繆 楠/MIAO Nan（中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009）

復雜地層盾構刀盤磨損處理技術

繆 楠/MIAO Nan
（中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南 洛陽 471009）

[摘 要]以土壓平衡盾構刀盤故障磨損案例為背景，介紹了盾構在南京上軟下硬地層的掘進過程中刀盤和刀具出現(xiàn)異常磨損的情況。分析了刀盤磨損故障的原因，并通故障處理過程的探究，為盾構在上軟下硬地層中修復刀盤磨損提供了一定的借鑒。

[關鍵詞]盾構；刀盤刀具；磨損處理；復雜地層

在盾構施工過程中難免會遇到復合不良地層，尤其在上軟下硬的地層掘進過程中，盾構的刀具和刀盤均存在較大的考驗。雖然目前對符合地層掘進控制的研究較多，但針對刀具和刀盤在上軟下硬地層中磨損故障后處理的探索較少，本文以南京不良地層刀盤故障為例，對此類情況進行了分析探討。

1 工程概況及盾構使用情況

1.1 工程概況

南京地鐵4號線鼓樓站－市政府盾構區(qū)間由鼓樓站出發(fā)，以半徑500m曲線轉向東北方向，區(qū)間南北兩側建筑物較為密集，地面周邊環(huán)境十分復雜。

盾構區(qū)間主要為侵蝕堆積崗地及秦淮河沖積平原，堆積崗地地區(qū)主要為可塑～硬塑的粉質粘土及中密的混合土，秦淮河沖積平原主要為可塑的新近沉積土，局部分布流塑狀軟土及稍密的粉土、粉砂。下部巖體主要為白堊系浦口組（K2p）含礫泥質粉砂巖及侏羅系象山群（J1-2xn）石英砂巖。石英砂巖為較硬巖，含礫泥質粉砂巖為軟巖。盾構穿越的部分區(qū)間地質屬于典型上軟下硬復合地層。

1.2 盾構使用情況

為適應該復雜地層的工作，采用了1臺國產的土壓平衡盾構進行該區(qū)間的掘進。該盾構刀盤為復合式刀盤，刀盤有6個主刀梁、 6個三角形結構的箱型面板、6個箱型結構的牛腿及外圈梁等結構組成，刀盤的開口率為40%，刀盤中心區(qū)域設有較大開口，可有效避免中心泥餅的產生。刀盤設計3個泡沫噴口、2個膨潤土噴口。為提高刀盤的耐磨性，在刀盤面板上堆焊大量的耐磨網(wǎng)格，在刀盤外圈梁的周邊堆焊耐磨焊條、耐磨鋼板和外圈梁保護刀。

刀盤（圖1）采用6臺110kW變頻電機驅動，能夠提供的額定扭矩為5 500kNm，脫困扭矩為6 900kNm，刀盤轉速在0～3rpm間任意可調；采用的主軸承直徑為3 000mm，通過3道內密封和4道外密封確保主軸承安全，密封最大能夠承載6bar壓力。

圖1 刀盤示意圖

2 復雜地層掘進中刀盤磨損故障及原因

2.1 刀盤磨損位置地層介紹

在盾構穿越區(qū)間右線70余米長的土巖復合地層中，前50m盾構已經(jīng)歷了2次帶壓進倉換刀工作，在第二次換刀后的掘進過程中，盾構出現(xiàn)了推進速度下降、出渣量較大的現(xiàn)象，隨后刀盤扭矩限制器動作頻繁，導致無法推進。

根據(jù)詳細勘探資料顯示（圖2），刀盤停機位置縱剖面地質從上至下依次為雜填土、粉質粘土、2-3b4淤泥質粉質粘土、2-4b2粉質粘土，盾構刀盤范圍內的地層主要為巖、土的復合地層，掌子面70%為中風化石英砂巖，強度為48～57MPa，刀盤右上處存在3-2b2粉質粘土層。

圖2 刀盤磨損位置地勘圖

2.2 刀盤磨損故障情況

盾構出現(xiàn)無法掘進的情況后，根據(jù)以往經(jīng)驗判斷為刀盤或刀具已經(jīng)磨損，但由于刀盤上方為粉質粘土地層，帶壓進倉工作存在一定風險，采用地面加固措施（后文詳述）后進行了進倉檢查工作。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)刀盤中心部位有較大的磨損，刀盤磨損范圍為中心直徑2.7m區(qū)域內，其中4把雙聯(lián)滾刀全部掉落，磨損區(qū)域范圍內的8把正面滾刀全部掉落，其他滾刀均存在不同程度的磨損；磨損區(qū)域范圍內6把切刀掉落（部分刀座也存在磨損、掉落）；刀盤面板和輻條主梁等結構件也存在不同程度的磨損（圖3）。刀盤磨損較為嚴重，已無法進行正常的掘進工作。

圖3 刀盤磨損圖

2.3 刀盤故障磨損原因分析

造成刀具磨損的主要原因主要有以下幾種[1]：①地質因素；②滾刀結構功能和破巖能力；③刀盤形式與刀具組合因素；④施工控制因素；⑤工程設計因素。

鑒于此次刀盤的磨損情況，結合項目部在施工過程中的參數(shù)和故障的記錄統(tǒng)計，本次刀具和刀盤磨損如此嚴重的原因可以歸咎于以下幾個方面。

1）地質因素 地質因素是刀具磨損的重要因素，而造巖礦物的種類對滾刀磨損有著較大的影響，簡單來說滾刀的研磨性隨巖石中石英含量的增大而增大，而當?shù)貙又姓沉：头哿：扛邥r，很容易產生泥餅，造成刀具偏磨。本次盾構刀盤故障區(qū)域正是上軟下硬的復合地層，隧道斷面由70%的石英砂巖和30%的粉質粘土組成，極易造成刀具的磨損，當?shù)侗P失去刀具的保護后，其結構件的磨損將十分迅速。

2）磨損刀具未能及時更換 在盾構通過這70余米的復合地層過程中，大概每掘進20余米便需要帶壓進倉檢查更換刀具，然而在上軟下硬的復合地層中，建立帶壓條件苛刻，土倉環(huán)境容易坍塌。在盾構的第二次帶壓進倉換刀過程中，便出現(xiàn)了地層不穩(wěn)定無法帶壓進倉的情況，導致刀具檢查不全面，中心區(qū)域刀具沒有進行更換，而此時刀具已使用30余米，繼續(xù)使用的情況下磨損風險非常大。

3）施工控制 在盾構施工掘進的過程中，面對不良地層，掘進參數(shù)的控制和渣土改良工作是保證盾構施工的重要措施。在本次的復合地層掘進過程中，項目主要采用的是添加泡沫劑作為渣土改良手段。在設備故障停機前，盾構出現(xiàn)了推力和扭矩增大，推進速度下降的情況，經(jīng)判斷，其刀具已經(jīng)磨損，但由于地層不穩(wěn)定，無法帶壓進倉檢查更換刀具，進而繼續(xù)掘進，最終導致了刀盤的較大面積磨損。

總體而言，本次盾構刀盤和刀具磨損嚴重是綜合因素造成，石英砂巖和粉質粘土的復合地層導致了刀具和刀盤的快速磨損，而上軟下硬地層帶壓進倉不穩(wěn)定，導致刀具更換不徹底，為通過不良區(qū)域繼續(xù)掘進的過程中造成了刀具和刀盤的嚴重磨損。

3 復雜地層刀盤磨損故障修復探討

結合時間、成本、地面環(huán)境因素和上軟下硬地層等問題的考慮，為解決地層不穩(wěn)定對故障刀盤刀具修復帶來的隱患，對修復工法進行了一定的探討。

3.1 洞內修復條件探討

由于刀盤和刀具磨損較為嚴重，修復工作量較大，若可以營造常壓進倉條件，其刀盤修復的時間和成本將大大減少，而常壓進倉的關鍵便在于上軟下硬地層自穩(wěn)性較差。盾構刀盤所在地層從上至下依次為雜填土、粉質粘土、淤泥質粉質粘土和石英砂巖，為穩(wěn)定刀盤上方的軟土綜合考慮地面可施工區(qū)域較小等因素，進行了以下工作。

1）袖閥管注漿加固地面（圖4)。袖閥管注漿是將袖閥式注漿管通過鉆孔下入地層，采用分段注漿工藝，使?jié){液在壓力條件下，較均勻地進人地層，以達到漿液在地層中分段可控、均勻擴散的目的。本次注漿范圍為盾體左右兩側各1.0m，刀盤前方3.0m（且須保證大于塌陷區(qū)）,刀盤后方2.0m；布孔間距不大于3.0m,孔位為布孔深度為刀盤上方0.5～1.5m，刀盤前方可適當加深。地面注漿完成后，進行帶壓進倉檢查了刀具磨損情況，但是在嘗試常壓進倉的過程中發(fā)現(xiàn)效果不佳，無法實現(xiàn)目標。

圖4 袖閥管注漿圖

2）樹根樁法地面加固。樹根樁法適用于淤泥、淤泥質土、粘性土、粉土、碎石土及人工填土等地基的加固工作[2]。本次因袖閥管注漿未能達到預期加固效果，在刀盤右前方打設兩排樹根樁。樹根樁樁徑?150mm，樁間距200mm，樁深入巖層50cm，注入水泥-水玻璃雙液漿。由于管線及大樹影響，共打設樹根樁19根（另外有2根樹根樁偏孔進入刀盤，未成孔），每根樁注入漿液約為1t水泥量。注漿完成后，在常壓條件下，仍舊未達到預計的加固效果，無法進行長時間的進倉修復工作。

3.2 豎井開挖修復方案探討

考慮到盾構刀盤磨損較嚴重，掌子面不穩(wěn)定、操作空間狹小等因素，在土倉內完成刀盤修復比較困難，需在刀盤正面進行修復，同時考慮到工期、環(huán)境影響等因素后決定在盾構切口處開挖豎井對刀盤進行修復。

施工豎井平面為矩形（圖5），凈空尺寸為1 650mm×1 800mm，豎井采用倒掛井壁法施工，人工分層開挖。以刀盤頂部20cm處為分界面，分上下兩部分施工，上部為封閉結構，下部為敞口式“U”結構。

同時為確保豎井結構穩(wěn)定及刀盤修復過程中刀盤前方土體穩(wěn)定，在刀盤前方及豎井前方布設3根人工挖孔樁(1根900mm、2根800mm）。

圖5 豎井施工示意圖

3.3 刀盤修復結果

采用豎井開挖方案進行了刀盤修復工作，通過低標號水泥-膨潤土砂漿進行填倉和刀盤前方挖孔樁進行封閉加固等措施，保證了豎井開挖過程中土體穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)滲水或其他風險。在近一個月的刀盤機械修復過程中，通過布點監(jiān)測和加強通風等手段，保證了整個修復、換刀過程的安全順利實施。

4 小 結

本次刀盤修復處理工作總共歷時約四個月的時間，期間為處理不良地層經(jīng)歷多次探索，雖然地面加固工作最后無法實現(xiàn)常壓進倉要求，但卻達到了一定時間內帶壓進倉換刀的條件。而本次刀盤故障直接原因正是無法在軟土地層條件下帶壓進倉更換刀具，為以后處理類似故障提供了一定的借鑒。

同時通過分析在石英砂巖和粉質粘土的復合地層掘進過程中導致刀盤磨損如此嚴重的原因，為以后在類似地層掘進過程中盾構的使用管理奠定了一定的基礎，以渣土改良為輔，嚴格監(jiān)控掘進參數(shù)，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)后第一時間檢查并更換刀具，是盾構安全、正常地通過復合地層的關鍵。

[參考文獻]

[1] 竺維彬，王 暉，鞠世?。畯秃系貙又卸軜嫕L刀磨損原因分析及對策[J]．現(xiàn)代隧道技術，2006，(4)：72-76．

[2] 譚 斌．注漿樹根樁性能及施工注意事項研究[J].科技風，2012，（1）：184-186．

（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)05-0053-03

［收稿日期］2015-01-15

Wear processing technology of shield cutter head tools in complex formation