壓縮空氣條件下盾構刀盤特種焊接修復技術

孫善輝，陳 饋，王振飛

(1．盾構及掘進技術國家重點實驗室，鄭州 450001，2．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

刀盤作為盾構的核心部件，是決定工程成敗的關鍵。由于工作環境惡劣，在掘進中承受大扭矩、大推力和復雜沖變載荷，刀盤容易發生磨損和破壞，特別是遇到復雜地質條件和不明障礙物時，將嚴重影響其強度、剛度、耐磨性和整體結構安全，特別嚴重時，將導致刀盤無法使用，盾構長期停機，甚至使得工程報廢。在以往的研究中，文獻［1］認為帶壓換刀的技術主要有2個方面，即選擇合理換刀地點及進艙工作壓力，保證掌子面土體的穩定和置換開挖艙高濃度泥漿，中盾高濃度泥漿的注入，有效地防止了氣體的逃逸;文獻［2］總結了盾構在不同性狀條件的復合地層中可采用帶壓進倉、敞開式開倉、地層加固開倉、低壓限排進倉等進倉技術，詳細介紹了各種進倉技術方法的選擇和適應范圍及復合地層中各種進倉技術施工要點;文獻［3］通過對砂卵石地層盾構更換刀具時地層坍塌機制的研究，提出了采用AB液填充注漿的方式。文獻［4］通過不同盾構刀盤刀具配置在砂卵石下的應用對比，重點對工程刀盤刀具改造前后對地層的適應性進行了詳細的對比分析，提出了砂卵石條件下刀盤刀具配置應注意的關鍵問題。目前國內大多數盾構都在城市中心區或者江河湖海底部進行掘進施工，當刀盤磨損破壞非常嚴重且需要焊接修復時，地面往往不具備地層加固或者豎井開挖條件，無法實現常壓條件下對刀盤的焊接修復，也無法有效保證掌子面的穩定，此時就需要考慮帶壓進艙，在壓縮空氣條件下帶壓對盾構刀盤進行焊接修復，同時保證修復期間掌子面的穩定和施工安全。由于其作業困難多、風險大的特點，目前在國內盾構施工領域的成功應用還比較少。本文就壓縮空氣條件下盾構刀盤特種修復原理、關鍵技術、開艙氣密性條件及掌子面穩定措施等方面進行分析研究。

1 簡介

北京某項目在城市中心區首次采用12 m級氣墊式泥水盾構獨頭掘進5．2 km，隧道主要穿越卵石、圓礫、中粗砂及黏土交互地層。隧道沿線建構筑物林立，淺覆土下穿護城河，近距離穿越立交橋群、板樓群、天安門箭樓、地鐵站及平行地鐵運營線路掘進4 km，且全線地下管線密集。隧道具有埋深大、掘進距離長、地質條件復雜、風險點多、沉降控制要求嚴格、地面注漿加固困難、帶壓進艙風險大等特點［5］。

該工程盾構自2008年9月始發至今，前后共進行了3次大規模刀盤修復作業，即1次常壓動火焊接作業(開挖豎井)和2次壓縮空氣條件下帶壓進艙刀盤焊接修復作業。盾構機在最初始發掘進67 m時，發現隧道穿越的地層與原地勘資料出入較大，呈現為致密的卵石層，甚至板結層(如圖1所示)，使得原配置刀具無法有效松動土層，無法適應地層需要，決定在盾構停機處開挖豎井常壓下修復改造刀盤。改造后的刀盤刀具適應性較之前有較大改善，盾構掘進基本可以順利進行，但根本性缺陷仍然存在，無法根除，如:1)滾刀刀間距過大無法有效松動土層;2)嚴重的“泥餅”及“土包石”嚴重磨損、破壞刀盤刀具;3)切、刮刀螺栓受大卵石劇烈沖擊疲勞斷裂而導致大批掉落，如圖2所示。針對上述缺陷，在盾構累計掘進1 767 m后進行了第1次壓縮空氣下刀盤焊接修復作業。2011年，盾構在下穿某既有運營地鐵站時(刀盤頂部距離地鐵結構底板最近約4．2 m，施工風險極大，要求一次性安全通過)，發現排渣困難，隨后帶壓進艙發現刀盤纏繞著大量厚度為6mm的鋼濾網片、部分水泵及電機轉子(歷史遺留物，10口鋼管降水井)，刀盤刀具遭到嚴重破壞(如圖3所示)，無法繼續掘進，必須進行第2次壓縮空氣下刀盤焊接修復作業。

圖1 砂卵石板結地層Fig．1 Sample of sandy cobble ground

圖2 “泥餅”、“土包石”及“大卵石”Fig．2 Mud blockage，mud clouds and cobbles

2 壓縮空氣條件下刀盤艙特種焊接工作原理

目前人們普遍存在一個誤區，認為盾構刀盤艙壓縮空氣下焊接動火會引起爆燃，不安全、不可取，實際上只要技術措施到位，過程嚴格把關，該工法是安全可行的。然而也必須清醒地認識到，刀盤艙帶壓條件下動火焊接具有困難多、風險大的特點。在高壓環境中，雖然O2體積分數同外界一樣保持在21%左右，但單位體積內的O2增加了，燃燒速度加快了，如:一件物品在常壓條件下燃燒完全需要5 min，而高壓環境中僅2 min就燃燒完了，瞬間燃燒溫度能達到400℃，若O2濃度達到30%，瞬間燃燒溫度就可以達到1 000℃，同時在高壓密閉空間中動火作業，會產生大量的有毒氣體，如不及時排出，就會對作業人員造成傷害。所以一般情況下，可以常壓條件下完成的工作，都不會考慮帶壓作業。

圖3 嚴重破壞的刀盤刀具Fig．3 Seriously-damaged cutter heads and cutting tools

刀盤艙帶壓條件下動火焊接工作原理是基于盾構常規帶壓進艙基礎之上的，即在常規帶壓作業基礎上，通過增設一些特殊設備設施、儀器儀表、人員防護及相應的盾構改裝，實現作業人員在刀盤艙壓力狀態下的焊接作業，并保證作業人員能夠呼吸足量的新鮮空氣。焊接產生的廢氣能夠及時排出，同時保證刀盤艙壓力恒定、掌子面穩定及作業人員的健康安全［6］，原理如圖4所示，設備設施如圖5所示。在刀盤艙風水電及工作室開挖等全部具備條件后，進艙人員帶壓進艙進入到作業點，佩戴專用頭盔進行焊接動火作業，產生的廢氣及時從廢氣排放管排出;同時，壓縮機及時同步補充新鮮壓縮空氣，從而保持開挖艙壓力恒定。作業過程全程由攝影、進排氣流量計、O2及有害氣體檢測儀和吸氧控制器等專用設備設施監控，從而保證作業期間的安全。

圖4 工作原理圖Fig．4 Welding principle

圖5 設備設施圖Fig．5 Equipment and facilities

3 土建配合方案

由于修復作業在刀盤正面進行，需要在掌子面開挖一個工作孔，同時保證作業過程中一定時期內的掌子面、作業孔穩定和作業人員安全，所以需要根據盾構停機位置、周邊環境、地質條件等情況采取相應的土建配合方案。

1)第1次壓縮空氣下焊接修復刀盤刀具的土建配合方案是采用鉆孔樁及注漿加固相結合的加固方式，首先施工φ2．0 m的鉆孔樁，然后填充水泥砂漿，其次采取人工挖孔施工φ1．3 m的作業井，最后將刀盤頂部封死。如圖6所示。

圖6 土建方案設計圖(單位:mm)Fig．6 Design of civil countermeasures(mm)

2)第2次的土建配合方案是直接采取帶壓進艙人工掏挖方式進行，即:工作人員帶壓進艙，利用風鎬、撬棍等工具，邊開挖工作孔邊利用艙內既有泥漿封堵因開挖而造成的漏氣點;若地層裸漏面積過大，補氣量超過30%時，及時減壓出艙，同時進行掌子面補漿，重新進行加壓、保壓工作，依次反復，直至作業孔完成開挖。作業孔如圖7所示。

從上述可以看出，第2次土建方案較為簡單、便捷，實施方便，節約了加固成本，縮減了工期。從實施效果看，第2次刀盤焊接修復作業歷時0．5 a，開挖面泥膜良好，補氣量均值為10%，開挖面整體穩定性良好，作業孔無塌孔現象發生，從地表沉降來看，盾構停機點最大累積沉降5．2 mm，打破了大噸位盾構機不可長時間停機的觀點;從掌子面穩定效果來看，只要在掌子面能夠形成高質量泥膜，并保持良好的氣密性，長時間帶壓作業掌子面是穩定的。

圖7 土建方案設計圖(單位:cm)Fig．7 Design of civil countermeasures(cm)

4 壓縮空氣下焊接切割作業需要具備的必要條件

4．1 開艙氣密性條件

根據盾構帶壓作業特點分析，掌子面漏氣原因主要有:掌子面地層漏氣、盾構設備本身密封不嚴、盾尾密封漏氣、盾殼周圍地層漏氣和管片接縫處向隧道內漏氣。綜合以上漏氣原因，并結合實際進艙漏氣情況分析，造成漏氣的主要原因是盾殼與地層間的縫隙封堵不嚴，壓縮空氣沿盾殼向盾構后方逃逸漏氣，采取的主要措施是通過注漿管向盾殼外注入相對體積質量為1．3左右的摻入鋸末的高濃度泥漿，以封閉壓縮氣體逃逸通道。

4．2 掌子面泥漿置換及高質量泥膜的形成

在新漿池完成高黏度泥漿的拌制，泥漿黏度控制為90 ～100 s，相對體積質量為1．05 ～1．1，然后將高質量泥漿注入刀盤進行置換，泥漿置換完成后緩慢轉動刀盤充分攪拌泥漿，隨后開始保壓。保壓壓力的設定應比進艙壓力的設定高30～50 kPa，目的是將高黏度泥漿中的膨潤土、制漿劑壓入地層以形成泥膜，保壓應每間隔30 min提高壓力10 kPa，直至達到保壓壓力，最后穩定壓力2～3 h，使高黏度泥漿充分滲入到地層中，形成高質量泥膜(如圖8所示)。

圖8 高質量泥膜Fig．8 High-quality filter membrane

4．3 注意事項

1)密切觀察O2濃度測試儀，嚴格控制濃度在21%以下。

2)密切觀察刀盤艙供氣氣體流量計，嚴格控制掌子面補氣量在30%以下，若氣體流量計讀數達到300 m3/h，說明地層漏氣嚴重，補氣量大，應及時出艙，視情況而定補漿保壓或置換新鮮泥漿。

（2）地面硬化減低了土地蓄水能力。隨著城市的不斷發展，出于對生活環境的要求，城市地區的地面被越來越多的進行硬化處理。致使雨水很難滲透到地下，只能隨排水系統流入自然水系中，這在很大程度上縮短了雨水集流的時間，使河流中的水量增加，同時使洪峰流量增加，從而加大了洪水災害的威脅。

3)出于提高工作效率考慮，每次減壓出艙并不馬上進行掌子面補漿保壓，泥膜長時間暴露會出現開裂現象，如圖9所示。為保證泥膜質量和掌子面穩定，每天至少進行一次掌子面補漿潤濕泥膜及保壓，以延長泥膜使用壽命。

圖9 泥膜開裂Fig．9 Cracking of filter membrane

4)帶壓焊接作業所需的焊條及滅火器需要選擇專用的，搭鐵線要就近搭接，焊條應在焊接前放在烘干箱內加溫至250℃并保溫1 h，焊接面必須保持清潔干凈。焊接時先將刀座、刀箱或鋼板定位后點焊固定，最后根據坡口大小進行分層堆焊，每次堆焊后用小錘子清理焊渣，待焊縫冷卻后再堆焊，以防止焊縫變形過大，焊接完成后自然冷卻1．5～2．0 h，嚴禁用水冷卻焊縫，最后進行耐磨處理。

5 壓縮空氣下刀盤焊接修復作業實施方案

5．1 作業流程

由于帶壓進艙動火作業的特殊性，作業人員要求必須身體健康，且經過嚴格培訓并具有相關資質的人員方可進艙作業［7-9］，該項目聘請具有豐富經驗和資深資質的德國北海潛水專業公司來實施，整個作業流程見圖10。

圖10 作業流程Fig．10 Welding process

5．2 人員進出艙及補漿

帶壓工作時間確定為3 h(減壓3 h，4艙/d)，達到工作時間后，作業人員嚴格按照減壓方案進行減壓出艙，進艙人員必須根據要求吸氧。補漿時要控制好補漿速度，防止開挖艙壓力波動過大，損壞泥膜。

5．3 刀盤刀具焊接修復作業

5．3．1 切、刮修復

針對切刀螺栓頻繁斷裂無法取出的現象，其修復方法是將原刀座進行打磨、平整，焊接新型軸銷式切刀刀座;再安裝新刀，軸銷式切刀最大的優點是刀具更換比較方便、快捷，舊切刀一般每艙可以更換2～4把，而新切刀則可以更換20把，大大提高了工作效率，節約了刀具更換時間和減少了開艙次數;刮刀修復是將原刮刀刀座打磨、平整，再焊接新刀座，刀座形式不變。如圖11所示。

將損壞嚴重無法繼續使用的滾刀刀箱碳弧氣刨掉，打磨、平整，重新定位焊接新滾刀刀箱。

5．3．3 刀盤本體修復

采用薄鐵皮貼附刀盤鋼結構上進行拓片，然后在艙外根據拓片下料并打坡口，再送入刀盤艙，并根據修補位置實際情況進行微調修正，最后定位焊接。

6 實際修復情況

該工程盾構在下穿既有運營地鐵站期間，由于鋼濾網降水井，使得刀盤破壞十分嚴重。此次刀盤修復情況復雜、工作量大、時間長，所以下面主要介紹此次刀盤焊接修復實際情況。

6．1 刀盤刀具破壞狀況

1)刀盤本體發生較大磨損，主要是:①刀盤半徑5．336 m的環形區域，輻板磨損深7 cm，寬17 cm;②刀盤半徑3．35 m的環形區域，刀盤磨損深16 cm，寬20 cm;③刀盤半徑1．406～2．203 m的環形區域，刀盤磨損深42 cm，寬65 cm。如圖12所示。

圖11 刀具修復效果圖Fig．11 Repaired cutting tools

2)刀盤中心區滾刀刀箱磨損破壞嚴重(約13把滾刀道箱需要更換)，已無法安裝滾刀，損壞滾刀情況如圖13所示。

3)周邊刮刀、切刀崩齒、掉落破壞嚴重。

圖12 刀盤本體磨損實際情況Fig．12 Worn cutter head

圖13 滾刀損壞實際情況Fig．13 Worn disc cutters

6．2 主要完成情況

修復滾刀刀箱13個、中心刀刀箱5個、輻條8根;新焊切刀刀座129把、新型撕裂刀38把、耐磨鋼板326塊、合金刀3把。如圖14—16所示。

7 結論與建議

第2次壓縮空氣下焊接修復刀盤歷時0．5 a，未發生任何危險，目前盾構已恢復掘進。可以看出:只要技術措施到位和過程嚴格把關，壓縮空氣下刀盤艙動火焊接作業是安全可行的，掌子面及焊接作業孔是可以長時間保持穩定的。建議以后遇見類似工程情況:1)選擇專業帶壓進艙焊接隊伍;2)制定詳細的技術方案及專家審查制度;3)制定嚴格的過程控制措施，密切注意帶壓進艙補氣量、泥膜質量、掌子面及作業孔穩定情況等;4)制定嚴格的技術領導值班制度。

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