不能有效破巖。據(jù)盾構(gòu)設(shè)計(jì)方推算，停機(jī)前刀盤中心區(qū)域較小圓面內(nèi)承受的巖石柱正壓力可能超過20 000 kN，分析認(rèn)為正面軸向力過大是導(dǎo)致刀盤變形的直接原因。

2 刀盤修復(fù)方案

2．1 方案 A

2．1．1 修復(fù)原則

先將刀盤的前面面板修復(fù)成一個(gè)平面(見圖5)，公差在5 mm范圍內(nèi)，然后將中心滾刀和正滾刀的刀箱刨掉，并將新刀箱按原位置重新焊接。

2．1．2 實(shí)施方案

1)刀盤前方開挖工作區(qū)域(一般需要在掌子面開鑿出直徑4 000 mm，深約800 mm的操作空間)應(yīng)確保工作區(qū)域內(nèi)不會(huì)有石塊掉落。

圖5 刀盤前面面板及輻條修復(fù)示意圖Fig．5 Parts of cutterhead to be repaired

2)將刀盤輻條受損區(qū)域氣刨成矩形凹槽，厚度為最大磨損量，寬度為輻條寬度，長(zhǎng)度為磨損長(zhǎng)度，同時(shí)按此尺寸下料鋼板條，鋼板條厚度可以比60 mm稍寬(60 mm為輻條鋼板厚度，考慮到輻條變形，可用70 mm或80 mm厚鋼板下料)。

3)將鋼板條焊接在輻條上，保證輻條間距520 mm，輻條變形后間距大于520 mm的地方可用3，5 mm厚鋼板填充縫隙。

4)待面板修平后，將中心滾刀和部分受損嚴(yán)重的正滾刀刀箱刨掉，并將新刀箱按原位置重新焊接，完成修復(fù)。

5)工期約需1．5月。

2．2 方案 B

2．2．1 修復(fù)原則

變形范圍內(nèi)的正滾刀刀箱維持目前的狀態(tài)，中心滾刀箱的邊板全部刨掉中心滾刀，然后以刀盤法蘭面為基準(zhǔn)，并在中心刀具(或工裝)的輔助下定位焊接新的邊板，將中心滾刀的高度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上向前推刀盤最大變形量的1/2，最后根據(jù)實(shí)際變形的情況焊接邊板的加強(qiáng)筋板，修復(fù)前后滾刀刀刃高度對(duì)比見圖6。

圖7 修復(fù)前后中心刮刀的位置Fig．7 Comparison and contrast between positions of scrapers before repairing and those after repairing

圖6 修復(fù)前后滾刀刀刃高度對(duì)比(單位:mm)Fig．6 Comparison and contrast between height of edges of disc cutters before repairing and that after repairing(mm)

2．2．2 實(shí)施方案

1)準(zhǔn)備工作。包括清理開挖倉(cāng)、受損嚴(yán)重正滾刀拆除;開挖工作區(qū)域、對(duì)工作人員的安全防護(hù);供電、照明、排煙通風(fēng)系統(tǒng);材料運(yùn)輸?shù)取?/p>

2)刀盤體的無損探傷。對(duì)變形區(qū)域刀盤體、刀箱刀座以及連接箱法蘭基座等都進(jìn)行探傷檢測(cè)［10］，確認(rèn)無微細(xì)裂紋或者確定裂紋存在部位及嚴(yán)重程度，以便焊接彌補(bǔ)。另外，對(duì)修復(fù)完成的部位，再做整體檢驗(yàn)。

3)中心刮刀修復(fù)。將原刮刀座刨掉，然后將新的刮刀座焊到原來位置的對(duì)面(見圖7)。

4)中心滾刀修復(fù)。包括中心刀箱邊板的氣刨和新中心刀箱邊板及其筋板的焊接。先將中心滾刀刀箱的邊板全部刨掉中心滾刀，然后以刀盤法蘭面為基準(zhǔn)，并在中心刀具的輔助下定位焊接新的邊板，將中心滾刀的高度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上向前推30 mm，最后根據(jù)實(shí)際變形的情況焊接邊板的加強(qiáng)筋板。

5)受損嚴(yán)重的輻條正滾刀修復(fù)。同樣包括受損嚴(yán)重的滾刀箱的氣刨和新滾刀箱的焊接。

6)中心連接箱的修復(fù)。由于連接箱已經(jīng)發(fā)生變形(見圖4)，重新制作的連接箱不具有互換性，也就是說和前面的泡沫孔及油管對(duì)不上;另外空間尺寸也不能滿足，因此，決定修復(fù)現(xiàn)有連接箱。具體過程如下:①首先轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，檢查刀盤與連接箱的跳動(dòng)情況，也就是檢查它們是否同心。如果同心情況良好，就進(jìn)行步驟②，否則，進(jìn)行步驟③。②首先將連接箱與刀盤用筋板焊接加固(見圖8)，然后將連接箱前端割一個(gè)孔，將其中的管路與刀盤上相應(yīng)孔直接焊接連接，然后加以保護(hù)。③需將連接箱前端割掉，調(diào)整連接箱的位置使其與刀盤同心，然后將其中的管路與刀盤上相應(yīng)孔直接焊接連接，然后加以保護(hù)。管路修復(fù)之后，應(yīng)進(jìn)行工作狀態(tài)下的壓力測(cè)試。液壓口測(cè)試壓力21 MPa，泡沫口測(cè)試壓力1 MPa。

7)工期需12～15 d。

圖8 連接箱與刀盤用筋板焊接加固示意圖Fig．8 Reinforcing of connection part and cutter head by welding reinforcing steel plate

2．2．3 修復(fù)控制重點(diǎn)

1)在維修前后做好探傷檢測(cè)，確定焊接補(bǔ)強(qiáng)范圍并保證維修質(zhì)量;

2)嚴(yán)格控制修復(fù)刀箱在刀盤徑向的安裝位置，以保證滾刀間距及破巖軌跡與原設(shè)計(jì)相符;

3)嚴(yán)格調(diào)整與控制修復(fù)刀箱在刀盤軸向的安裝位置，使中心區(qū)變形較大滾刀與附近變形較小滾刀面保持弧形過渡，雖說理念是“從平到不平”，但并不是“凸凹不平”，而是形成逐漸過渡的內(nèi)凹面，這是修復(fù)控制的重中之重。

3 方案比選及修復(fù)后的應(yīng)用效果

2種方案的不同之處主要是對(duì)刀盤的恢復(fù)程度要求方面。一般的刀盤維修僅對(duì)刀盤表面的耐磨焊進(jìn)行處理，或者加焊鋼板以恢復(fù)磨損較大的表面，方案A的理念是將刀盤表面修平。在本例中，停機(jī)位置在5層居民樓下，掌子面雖堅(jiān)硬，但節(jié)理有些發(fā)育，水量也較大，若按方案A處理，刀盤前方開挖需要較大作業(yè)空間，并要保持穩(wěn)定，人員必須到土倉(cāng)前方作業(yè)，且用時(shí)超過1個(gè)月，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，最后選擇了方案B，將刀盤表面修復(fù)成了逐漸過渡的內(nèi)凹面，在保證刀具安裝姿態(tài)和運(yùn)行軌跡基本不變的情況下，解決了危機(jī)。

盾構(gòu)刀盤經(jīng)過13 d修復(fù)并進(jìn)行整體維護(hù)檢修后恢復(fù)掘進(jìn)，正服務(wù)于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的莞惠城際工程施工中。修復(fù)后的2個(gè)月內(nèi)已正常穿越巖石強(qiáng)度超過90 MPa的全斷面硬巖層，每日綜合進(jìn)尺8．0 m，滿足了施工要求，達(dá)到了在特殊條件下快速修復(fù)恢復(fù)掘進(jìn)的目的。

4 結(jié)論與建議

盾構(gòu)法是一種封閉式只進(jìn)不退的隧道施工方法，這給刀盤的大面積結(jié)構(gòu)修復(fù)帶來了困難，有時(shí)甚至根本無法完成，一般情況下只能在盾構(gòu)到達(dá)以后才能對(duì)受損刀盤進(jìn)行徹底的維修。掘進(jìn)狀態(tài)下的臨時(shí)停機(jī)倉(cāng)內(nèi)簡(jiǎn)易修復(fù)是無奈之舉。雖說是“簡(jiǎn)易修復(fù)”，但也一定要理論通、實(shí)踐行，滿足性能要求。這次對(duì)刀盤的修復(fù)，不僅是一次個(gè)案的技術(shù)探討，也是一種“從平到不平”的修復(fù)理念的嘗試。此種修復(fù)方案在特殊條件下應(yīng)急無疑是可行的，但在施工中的可行性還有待論證，施工中需加強(qiáng)對(duì)刀盤刀具的檢查更換和掘進(jìn)參數(shù)的控制，并對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行專家評(píng)估，必要時(shí)選擇預(yù)設(shè)停機(jī)點(diǎn)進(jìn)行全面修復(fù)，以保證工程項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

［1］王云飛．ⅠHⅠ盾構(gòu)機(jī)刀盤的維修技術(shù)［J］．市政技術(shù)，2011(3):128-130．(WANG Yunfei．Maintenance technique ofⅠHⅠ shield cutterhead ［J］． Municipal Engineering Technology，2011(3):128-130．(in Chinese))

［2］蒙先君．復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤常見故障(損壞)原因分析及解決措施［J］．隧道建設(shè)，2004，24(4):61-66，73．(MENG Xianjun．Composite EPB shield machine cutter(damaged)common fault reason analysis and solving measures［J］．Tunnel Construction，2004，24(4):61-66，73．(in Chinese))

［3］李斌，賈云飛，李文功．盾構(gòu)機(jī)刀盤修復(fù)技術(shù)［C］//2011中國(guó)盾構(gòu)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集．北京:北京住總市政工程有限責(zé)任公司，2011:131-134．

［4］王梓晗．面板式盾構(gòu)機(jī)刀盤修復(fù)技術(shù)在砂卵石地層施工中的應(yīng)用［J］．中小企業(yè)管理與科技:下旬刊，2010(5):110-111．(WANG Zihan．Panel type repair technique of shield cutterhead in the sand and gravelformation construction application［J］．Management of Agriculture Science and Technology:Lower Affairs，2010(5):110-111．(in Chinese))

［5］梁興林．在江底修復(fù)盾構(gòu)機(jī)刀盤實(shí)例［J］．廣州建筑，2007(1):41-44．(LⅠANG Xinglin．The engineering example of how to repair the cutting wheel of the shield machine below the river［J］．Guangzhou Architecture，2007(1):41-44．(in Chinese))

［6］時(shí)偉，王珣，曾宇翔．盾構(gòu)機(jī)刀盤修復(fù)技術(shù)初探［J］．鐵道建筑，2007(12):60-62．

［7］高成梁．盾構(gòu)機(jī)刀盤磨損修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐［J］．探礦工程:巖土鉆掘工程，2008(5):25-27．(GAO Chengliang．Application of renovation technique for cutterhead on shield machine［J］．Exploration Engineering:Rock ＆ Soil Drilling and Tunneling，2008(5):25-27．(in Chinese))

［8］鐘志強(qiáng)．盾構(gòu)機(jī)刀盤變形的修復(fù)技術(shù)［J］．隧道建設(shè)，2010，30(10):612-615．(ZHONG Zhiqiang．Shield cutterhead repairing technology［J］．Tunnel Construction，2010，30(10):612-615．(in Chinese))

［9］劉進(jìn)志，智小慧，郭京波．盾構(gòu)掘削刀具簡(jiǎn)述［J］．工程機(jī)械，2009，40(6):50-53．(LⅠU Jinzhi，ZHⅠXiaohui，GUO Jingbo．A brief discussion on cutting tools of shields［J］．Construction Machinery and Equipment，2009，40(6):50-53．(in Chinese))

［10］中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)．JB/T 6062—2007無損檢測(cè)焊縫滲透檢測(cè)［S］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．