季玉國， 楊榮斌

(上海建通工程建設有限公司， 上海 200031)

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過江隧道大型泥水盾構刀具使用與管理

季玉國， 楊榮斌

(上海建通工程建設有限公司， 上海 200031)

為了進一步推進和提高我國大型泥水盾構刀具的使用與管理水平，解決其目前存在的突出問題，以南京長江隧道、南京揚子江隧道、南京地鐵3號線和10號線過江單洞雙線隧道等大型泥水盾構施工為背景，通過對復合地層盾構掘進施工刀具使用的分析總結(jié)，提出了刀具管理的前期設計、過程使用管理、刀具檢查更換、意外事故的預防和恢復掘進注意事項等刀具使用系統(tǒng)管理理念，以期為今后類似工程盾構施工刀具管理提供指導與借鑒。

過江隧道； 泥水盾構； 盾構刀具； 使用管理

0 引言

多年來，隨著我國過江跨海大型盾構隧道的建成運營，如南京長江隧道、南京揚子江隧道、上海長江隧道和武漢長江隧道等，我國大型泥水盾構施工技術得到空前發(fā)展，盾構機械制造和掘進工藝技術水平迅速提高，但通過對上述諸多工程施工過程中存在問題的總結(jié)分析，可以得出當前我國大型泥水盾構施工普遍存在的突出問題是：盾構刀具的設計和使用管理與掘進的巖石地層、復合地層嚴重不相適應，制約了我國大型泥水盾構施工技術的發(fā)展。

目前，國內(nèi)對大型泥水盾構刀具的設計管理，包括刀盤設計和刀具的使用管理等方面的研究較少。文獻 [1]對北京鐵路直徑線工程盾構開艙高壓環(huán)境下刀具的修復技術進行了研究；文獻[2]就超大直徑泥水盾構帶壓進艙換刀技術研究與應用做了詳細闡述，解決了施工中存在的技術難題；文獻[3-5]針對地鐵隧道小直徑盾構刀具的設計、磨損、損壞原因及對策進行了分析研究；文獻[6-11]研究了大直徑泥水盾構高壓環(huán)境下刀具的檢修技術等。上述文獻都是研究盾構帶壓換刀技術和刀盤修復技術，對我國大直徑泥水盾構刀具與地層不適應和刀具使用管理中存在的突出問題研究極少，為此本文就這一問題，通過諸多典型工程實例，進行系統(tǒng)分析研究和總結(jié)。

國內(nèi)大型泥水盾構的刀盤和刀具設計已進行多年，取得了較大的成效，但與我國隧道工程的迅速發(fā)展還不能適應，大直徑泥水盾構在江河湖海復合地層、巖石地層隧道掘進施工中，盾構刀具的使用與管理仍存在諸多問題，特別是盾構初裝刀具的研究和配置問題較為突出，表現(xiàn)為盾構刀盤、刀具設計和組合不能完全適應隧道地層掘進的要求。我國的很多條過江(如過長江、黃河)隧道的掘進施工，過程中往往需要對刀盤和刀具進行優(yōu)化改進，甚至需要帶壓進艙進行動火改造，花費時間少則幾個月多則一年甚至更長時間，付出巨大代價。因此，需要進一步摸索總結(jié)和改進。如南京揚子江隧道、南京長江隧道、南京地鐵3號線和10號線等過江隧道及地鐵隧道等巖石地層、復合地層的盾構刀具使用就經(jīng)歷過這樣的過程。

南京長江隧道盾構初期設計可實現(xiàn)一次性過江，不需要更換刀具完成掘進3 200 m，但由于地質(zhì)條件變化，在2008年8月5日掘進655環(huán)時發(fā)生異常，刀盤、刀具磨損嚴重，被迫對初裝刀具進行檢查、改進和更換，歷時半年才恢復掘進。

南京揚子江隧道南、北線盾構段長分別為4 135 m和3 575 m，巖石地層和復合地層刀具改進及掘進時間長達20個月，飽和氣體帶壓作業(yè)進艙檢查刀具更換更是達到624次，作業(yè)時間累計超過2 800 h，2條隧道共更換各類刀具1 009把，可見掘進之困難。

南京地鐵3號線過江單洞雙線盾構隧道，長距離掘進因刀盤、刀具嚴重磨損，江中停機帶壓修復刀盤更換刀具時間長達7個月，國內(nèi)外多家專業(yè)單位先后實施了帶壓換刀作業(yè)和刀盤修復。

綜上所述，過江大型泥水復合盾構刀盤、刀具修復和刀具更換安全風險大，成本高，工期長，因此，對復合巖石地層盾構刀盤、刀具的研制、設計和使用管理意義重大。

1 刀具使用的前期管理

1.1 復合盾構刀盤、刀具的設計選型研究和應用管理，應向前延伸到從研究隧道軸線設計的工程地質(zhì)報告開始

復合盾構設計重點應在刀盤和刀具方面，施工單位應會同盾構制造的技術人員一起，共同分析研究隧道地層，研究巖石的強度、完整性及可切削性等，即盾構刀具對地層的適應性。較早前，諸多工程在這方面研究重視不夠，盾構刀具設計不合理，不適應地層的要求，后續(xù)花費高昂的費用去改進、改造，損失更大。與其后來的改進帶來工期、造價、成本和安全的高昂付出，不如早期主動去研究，這樣做起來會事半功倍。

1.2 設計單位在進行隧道軸線斷面設計時，應充分考慮到盾構施工的難度和風險，合理確定隧道穿越巖石及復合地層的范圍

設計單位在過江復合巖石隧道軸線設計時，關注的重點多在隧道的埋深、抗浮、隧道線路的坡度、進出端口的限制條件及強制性要求等方面，缺少對隧道巖石、復合地層盾構施工難度和風險的了解，如直徑15 m盾構隧道的斷面，若巖石強度達到60 MPa以上，掘進的造價、工期、施工難度和風險很大，設計單位應了解當前國內(nèi)外盾構施工技術現(xiàn)狀和水平，在滿足隧道設計功能的條件下，盡可能減少隧道段巖石地層的長度，以節(jié)省成本，縮短工期，降低造價和施工風險。比如南京揚子江隧道工程，因為工期、造價和施工風險等綜合因素的要求，對隧道軸線進行優(yōu)化和調(diào)整，取得了較好的成效。

1.3 做好盾構刀盤、刀具設計，是做好刀具使用管理的前提

1.3.1 刀盤設計

只有根據(jù)地層做好刀盤、刀具設計，才能在掘進工作中確保刀具的合理使用。刀盤設計應加強沖刷系統(tǒng)的設計和配置，此前諸多盾構在砂巖、泥巖中掘進易結(jié)“泥餅”，特別是刀盤中心區(qū)域，因開口率低，易結(jié)“泥餅”，所以應加強對刀盤中心區(qū)域的沖刷和開口率的優(yōu)化、改進。南京揚子江隧道盾構刀盤開口率為25.7%，刀盤中心區(qū)域結(jié)“泥餅”現(xiàn)象嚴重，其沖刷清除“泥餅”的時間占換刀總時間的40%，應加強沖刷系統(tǒng)的優(yōu)化設計。

1)刀盤的耐磨裝置，特別是外圈耐磨更應牢固。南京地鐵3號線過江隧道在卵礫石地層掘進時，因施工管理和刀盤磨損傳感系統(tǒng)失效等原因，刀盤外圈磨損30～50 cm，修復耗時7個月。

2)刀盤、刀具的磨損檢測系統(tǒng)要可靠、有效。在盾構掘進施工中，盾構刀盤、刀具均布置磨損檢測系統(tǒng)，應保證實用性和完好性。

3)滾刀和撕裂(切削)刀刀座，應做到互換性和通用性良好。

4)刀座的耐磨性要強，刀具的拆卸互換應方便。

1.3.2 刀具設計

1)刀具的設置數(shù)量應適當，以滿足掘進地層要求。

2)刀具設計的切削碎巖層次不宜太多。例如：南京揚子江隧道盾構滾刀刀具設計掘進巖石，設計推進一次性完成過江，采取2個層次推出滾刀和若干次推出切削刀，實際操作較為困難，難以達到原刀具設計切削目的。

3)刀具的可推出裝置應確保長距離掘進后正常工作。

4)滾刀與切削刀掘進切削巖層的層次應分明，減少相互影響。

5)刀具設計的適應性，應從隧道全線不同地層結(jié)構進行全面綜合分析考慮。

1.3.3 施工單位在盾構選型和刀盤、刀具的設計中應起主導作用

一些長期從事盾構隧道施工的單位，對隧道沿線巖石地層的分析和刀具的使用效果積累了豐富的經(jīng)驗和認識，刀盤、刀具的設計者應充分重視和吸取。盾構設計聯(lián)絡會議是施工單位的技術人員與盾構設計者的重要溝通渠道，施工單位應選派經(jīng)驗豐富的技術人員或聘請相關專家參會，把有關經(jīng)驗融入盾構的設計中，可有效避免或減少盾構地質(zhì)適應性方面的失誤。同時，要重視盾構出廠驗收和現(xiàn)場刀具組裝調(diào)試驗收。

2 刀具使用過程中的管理

2.1 合理使用刀具

在復合巖石地層盾構掘進中，首先應建立每把刀(包括同一軌跡刀具)的使用、更換檔案，記錄刀具包括初裝刀具使用和更換情況，包括更換時間、使用壽命和相鄰刀具的使用情況，摸索總結(jié)出不同刀具使用壽命，通過分析對比使用壽命，結(jié)合掘進異常情況，綜合判斷刀盤、刀具磨損情況，制定科學的換刀計劃，動態(tài)控制刀具的檢查更換。

2.2 根據(jù)復合地層巖石各方面情況，合理確定掘進工藝參數(shù)，加強掘進參數(shù)的控制，規(guī)范操作，減少刀具不正常磨損和損壞

1)推力。滾刀掘進每把滾刀軸承的額定推力基本固定，但由于盾構推進摩擦阻力的不確定性，所以有效推力的確定比較困難，建議采用貫入度控制，推力不應過大造成滾刀刀圈斷裂、偏磨等不正常損壞刀具。

2)轉(zhuǎn)速。應對巖石的全斷面、半斷面、性質(zhì)、軟硬程度、強度等級和完整性綜合考慮。

2.3 及時對復合地層、巖石地層掘進進行總結(jié)，摸索刀具使用壽命和更換規(guī)律，確定滾刀定型和工藝參數(shù)，使盾構掘進施工盡早走向正常

大多數(shù)復合盾構隧道掘進都經(jīng)歷這個過程，如南京長江隧道混合地層刀具改進歷經(jīng)6個月；南京揚子江隧道完成巖石地層掘進和刀具改進歷經(jīng)20個月；南京地鐵3號線過江盾構隧道刀具改進及刀盤修復歷經(jīng)7個月。其他地鐵盾構復合地層掘進也都經(jīng)歷這樣一個過程，都是在對盾構初裝刀具掘進總結(jié)改進的基礎上，對掘進參數(shù)進行優(yōu)化，摸索總結(jié)出刀具型式和更換規(guī)律，才使盾構掘進走向正常，完成隧道工程掘進施工。

2.4 勤檢查，勤更換，勤維護，定期對刀具進行檢查更換

1)勤檢查。在巖石和復合地層中，根據(jù)巖石強度情況和掘進經(jīng)驗一般5～10環(huán)應對刀具進行檢查，在新刀具安裝掘進2環(huán)后對刀具螺栓進行復緊，根據(jù)刀具使用統(tǒng)計出刀具檢查更換的周期和使用壽命。

2)勤更換。對邊緣刀、正面刀和中心刀的更換，應遵循刀具使用磨損標準，到達更換標準后及時進行更換，刀具的更換應確保同一軌跡有1把更換的新刀，以保證應急情況下可以實現(xiàn)立即恢復掘進。

3)勤維護。指的是對刀座、刀具和刀盤面板維護等，在進行開艙檢查和刀具更換時，應及時進行沖洗，防止刀盤結(jié)“泥餅”，在掘進和管理拼裝時也可進行，以便保護這些部位，防止過度磨損。如南京揚子江隧道北線在掘進585環(huán)時，刀盤扭矩驟增，掘進速度突降，刀盤面板溫度升高，掘進速度1～2 mm/min，刀盤輻條溫度達80 ℃，扭矩達到70%以上，泥水站出渣量減少，漿液比重變大，對刀具檢查無磨損，泥水循環(huán)5 h，溫度僅降10 ℃。帶壓進艙檢查結(jié)果如下：刀盤被黏性土完全糊住，且后側(cè)泥水艙隔板也被黏性土糊住，導致刀盤扭矩增大，溫度升高。處理措施如下：采取低比重、低黏度泥漿，通過刀盤高速旋轉(zhuǎn)和泥水循環(huán)沖刷對泥水艙進行沖洗，同時由人工帶壓進艙用高壓水槍沖洗被黏土糊住的部位，才使問題得以解決。

對卵礫石混合地層，為避免刀具的二次磨損應加大沖刷系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)泵的流量，及時排出艙內(nèi)的渣土和碎石，對大的卵石、石頭可以使用破碎機破碎，加強掘進排渣，同時在掘進中途和拼裝管片時加強循環(huán)排渣及沖刷，達到排渣干凈和保護刀座、刀具的目的。

2.5 充分利用重型撕裂刀的優(yōu)勢，在巖石強度低于20 MPa時代替滾刀，可以達到較好的效果

在南京揚子江隧道南線盾構穿越江心洲風井時，盾構掘進需切削風井兩端三軸攪拌樁加固區(qū)、井內(nèi)回填混凝土和風井圍護玻璃纖維筋混凝土地墻等，在方案討論時，有人認為地墻混凝土和加固區(qū)施工已完成2年以上，強度可能超過25 MPa，建議使用滾刀切削，而施工單位通過分析，采用重型撕裂刀穿越，掘進達5～6 m/d，掘進非常順利，發(fā)揮了重型撕裂刀的作用，也減少了滾刀的更換。

2.6 充分利用刀盤、刀具的磨損檢測報警系統(tǒng)，及時判斷刀具損壞情況，做好刀具的更換，禁止盲目推進，避免事故發(fā)生

利用安裝的刀具磨損檢測報警系統(tǒng)，并根據(jù)掘進參數(shù)的異常變化，如刀具嚴重磨損時，推力不變的情況下掘進速度會明顯降低，扭矩增大，可以基本判斷為刀具嚴重磨損；同時，根據(jù)巖渣的形狀判斷刀具的磨損，綜合判斷確定對刀具進行檢查更換，不應再盲目推進，以免發(fā)生重大事故。如南京長江隧道在2008年8月5日掘進655環(huán)時，推力、扭矩和速度明顯異常，推測可能是江底的“異物”或“孤石”，強推1環(huán)判斷情況，但未成功，帶壓開艙檢查刀具發(fā)現(xiàn)嚴重磨損，個別刀具損毀嚴重導致掘進難以維持，之后進行刀具的檢查和更換，帶壓開艙修補刀盤和補焊周邊刮刀，更換切削刀，歷時6個月才得以恢復掘進。同樣，南京地鐵3號線過江隧道在卵礫石混合地層掘進時，出現(xiàn)掘進異常繼續(xù)掘進，刀盤外圈損毀達30～50 cm，刀盤、刀具修復更換長達7個月，經(jīng)濟損失較大。

3 刀具檢查與更換過程中意外事故的預防

刀具檢查與更換過程中容易出現(xiàn)的意外事故如下：

1)人員傷亡安全事件。常壓和帶壓檢查更換刀具均發(fā)生過類似事件，主要靠管理實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

2)掌子面坍塌和漏氣事件。

3)刀具及工具掉入泥水艙。刀具檢查和更換過程中應加強安全防范，防止常壓、帶壓作業(yè)人員安全事故的發(fā)生，加強人員培訓和通風、供氣及掌子面等安全防護，確保人員安全。每次盾構刀具檢查和更換需要很長的時間和周期，應加強對掌子面“泥膜”的維護，防止垮塌和漏氣事件發(fā)生，保證換刀安全。大型盾構的滾刀質(zhì)量達150～250 kg，質(zhì)量大，加之艙內(nèi)工作條件極其復雜，稍有不慎拆除的刀具、工具和新的滾刀運送時會掉入艙內(nèi)，需花費人力和時間去打撈，需特別慎重，注意防范。

4 刀具更換后恢復掘進注意事項

在完成刀具檢查更換、恢復掘進前，應進行清艙工作，加強泥漿循環(huán)，按設定的掘進參數(shù)恢復掘進，應注意以下問題：

1)對掉入艙內(nèi)的異物進行清艙工作，防止掘進時損壞刀盤、刀具。如南京揚子江隧道北線在刀具更換完成后，恢復掘進發(fā)現(xiàn)異常，開艙檢查發(fā)現(xiàn)刀盤外圈磨損深5～7 cm、寬30 cm的溝槽，不得不進行修補。

2)恢復掘進1～2環(huán)后及時給滾刀螺栓進行復緊，防止裝配掘進后螺栓松動。

3)恢復掘進應規(guī)范操作，防止意外事故的發(fā)生。如南京長江隧道在刀具更換完成恢復掘進時，由于操作失誤，發(fā)生輕度“冒頂”事件；南京揚子江隧道在刀具更換過程中，也曾因為掌子面漏氣發(fā)生過“冒頂”事件。

4)恢復掘進后泥水壓力設定應合理，應平穩(wěn)恢復掘進，保證推進安全。

5 結(jié)論與討論

復合盾構掘進刀具使用與管理意義重大，不僅關系到盾構掘進成本、工期和進度，還關系著盾構施工安全與風險，乃至工程成敗。本文得出結(jié)論：要做好大型過江泥水盾構刀具使用與管理，必須認真分析研究隧道地質(zhì)條件，依據(jù)地質(zhì)條件，合理科學地做好刀盤面板和刀具的設計及組合研究，加強掘進過程的技術管理，做好刀具的檢查與更換，預防刀具更換過程中意外事故的發(fā)生，重視恢復掘進安全管理，特別重視盾構刀盤和刀具的前期設計，確保刀盤、刀具設計與掘進地層相適應，才能從真正意義上做好過江隧道泥水盾構刀具使用與管理，提升我國大型泥水盾構的整體技術水平。

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Application and Management of Cutting Tools of Large Slurry Shield in River-crossing Tunnels

JI Yuguo, YANG Rongbin

(ShanghaiJiantongEngineeringConsulting&ConstructionCo.,Ltd.,Shanghai200031,China)

The application of cutting tools of shield in complex strata of Nanjing Yangtze River-crossing Tunnels and Nanjing River-crossing Metro Line No. 3 and Line No. 10 is analyzed and summarized. And then the initial design, application and management, cutting tool checking and replacing, incident prevention and boring recovery of cutting tool management are proposed, so as to improve the application and management of cutting tools of large slurry shield in China. The results can provide reference for application and management of cutting tools of shield in similar projects in the future.

river-crossing tunnel; slurry shield; cutting tool; application and management

2016-02-17;

2016-03-20

季玉國(1963—)，男，安徽阜陽人，1987年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學，巖土工程專業(yè)，本科，高級工程師，現(xiàn)從事隧道工程、地下工程和地鐵工程施工技術管理和研究工作。E-mail: jiyuguo1963@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.018

U 45

A

1672-741X(2016)07-0877-04