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

摘要:基于面板式盾構(gòu)機(jī)的施工特點(diǎn)，更換刀具以及保證刀盤完整性是其施工的關(guān)鍵，本文針對(duì)沈陽(yáng)地鐵一號(hào)第九合同段鐵西廣場(chǎng)站～云峰北街站盾構(gòu)區(qū)間施工參數(shù)情況，實(shí)施了人工挖孔換刀技術(shù)，并根據(jù)刀具磨損的原因研究出了在刀盤面板和鋼環(huán)上增加先行刀對(duì)刀具進(jìn)行保護(hù)的方案，成功實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的優(yōu)化，提高了盾構(gòu)施工效率，完成了區(qū)間右線的順利貫通。實(shí)踐證明，通過(guò)人工挖孔換刀和刀盤修復(fù)后，面板式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中能長(zhǎng)距離不換刀順利掘進(jìn)，且人工挖孔技術(shù)和刀盤修復(fù)措施值得在盾構(gòu)施工中推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:面板式盾構(gòu)機(jī) 人工挖孔 刀盤修復(fù) 砂卵石層

0 引言

盾構(gòu)法是目前進(jìn)行隧道施工的一種重要的、先進(jìn)的施工方法。由于盾構(gòu)施工不同于暗挖、明挖、淺埋暗挖等傳統(tǒng)工法，其主要依靠盾構(gòu)設(shè)備這個(gè)載體，得以安全、高效地進(jìn)行隧道施工。但是盾構(gòu)施工設(shè)備投入大，設(shè)備的性能決定施工關(guān)鍵技術(shù)，因此合理的盾構(gòu)選型及施工過(guò)程中設(shè)備維護(hù)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵。

對(duì)于砂卵石地層的盾構(gòu)施工，要著重考慮對(duì)開(kāi)挖土層的穩(wěn)定措施，一般采用封閉性盾構(gòu)，但在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，砂卵石地層對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，因此需及時(shí)的對(duì)刀盤進(jìn)行修復(fù)，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，所以如何進(jìn)行刀盤修復(fù)以及優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)是本文研究的重點(diǎn)。

1 概述

沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線第九合同段鐵西廣場(chǎng)站～云峰北街站隧道區(qū)間左右線長(zhǎng)共1722.803，盾構(gòu)隧道掘進(jìn)地層主要為中、粗砂和礫砂，中、粗砂含2-20%礫石，可見(jiàn)最大粒徑約50;礫砂中的卵、礫石占25～40%，其中含5-20%卵石，可見(jiàn)最大粒徑約100，局部夾中、粗砂和圓礫薄層，掘進(jìn)地層均含有大量的石英～長(zhǎng)石質(zhì)。

本區(qū)間采用德國(guó)海瑞克φ6260土壓平衡面板式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工，刀盤開(kāi)口率為27%，刀盤中心為零開(kāi)口率。對(duì)于這種開(kāi)口率低的刀盤，土體容易集中擠壓在刀盤面板上，使刀具和刀盤面板產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，從而導(dǎo)致盾構(gòu)施工參數(shù)異常。為了保護(hù)盾構(gòu)施工正常進(jìn)行，刀盤的完整性顯得尤為重要，本文就針對(duì)此現(xiàn)象提出了相應(yīng)的技術(shù)對(duì)策。

2 人工挖孔換刀技術(shù)

本區(qū)間盾構(gòu)右線施工自170環(huán)以后掘進(jìn)參數(shù)異常，在193環(huán)通過(guò)無(wú)壓開(kāi)倉(cāng)發(fā)現(xiàn)刀具磨損嚴(yán)重，所以需進(jìn)行換刀作業(yè)，刀具更換的常規(guī)做法是地面加固后常壓進(jìn)倉(cāng)更換或地面做豎井到刀盤前面更換。

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置地層為砂卵石，且附近管線較多，根據(jù)沈陽(yáng)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，該地層主要以中、粗砂為主，滲透系數(shù)大，所以從安全，經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境保護(hù)方面來(lái)說(shuō)選擇采用人工挖孔施工工藝對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具進(jìn)行更換。

2.1 人工挖孔技術(shù)參數(shù) 工作井深15.7，工作井井口護(hù)筒外直徑為2000，護(hù)筒高度為1600，護(hù)壁最小內(nèi)徑為1500，外徑為1800，護(hù)壁厚度采用100～150變化，護(hù)壁用C30混凝土和Φ8鋼筋澆注。C30混凝土配合比(每立方米)為500水泥(42.5)、170水、800砂子、900石子(粒徑25)+早強(qiáng)劑+速凝劑，混凝土體積共14立方米。

2.2 支護(hù)體系 模板采用4厚鋼板彎弧而成，內(nèi)側(cè)加肋板，肋板高40，厚3，間距30。每一套模板由七塊組成，模板間用卡扣連接緊固。每步打設(shè)土釘，土釘為1米Φ25鋼筋，環(huán)向間距500，在工作井護(hù)壁下部1m范圍采用長(zhǎng)度500注漿錨桿和護(hù)筒對(duì)地層進(jìn)行加固處理，小導(dǎo)管注漿范圍根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況予以確定，以確保施工安全。

3 刀盤修復(fù)技術(shù)

通過(guò)人工挖孔到刀盤前，發(fā)現(xiàn)鋼環(huán)磨損達(dá)8cm，周邊刀上耐磨塊幾乎磨平，靠近周邊的齒刀也有大量的磨損，這些都是導(dǎo)致推進(jìn)速度緩慢、刀盤油壓過(guò)大的原因。針對(duì)這種情況，除了對(duì)磨損的刀具進(jìn)行更換，必須對(duì)刀盤進(jìn)行修復(fù)，才能保證盾構(gòu)施工的正常進(jìn)行。

3.1 刀具更換 海瑞克盾構(gòu)機(jī)外周邊刀和齒刀采用螺栓連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤更換16把周邊刀和16把靠近周邊刀的齒刀。

3.2 鋼環(huán)修復(fù) 修復(fù)鋼環(huán)的構(gòu)件采用58mm厚，15MnNbR鋼板，加工成800mm×150mm 規(guī)格23塊，680mm×150mm規(guī)格1塊，外形加工成呈弧形，外弧直徑為6235mm，耐磨堆焊端角兩層堆滿，3個(gè)長(zhǎng)面網(wǎng)格堆焊一層，網(wǎng)格尺寸35～40mm，構(gòu)件焊接面四周采用15×15mm和20×20mm的倒角，具體修復(fù)構(gòu)件如圖1所示。

3.3 刀盤加固 根據(jù)磨損周邊刀和磨損齒刀的位置，分析刀具和鋼環(huán)的磨損是由于周邊刀和外圍齒刀行走軌跡大，所以外圍刀具比刀盤其他部位的刀具磨損速度要快，針對(duì)此種情況通過(guò)在面板和鋼環(huán)上增加刀具來(lái)保護(hù)磨損速度快的刀具及鋼環(huán)，目的是為了通過(guò)增加的刀具先行松動(dòng)土體，減小土體和刀具的摩擦，減小土體和刀具之間的擠壓力，減少刀盤上擠壓的土體，優(yōu)化推進(jìn)參數(shù)且保護(hù)刀盤和延緩刀具的磨損，保證后續(xù)工程順利實(shí)施。

增加的刀具共36把，其中大先行刀16把，自制先行刀12把，改造齒刀8把。刀具分別分布在鋼環(huán)上、齒刀和周邊刀之間，面板上增加的刀具高出原刀具3～4cm，刀具布置原則如下:

3.3.1 16把大先行刀其中8把焊接在修復(fù)的鋼環(huán)上，保護(hù)鋼環(huán)和周邊刀，刀具定位在兩個(gè)周邊刀之間中心線的鋼環(huán)上，垂直刀盤向外偏。另外8把分別焊接在周邊刀和齒刀之間的刀盤上，有保護(hù)周邊刀和齒刀并超前挖土的功能，垂直刀座焊接，如圖2所示。

3.3.2 自制12把先行刀焊接在兩排齒刀之間，保護(hù)齒刀和超前挖土的功能，自制先行刀排列以刀盤外邊沿為基點(diǎn)，分別分布在不同的軌跡上，如圖3所示。

3.3.3 改造齒刀8把焊接位置位于在兩周邊刀中間的耐磨塊之間，保護(hù)周邊刀，也有超前開(kāi)挖的作用，如圖4所示。

4 結(jié)果分析

通過(guò)人工挖孔換刀和刀盤修復(fù)措施后，順利完成了鐵云區(qū)間右線的掘進(jìn)施工，具體掘進(jìn)速度和推力如圖5和圖6所示。

從圖5速度曲線圖可以得出，自193環(huán)以后速度成明顯上升趨勢(shì)，至250環(huán)左右，速度穩(wěn)定30mm/min左右。

從圖6推力曲線圖可以得出，推力成下降趨勢(shì)，且穩(wěn)定在10000KN。

綜上所述，人工挖孔前后的推進(jìn)參數(shù)從速度和推力方面得到很大的改善，保證了區(qū)間剩余640m砂卵石底層掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

5 結(jié)論

針對(duì)面板式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線第九合同段鐵西廣場(chǎng)站～云峰北街站的掘進(jìn)情況，進(jìn)行了人工挖孔換刀和刀盤修復(fù)，獲得良好的施工效果，得出結(jié)論如下:

5.1 人工挖孔換刀技術(shù)在本工程得到了成功的應(yīng)用，明顯的控制和降低事故的發(fā)生，保證了人換刀的作業(yè)空間和換刀的質(zhì)量，所以在盾構(gòu)機(jī)前方運(yùn)用人工挖孔技術(shù)進(jìn)行換刀及刀盤修復(fù)，在其他類似工程施工過(guò)程中具有重要的參考價(jià)值，值得大力推廣應(yīng)用。

5.2 完成了盾構(gòu)刀盤的修復(fù)工作后，改進(jìn)了推進(jìn)參數(shù)，如提高了推進(jìn)速度，降低了刀盤扭矩，減小了推力值等。

5.3 盾構(gòu)右線出洞后的刀盤證明了刀具保護(hù)方案的正確性，且被保護(hù)的刀具均完好或者微量磨損。

5.4 面板式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)，通過(guò)對(duì)刀盤和刀具的保護(hù)，能優(yōu)化施工掘進(jìn)參數(shù)，刀盤修復(fù)方案值得在盾構(gòu)施工中推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1]鄒積波.盾構(gòu)刀具磨損原因探析[J].建筑機(jī)械化，2003，(11):57-58.

[2]劉仁鵬.盾構(gòu)選型[J].2004:58-59.

[3]張國(guó)京.北京地區(qū)土壓式盾構(gòu)機(jī)刀具的適應(yīng)性分析[J].市政技術(shù).2005.(1):9-13.

[4]李鳳遠(yuǎn).盾構(gòu)選型和關(guān)鍵參數(shù)選擇探討[J].建筑機(jī)械化.2008(08):40-43.

[5]劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道[M].北京:中國(guó)鐵道出版社.1991.

[6]何其平.土壓平衡盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)探討[J].工程機(jī)械.2003.34(11):10-16.

[7]唐益群，宋永輝，周念清等.土壓平衡盾構(gòu)在砂性土中施工問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2005.24(1):52-56.