盾構刀盤塑性變形的產生及隧道內的修復

趙德成，范 宜，付飛達

（北方重工集團有限公司 盾構機分公司，遼寧 沈陽 110141）

在盾構法施工過程中，刀盤與開挖面巖土接觸，所處地質條件和載荷復雜多變，非常容易受到損壞。據統計結果，刀盤的風險事故率占到盾構總體風險事故的一半以上，主要風險事故有刀具磨損和刀盤體磨損。特別是在復合地層（即在豎直方向或水平方向或兩者兼而有之的地層）的施工過程中，經常遇到掌子面上軟下硬、大粒徑的孤石和中心結泥餅等特殊情況。如果未能根據地質條件的變化及時調整推力、刀盤扭矩和土壓力等施工參數，甚至會發生因刀盤結構體局部的塑性變形而導致刀盤喪失破巖功能的重大事故。受地質條件、地表建筑和工期等多因素的限制，如何簡單有效地進行修復，是解決問題的關鍵。本文以莞惠城際軌道交通工程某項目刀盤中心區域發生塑性變形后的修復為例，探討此類問題的成因和修復的辦法。

1 工程背景概述

莞惠城際軌道交通工程項目某標段，采用開挖直徑?8.83m的土壓平衡盾構施工。盾構先穿越長約180m的砂層，隨后進入上軟下硬地層和全斷面巖層，巖石為片麻巖，裂隙發育，估計硬度為20～40MPa。在掘進約100m后進行一次換刀作業。在掘進到約280m時，連接旋轉接頭的管路斷裂，遂停機。期間掘進參數：推力3 600～3 900t,扭矩 3 000～3 000kNm,土倉頂部壓力2～1bar。停機前大約20min，扭矩和推力突然分別升高到8 000kNm和5 000t。經開倉檢查發現刀盤中心發生塑性變形，向土倉方向凹陷6～7cm，如圖1所示。

圖1 刀盤中心結構的塑性變形

2 刀盤變形的情況及成因

2.1 刀盤變形情況

在開倉檢查時可以發現：刀盤中心區域背面的滾刀刀刃沒有明顯磨損，碴土中粉末的含量較多，土倉溫度很高（停機一段時間后，打開通道門能夠感覺土倉內的空氣燙臉），中心區域有結餅情況發生（圖2）。將變形區域內的正滾刀和中心滾刀拆除后，經檢查發現此區域內正滾刀的刀箱變形很小或幾乎沒有，中心滾刀箱變形和損壞嚴重，但刀盤本體和焊縫并未產生裂紋（通過著色滲透探傷等檢測方法)；管路連接箱與刀盤結合面法蘭有變形且焊縫開裂。在刀盤前面打通空間后發現：此區域內的滾刀磨損極其嚴重，甚至滾刀的刀體已經磨沒；刮刀及其刀座、泡沫噴口和輻條鋼板表面也已經磨損（圖3）。從整體結構上來說，其變形是從刀盤支腿處開始，中心處最大，呈漏斗狀。

圖2 刀盤中心結泥餅

圖3 刀盤正面中心區域的磨損

2.2 原因分析

從上一次換刀到停機，盾構共掘進約170m。在盾構進入全斷面巖層后，未能及時調整施工參數，仍然按照土壓平衡模式保壓推進，加速刀具的磨損，加劇刀盤體與碴土之間的摩擦，產生了過多的熱量，為中心區域產生泥餅提供了天然的溫床。在此過程中也沒有按時檢查滾刀的磨損狀態，并及時換刀，導致中心區域的滾刀過度磨損并喪失破巖功能，進而滾刀連同刀盤本體一起被磨損，由于外部區域滾刀仍具有破巖能力，最后整個推力集中作用到刀盤中心區域，造成此區域結構的塑性變形。

從多個此類事故的分析來看，造成刀盤變形的原因主要有以下幾種：①在中心區域結泥餅的情況下，中心區域的刀具失去破巖能力，致使刀盤中心結構的負載超過其允許載荷（本文案例）；②在遇到大的孤石或其它未發現的堅硬物體的情況下，推進油缸的推力作用在刀盤外圈，超過刀盤的極限載荷；如某項目在隧道貫通施工時，由于洞門維護樁鑿除不完全，操作人員疏忽，檢查不到位，導致刀盤外圍直接頂在圍護樁的殘余部分上，盾構無法掘進，在此情況下，操作人員盲目增大推力，導致刀盤軸向強烈受彎受剪，最終發生了刀盤外圍嚴重變形；③刀盤本體過度磨損后的二次損害，即由于本體磨損后結構強度的降低造成的變形。

3 修復方案及實施

3.1 總體修復原則

修復的原則需要權衡刀盤的損壞狀態、地表建筑、開挖面的穩定性和后面將要穿越的地層和距離等因素來決定，應該遵循恢復功能為主、整體損失最小（包括經濟、工期等）、技術上可行的原則。由于本實例停機位置的地表上有密集的住宅，不具備從地面挖掘檢修井進行修理；掌子面有一定的自穩性，但裂隙發育，可進行短時間修理作業。綜合考慮，決定在洞內進行修復，但不是完全的復原，而是功能性的恢復，即恢復刀具的破巖功能。

3.2 中心滾刀的修復

變形范圍內的正滾刀及刀箱維持目前的狀態，中心滾刀箱的邊板全部刨掉，然后以刀盤法蘭面為基準，并在中心滾刀（或工裝）的輔助下定位焊接新的邊板（用來固定5把雙刃滾刀），將中心滾刀的高度在現有基礎上向前推30mm，最后根據實際變形的情況焊接邊板的加強筋板，修復前后滾刀刀刃高度對比如圖4所示。

3.3 刮刀和連接箱的修復

將原刮刀座刨掉，然后將新的刮刀座焊到原來位置的對面。

圖4 中心滾刀修復前后對比

由于連接箱已經發生變形，重新制作的連接箱不具有互換性，另外空間尺寸也不能滿足，因此，決定將原連接箱修復后繼續使用。具體過程如下：在連接箱側板上割一個孔（圖5），將其中的管路與刀盤上相應管路直接利用電焊連接，最后焊接鋼板保護管路。

圖5 連接箱修復示意圖

3.4 人員和耗材

根據修復方案，除了正常需要更換的加工零件和鑿除刀盤前方工作空間的人員材料外，所消耗的材料清單如表1所示。

3.5 修復后的使用效果

修復后經過一段的試掘進，其可靠性得到驗證后，就以正常適當掘進參數恢復了施工。到目前為止，已經掘進約1.5km，還有30環左右即將出洞。從修復的效果來看，達到了預期的目的。

4 結 語

盾構依靠刀盤旋轉挖掘土體，由于穿越地層的不可預見性，其工作條件是非常苛刻的；而它又是在地下施工的設備，有時不便于甚至無法維修。因此，一方面需要在設計上針對風險率高的項目增強刀盤的結構剛度和抗損害能力；另一方面也需要在施工管理上重視此類事故的預防，建立評估機制和相應的預案（例如：根據隧道情況提前設置檢修井或在適當的地點進倉檢查等），注意地層條件的變化并及時調整掘進參數。在出現磨損或變形等損害時，要根據實際情況制定合理可行的維修方案，本文所述的刀盤變形事故為我們再一次敲響了警鐘，其修復過程也為類似事故的解決做了有效的探索，可為以后類似問題的處理提供一定的參考。

表1 人員和耗材表

[1] 劉曉翔．隧道建設安全質量管控新模式[J]．現代隧道技術，2012，49(4):56-59．

[2] 黃宏偉，閆玉茹，胡群芳．復合式土壓平衡盾構刀盤失效風險分析[J]．巖土力學，2009，30(8)：2324-2330．

[3] 鐘志強．盾構刀盤變形修復技術[J]．隧道建設，2010，30(5)：612-615．