盾構刀盤改造實例分析

王逢松/WANG Feng-song

(中鐵隧道北京中鐵隧建筑有限公司，北京 100022)

盾構施工技術是隧道施工重要方法之一，越來越多的行業(yè)和領域采用盾構施工工藝。北京海淀500kV 電力隧道Ⅲ標段工程，是北京市為緩解主城城市供電壓力修建的超高壓電力電纜隧道，采用中鐵3 號盾構施工。原中鐵3 號盾構在北京地鐵10 號線12 標段，完成公主墳－西釣魚臺區(qū)間左線2.2km 掘進任務。

1 中鐵3號盾構原刀盤刀具介紹

中鐵3 號盾構原刀盤設計為滿足北京地鐵10線12 標段公主墳-西釣魚臺盾構區(qū)間，刀盤采用面板式結(jié)構，配置中心魚尾刀、17''寸滾刀、切刀、邊刮刀、撕裂刀。具體結(jié)構如圖1 所示，相關參數(shù)見表1。

圖1 中鐵3號盾構原刀盤刀具結(jié)構圖

表1 中鐵3號盾構原刀盤刀具參數(shù)

2 工程地質(zhì)情況對比分析

2.1 公主墳-西釣魚臺區(qū)間工程地質(zhì)情況

公主墳-西釣魚臺盾構區(qū)間穿越地層主要是卵石圓礫層、卵石層、礫巖層，以卵石⑦層（成分主要為石英砂巖、輝綠巖、安山巖、硅質(zhì)白云巖，圓礫、中粗砂充填）為主，卵石圓礫、卵石層密實，其中60%的粒徑為20～80mm，其間存在最大粒徑不小于650mm 的堅硬漂石（圖2）。

圖2 公主墳－西釣魚臺區(qū)間砂卵石層

賦存2 層地下水，地下水類型為潛水和層間潛水，水位埋深為11.47～28.0m，透水性很好，主要接受側(cè)向徑流及越流補給，以側(cè)向徑流方式排泄。

2.2 海淀500kV電力隧道工程地質(zhì)情況

電力區(qū)間隧道覆土6～11m，主要穿越土層為細砂層、卵石層、碎石混粘土層，以卵石④層（成分以石英巖、灰?guī)r為主，夾粘性土薄層）為主，其中70%粒徑為20～40mm，個別粒徑達300mm（圖3）。始發(fā)后前150m 范圍內(nèi)區(qū)間主要以黏土層為主，然后漸變至以卵石④層為主。區(qū)間無地下水出露。

圖3 海淀500kV電力隧道區(qū)間砂卵石層

2.3 對比分析

根據(jù)地層特點分析，兩種地層對刀盤刀具的要求有共同點和不同點，具體如下。

1）相同點 兩工程區(qū)間均要求刀具有足夠強度，刀盤能夠提供滿足掘進需要的刀盤扭矩，面板表面層有高強耐磨性，刀盤能夠提供滿足土倉碴土改良需要的膨潤土、泡沫噴口及土倉碴土的攪拌能力。另外，要求刀具能夠滿足卵石層開挖掘進需求，具有足夠的強度、剛度、耐磨性，抗卵石沖擊能力，刀具合金含量要求高。

2）不同點 公主墳－西釣魚臺盾構區(qū)間刀盤開口率為34%，刀具分層次配置，刀具高差20mm,配置，破卵石層以滾刀為主；海淀500kV電力隧道區(qū)間有更大的刀盤開口率（≥43%），更優(yōu)的碴土改良系統(tǒng)，刀具具有防止結(jié)泥餅功能，較大的刀具高差，對卵石層以撕裂刀撕裂剝離掌子面。

3 中鐵3號盾構刀盤、刀具改造要求

中鐵3 號盾構完成北京地鐵10 號線12 標公主墳-西釣魚臺盾構區(qū)間左線2.2km 任務后，刀盤刀具的出洞后情況如圖4 所示。

根據(jù)海淀500kV 電力隧道地層特點，對中鐵3 號盾構刀盤刀具的適應性要求，確定了新刀盤在原刀盤的基礎上進行改造，刀盤結(jié)構形式不變，合理增大刀盤開口率，提高面板、刀盤大圓環(huán)耐磨性。把滾刀換成重型撕裂刀，提高刀具的強度、韌性，及高差，增加保護刀具。

3.1 刀盤修復改造

1)刀盤修復 針對砂卵石層特點，在原刀盤面板上堆焊耐磨材料[1]，利用二氧化碳保護焊機、耐磨焊絲堆焊成網(wǎng)格狀，原刀盤面板磨損部分利用同材質(zhì)鋼板，進行焊接修復，保證修復面與原刀盤面板高度一致，修復面上然后堆焊耐磨層；刀盤面板上的刀架、刀座進行焊接修復，修復按照原設計標準及要求進行。

2）刀盤改造 對于海淀500kV 電力隧道工程，中鐵3 號盾構刀盤需增大刀盤開口率，通過割除原刀盤面板6 塊“V”型限開口面板，開口率>43%，刀盤外圈梁40cm 范圍內(nèi)加密耐磨網(wǎng)格，提高至2 倍。刀盤大圓環(huán)增大耐磨性，通過在刀盤大圓環(huán)上補焊長30cm、厚2cm 的硬質(zhì)hardox400耐磨鋼板塊，然后在大圓鋼板塊上堆焊耐磨網(wǎng)格如圖5 所示，外圈梁與切口環(huán)相對的端面焊接舊的撕裂刀，焊接舊的撕裂刀不少于12 處[2]。

圖5 刀盤大圓環(huán)補焊hardox400鋼板

3.2 刀具改造

對刀具進行全面更換，結(jié)合工程地質(zhì)特點，刀具采用3 層復合設計，強化先行刀高低差間隔配置，高刀與低刀之間高差25mm，低刀與切刀、刮刀之間高差25mm，原滾刀全部換成可更換撕裂刀如圖6 所示，中心滾刀更換為可更換中心魚尾刀如圖7 所示，刀體采用高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構鋼，迎土面刀座上堆焊耐磨材料，提高刀座耐磨性能，避免刀具脫落。

圖6 可更換撕裂刀

圖7 可更換中心魚尾刀

4 實際應用情況

圖8 可更換撕裂刀

中鐵3 號盾構刀盤刀具經(jīng)修復和改造后，改造刀盤如圖8 所示，經(jīng)實際施工掘進檢驗，刀盤扭矩、刀具使用壽命、碴土改良、出碴效率等在卵石地層均取得了良好的實用效果,月進度達500～650m。

5 總結(jié)與討論

通過原使用刀盤改造，降低了工程成本費用，為項目施工創(chuàng)造了可觀效益。改造的刀盤刀具不僅對工程地質(zhì)更有針對性，在機械成本費用上比新加工刀盤可節(jié)約60多萬元，節(jié)約設備加工制造工期，取得了多方面的效益。

中鐵3 號盾構不僅在刀盤刀具方面進行了更新和改造，同時針對項目工程地質(zhì)特點，對多個系統(tǒng)進行更有利的改造，如泡沫系統(tǒng)改成單管單泵技術、膨潤土注入系統(tǒng)改造、螺旋出土器尾部出碴改為下部出碴等，均取得了良好的使用效果。

[1]蒙先君.復合式土壓平衡盾構刀盤常見故障（損壞）原因分析及解決措施[J].隧道建設，2004，24（02）：61-66.

[2]陳 饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M].人民交通出版社，2009.