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盾构施工硬岩换刀技术

    随着我国地铁建设规模的不断壮大,盾构法施工得到越来越广泛的应用,由于地质条件因素,盾构掘进过程中开挖面对刀具有着不同程度的磨损,如果不及时更换刀具将会影响盾构掘进速度,重则会使盾构无法掘进施工,影响盾构的使用寿命,因此盾构施工过程换刀是必要的工作,而且也是盾构施工过程的重点和难点。国内已经建设地铁的城市很多采用盾构掘进隧道区间,也有很多文献介绍换刀技术和许多成功的换刀经验,尤其华南地区由于地质情况复杂,换刀技术相对成熟,但重庆轨道交通以前没有使用硬岩盾构掘进区间的先例,基本上六号线二期及六号线支线同时开始采用硬岩盾构进行区间掘进。根据地质情况的不同,可分为带压换刀和常压换刀,本文结合重庆市轨道交通六号线支线礼嘉站-平场站区间的施工经验,阐述在这种地质稳定、无大量地下水涌现、无有毒气体存在的情况下盾构常压开仓换刀技术。
1 工程概况
    本工程从起点礼嘉站开始,向东北经过礼嘉镇双堰村、礼嘉村,转向东南经过礼嘉镇龙嘴村、平场村,再转向北东沿金山大道,经过黄茅坪工业园,最后总体向北经过礼嘉镇河口村、悦来镇新春村、柑子园村、到达阳光村。工程地理位置见图1。
 
    本文主要数据及图片资料来源于礼嘉站-平场站区间盾构施工过程,本区间起点位于线路起点K0+150.717,终点位于平场站小里程端右K2+390.2,全长2239.5m。其中盾构区间隧道长1972.3双延线米。该区间主要采用盾构施工,盾构从平场站后设通道始发,向小里程方向掘进,于礼嘉站站后接收井内吊出。盾构接收井采用明挖施工。该段隧道拱顶埋深10~86m,为深埋隧道。本区间共设3座联络通道,后期切割管片后采用钻爆法施工。
2 刀具检查与更换
2.1 盾构刀盘配置概况
    礼嘉站-平场站区间盾构穿越的地层主要为砂岩、砂质泥岩。刀盘采用面板式钢结构,开口率达34%,刀盘上布置了适应于硬岩的滚刀和适应于硬岩破碎后刮碴和倒碴的刮刀和切刀,刀盘上配置了中心双刃滚刀10把,单刃滚刀34把,每把滚刀的最大工作荷载达到250kN,所有的刀具都是采用背装式,能够在刀盘的背面进行拆装刀具,滚刀高度高出面板165mm,高出切刀及刮刀40mm,有利于刀盘前面碴土的流动,同时可以保护切刀和刮刀。本区间受损刀具以滚刀为主,刮刀及切刀有部分合金崩掉,但经检查后对掘进影响不大,整个区间掘进过程没有进行更换,所以本文着重阐述滚刀更换。
2.2 刀具的检查
    刀具检查分为定期和不定期。定期检查是指每掘进一定环数检查一次,根据地质情况,一般为30~80环检查一次,具体根据实际地质情况及掘进参数规律变化调整检查周期;不定期检查主要依据盾构掘进状态,当盾构掘进过程中出现油缸推力增大、刀盘扭矩减小且推进速度变慢等掘进参数异常的时候必须检查刀具,在开仓前一环要求注浆量减半或者停止注浆,以免停机时间过长浆液包住盾尾造成换刀后掘进的困难,同时将土仓内的碴土尽量出空以利于换刀工作,在开仓审批通过之后,备好开仓所需工具如气体检测仪、量具等,方可开仓工作,由于本区间岩层自稳性好,所以在保证安全的前提下采取常压开仓检查刀具和换刀。刀具的检查通常包括以下几个方面。
    1)检查刀圈是否断裂(图2),有无偏磨、多边形磨损(图3),端盖、挡圈是否完好,密封是否损坏漏油等。
    2)检查刀盘上所有螺栓是否掉落,松动。
    3)检查刀轴垫块和刀轴拉紧块是否移位、松动、掉落。
    4)检查刀具磨损的量具必须是规定的专用量具,不得使用其他量具,以免产生误差造成刀具更换方案的失误,影响正常掘进。
    5)换刀记录表是换刀方案的直接参考依据,也是刀具使用情况的原始依据,每次检查刀具的时候必须认真如实填写,刀具的正常磨损见图4。
 
 
 
2.3 刀具的更换
    刀具的更换根据换刀方案进行,主要分为正常磨损更换、异常损坏更换、异常检查。正常磨损更换:盾构掘进一定里程后,滚刀都有不同程度的磨损,正常磨损的刀具拆下换刀即可。异常损坏更换:在硬岩地质或者复合式地层掘进的时候很容易出现刀具的异常损坏,一旦出现异常损坏就很容易出现一系列问题,例如刀圈断裂、刀体轴承损坏、挡圈移位等,掉落的刀圈或垫块、拉紧块容易引起卡刀盘和卡螺旋输送机,更严重的造成刀体变形,这给换刀工作带来困难。异常检查:异常检查主要是指在检查的过程发现螺栓掉落,垫块、拉紧块移位或掉落,刀座及周边有可见油渍,但是肉眼看不出刀具的问题所在,为了避免刀具造成更大的损坏,需要对这些问题刀具进行检测。
3 影响刀具使用寿命的因素
    本文针对在使用同一种刀具材料的情况下来探讨影响刀具使用寿命的因素。
    1)地质结构
    重庆轨道交通六号线支线礼嘉站-平场站区间左线始发段前395m是砂质泥岩,盾构首批刀具完成223m掘进,换刀后第二次完成120m掘进,而在此后的砂岩段少则仅完成45m掘进,在离较近出洞口的砂质泥岩段换一次刀又能达到120m的掘进。由此可见,地质的结构也关系着刀具的使用寿命。
    2)刀具的安装
    刀盘通过旋转完成对土体的切削,旋转时中心点和边缘位置的线速度有很大差异,刀盘旋转1圈,安装在距刀盘中心3m位置和1m位置的刀具所通过的路程相差2倍,从理论上讲,在相同工况下,1m位置上刀具的寿命是3m位置上的3倍,这也在实际使用过程得到初步验证,更换周边刀的频率总是比更换靠近刀盘中心的刀具的频率要高。
    3)碴土改良情况
    向土仓及掌子面喷射泡沫从而增加碴土的流塑性,在刀具切屑过程又能起到润滑和降温效果,泡沫加注口的位置和数量直接影响着刀具的润滑效果,从而影响到刀具的使用寿命。重庆轨道交通六号线支线礼嘉站-平场站区间使用的两台盾构就出现过因泡沫发泡效果不理想而造成掘进困难、出碴不顺的情况,不仅耽误了进度,也影响了设备的使用寿命,碴土改良不善还易造成刀盘结泥饼现象,使土仓内温度升高,极大地损坏刀具密封影响刀具使用寿命。
    4)掘进参数
    在掘进过程中,盾构操作手对设备的操作也关系着刀具的使用寿命。刀盘的转速提高了,在单位时间内,刀具通过的路程也就增加了,切屑量随着增加,相应的刀具的磨损量也就增加了,过大的转速容易造成岩层扰动和刀具冲击,造成异常磨损。同样的,在相同参数下,掘进过程增加油缸的推力,使刀具的贯入度提高,也就加速了刀具的磨损,过大的推力还容易造成刀具的异常磨损。
4 提高刀具的使用寿命方法
    提高刀具的使用寿命是控制施工成本的重要途径,本文针对硬岩地质结合施工经验介绍几种有利于刀具使用的方法。
    1)刀具安装完成后进行试掘进作业,掘进1环后开仓检查刀具紧固情况并进行刀具螺栓复紧。
    2)由于在硬岩地层,盾构的推力、刀盘转速往往都比较大,容易造成刀盘震动从而使螺栓、垫块、拉紧块松动,甚至掉落,极大地影响了刀具的性能和使用寿命,因此在安装刀具的时候可采取滴用少量螺纹紧固胶来紧固螺栓。
    3)在不影响刀具使用和拆、换刀的情况下,可采用焊接的方法对螺栓进行加固,以减少螺栓松动,以提高刀具的抗震动性。
    4)针对螺栓容易松动的刀具可另行加工防松垫片,当螺栓紧固到位后锁紧也有很好的效果。
5 结语
    在硬岩地层中刀具要勤检查、勤更换,最大程度地减少异常磨损,保护刀盘,刀具检查更换前要对盾构的掘进情况和地质条件有详细的认识,避免在不稳定地层中进行刀具检查和更换。
 

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