濟南粉質(zhì)黏土地層泥水盾構(gòu)常壓換刀技術(shù)

針對泥水盾構(gòu)在濟南黃河地區(qū)粉質(zhì)黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核地層掘進中刀具磨損更換的問題，文章通過分析工程的地質(zhì)條件和施工過程，得出盾構(gòu)刀具磨損的原因主要為刀具在不規(guī)則沖擊作用下的不正常磨損以及鈣質(zhì)結(jié)核體造成的二次磨損。根據(jù)工程實際情況指定了常壓可更換刀具條件下盾構(gòu)停機換刀的流程及要點，闡述了采用泥水循環(huán)形成掌子面處高質(zhì)泥膜以及處理殘留渣土的方法;提出了采用實時監(jiān)測與泥漿補注的手段，以維持停機條件下掌子面處的泥膜質(zhì)量，并對常壓換刀的準備作業(yè)和刀具更換流程進行了詳細的說明。

超大直徑泥水盾構(gòu); 常壓換刀; 粉質(zhì)黏土地層; 刀具磨損; 鈣質(zhì)結(jié)核

U455.43?? A

[定稿日期]2021-08-30

[基金項目]中鐵十四局集團有限公司科技開發(fā)項目（項目編號：DDG-2019-B01）

[作者簡介]王君平（1988～），男，本科，工程師，從事隧道、地下工程施工及管理方面工作。

盾構(gòu)法憑借其優(yōu)勢已成為當下城市交通隧道建設(shè)的主要方式之一[1]。在盾構(gòu)掘進過程中，刀具與土體的相互作用以及刀具的磨損狀態(tài)是盾構(gòu)機能否安全高效施工的關(guān)鍵。我國的地質(zhì)條件復雜，在實際工程中，刀具的過度磨損，脫落，崩齒，偏磨等現(xiàn)象頻繁發(fā)生，嚴重影響了盾構(gòu)的正常掘進[2]。

目前我國通常采用常壓換刀技術(shù)與帶壓換刀技術(shù)兩大類[3]，在常壓換刀方面，陳健等[4]以武漢地鐵8號線越江隧道工程為依托，提出了復合刀盤設(shè)計，常壓下滾刀齒刀互換技術(shù)以及不同地質(zhì)條件的刀具配置方案，并得到了良好地應用;在帶壓換刀方面，姚占虎等[5]采用泥漿成膜，帶壓開艙的技術(shù)，對我國的盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展具有參考意義。此外，在武漢三陽路越江隧道、廣東獅子洋隧道等一系列工程中，均提出了有借鑒意義的刀具更換方法[6-7]。

在以往的研究中，對黃河下游地區(qū)盾構(gòu)掘進過程中特殊地質(zhì)條件對盾構(gòu)刀具磨損原因及換刀技術(shù)的研究較少。在我國的黃河地區(qū)，典型地層通常以粉質(zhì)黏土為主，但在地層中大量存在鈣質(zhì)結(jié)核[8]，會對盾構(gòu)刀具造成不利影響。本文以濟南黃河隧道工程為依托，探討超大直徑泥水盾構(gòu)下穿典型黃河地區(qū)地層時的盾構(gòu)刀具磨損以及換刀技術(shù)問題。

1 工程概況

1.1 工程簡介

濟南黃河隧道為城市道路與軌道交通同管共建的大斷面隧道，中間段采用大直徑泥水盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段全長約2 519 m，盾構(gòu)隧道直徑達15.2 m。

1.2 工程地質(zhì)情況

隧道盾構(gòu)段下穿黃河，上覆地層主要以粉質(zhì)黏土為主，并夾雜有部分細砂層，由于粉質(zhì)黏土的弱透水性，地下水與黃河水力聯(lián)系較弱，但局部仍有可能出現(xiàn)涌砂，涌水現(xiàn)象。存在黃河地區(qū)常見的鈣質(zhì)結(jié)核層，其分布不均勻，局部富集成層，在粉質(zhì)黏土以及細砂層中均有分布。鈣質(zhì)結(jié)核粒徑大部分在10～30 mm，少數(shù)可以達到50 mm。同時，在砂層中存在少量砂結(jié)石且局部砂層中含礫卵石。具體如下圖1所示。

2 刀盤刀具設(shè)置

本工程左、右兩線所使用的“黃河號”與“泰山號”均為海瑞克大型泥水盾構(gòu)機，直徑15.74 m，圖2為“泰山號”盾構(gòu)機。由于黃河地區(qū)地層以粉質(zhì)黏土為主體的特點，本工程所使用盾構(gòu)機的刀盤與刀具均為典型的軟土配置，采用常壓進倉刀盤，刀盤開口率為46 %，不設(shè)置滾刀，以貝殼型先行刀和齒形刮刀相結(jié)合組成立體切削體系，共設(shè)置刀具212把，其中常壓可更換刀具共六種，種類和數(shù)量見表1。

3 刀具磨損原因探討

根據(jù)刀具磨損形式的不同，可以分為正常的均勻磨損與出現(xiàn)偏磨、崩齒與斷裂等現(xiàn)象的非正常磨損。而根據(jù)相互作用的不同，可以分為直接磨損與二次磨損，其中直接磨損發(fā)生在刀具金屬與完整巖土體直接切削的過程中，二次磨損則一般為破碎巖土顆粒對刀具產(chǎn)生的三體磨損或疲勞磨損[9]。

本工程盾構(gòu)刀具接觸地層中以粉質(zhì)黏土體為主，部分盾構(gòu)段下切基巖且存在鈣質(zhì)結(jié)核的不均勻分布。在盾構(gòu)掘進地層的主要巖土體中，粉質(zhì)黏土為典型的軟土，粒徑較小，同時考慮到隧道下穿黃河河道，土體含水率較高，渣土流動性較大，因此對刀具的磨損影響較小，以細顆粒對刀具的緩慢均勻磨損為主。而粉質(zhì)黏土層中廣泛分布的鈣質(zhì)結(jié)核，部分砂層中的砂結(jié)石與砂卵石以及部分基巖地層的存在均會使刀具在土體內(nèi)的正常切削中受不規(guī)則沖擊，由于刀具合金強度高、塑性低，極易造成刀具的破裂、崩齒、脫落等不正常磨損現(xiàn)象。

其中鈣質(zhì)結(jié)核為黃河地區(qū)特有的巖土體，在華北與蘇北地區(qū)廣泛分布，因長期的蒸發(fā)與淋濾作用而形成，其CaCO3含量可高達50 %以上，物理性質(zhì)和黏性土與粗粒土均有所不同。對于本工程而言，除了不規(guī)則沖擊對刀具造成的直接磨損外，由于致密鈣質(zhì)結(jié)核本身容重較大，其被擊碎后的鈣質(zhì)結(jié)核顆粒極易沉積到開挖倉底部，在刀盤不斷旋轉(zhuǎn)的過程中，刀盤邊緣刀具不斷與倉室底部渣土顆粒作用，產(chǎn)生更多的二次磨損。根據(jù)在含有卵礫石地層中的施工經(jīng)驗，這種現(xiàn)象對刀具的損壞十分明顯[10]。根據(jù)實際工況，刀具在不規(guī)則沖擊作用下的不正常磨損以及鈣質(zhì)結(jié)核體造成的二次磨損是本工程刀具失效的主要原因。

4 常壓換刀技術(shù)流程

4.1 停機及地層掌子面穩(wěn)定作業(yè)

在每次停機前兩環(huán)的位置開始，即加大對盾尾密封油脂的注入量至正常用量的1.5倍以上，并在后續(xù)換刀流程中保證密封油脂壓力不低于外部水土壓力，必要時手動注入。同時，在前一環(huán)最后50 cm距離同步注漿不再使用砂漿，改為膨潤土注入，以防出現(xiàn)盾尾被固結(jié)砂漿包裹的現(xiàn)象。

在常壓可更換刀盤的條件下，掌子面處的穩(wěn)定仍可由氣墊倉提供的泥水壓力來維持，無需再對前方地層進行加固與降水作業(yè)。由于在停機狀態(tài)下，掌子面處無法形成新鮮泥膜，因此換刀期間維持掌子面處穩(wěn)定的關(guān)鍵在于高質(zhì)量的致密泥膜。同時，在鈣質(zhì)結(jié)核豐富的地層中，由于鈣質(zhì)結(jié)核在土倉內(nèi)的沉積，殘留的結(jié)核體顆粒以及部分砂土顆粒均有可能在換刀過程中進入刀腔，造成刀具安裝困難，必須在換刀前對倉內(nèi)渣土進行處理。綜合考慮以上情況，在換刀前采用系統(tǒng)的泥水循環(huán)與泥漿置換作業(yè)。

泥水循環(huán)作業(yè)在停機前分兩步進行。第一步采用相對密度為1.1～1.15，粘度為20～23 s的稀泥漿進行1 h的大循環(huán)漿液置換，使?jié){液在地層中形成較厚的泥膜滲透帶，同時帶走土倉內(nèi)渣土顆粒，。第二步采用相對密度為1.2～1.25，粘度為25～30 s的泥漿再進行1 h泥水循環(huán)作業(yè)，使?jié){液在開挖面進一步形成較厚的致密泥皮，并以進出泥漿指標一致、分離設(shè)備不出渣為標準進一步帶走渣土顆粒。第二步完成后靜止2 h后觀察氣墊倉液面穩(wěn)定情況。

盾構(gòu)在預定位置最終停機時，為進一步確保開挖面穩(wěn)定，將氣墊倉液位維持在高于中線0.5～1 m的位置，保證換刀過程中掌子面處的泥水壓力，并在整個過程中保持對氣墊倉液位的監(jiān)測，以判斷泥膜質(zhì)量。

停止泥水循環(huán)后，為確保泥漿質(zhì)量穩(wěn)定，每隔12 h，采用同步注漿泵向開挖倉底部補注粘度不小于30 s，相對密度不大于1.15的高濃度高質(zhì)量泥漿，并通過頂部放漿管放出劣化漿液。同時，每隔2 h檢測掌子面放漿口處泥漿質(zhì)量，并結(jié)合氣墊倉液位監(jiān)測，針對泥膜破損及泥漿劣化情況及時進行泥漿補注。

4.2 常壓刀具更換流程

4.2.1 換刀準備流程

首先進行刀臂內(nèi)的有害氣體檢測，并對換刀機具進行準備與檢查維修。然后對刀盤進行調(diào)整，將刀盤回縮100 mm，，同時將相關(guān)刀盤臂轉(zhuǎn)動到底部更換位置，完成刀盤調(diào)整后關(guān)斷刀盤以確保其處于靜止狀態(tài)。最后完善換刀流程中的輔助措施，打開人員通過孔進行通風，連接好通風用高壓氣管，沖洗刀具閘門用高壓水管和倉內(nèi)照明電纜，并設(shè)置輔助刀具更換的高壓油管以及獨立的液壓泵站。

4.2.2 刀具更換作業(yè)

常壓可更換刀具的初始狀態(tài)時閘板用于隔絕刀具前方的高泥水壓力，人員操作前先對油缸與刀箱的選用進行核對，以防止刀箱過短無法抽出刀具，或者刀箱過長導致刀具在閘門未關(guān)時被提前抽出，造成刀腔處因高壓發(fā)生噴漿事故。

刀具移除時，按照流程分為6步。

第一步先通過外殼上的球閥進行放氣，然后關(guān)閉球閥。

第二步移去刀筒后端蓋并安裝伸縮油缸，伸縮油缸就位后即旋進帶墊圈的螺栓，并按照預定轉(zhuǎn)矩旋緊螺栓。

第三步將刀具更換設(shè)備安裝于伸縮油缸處，首先固定好刀具更換設(shè)備的位置，然后在尾部插入插銷并用彈簧銷固定，最后在刀筒預留螺孔處旋緊螺栓并連接液壓管。

第四步松開螺栓，并在在刀筒閘閥處安裝液壓油缸以及相應閘門夾鉗與液壓管。

第五步縮回伸縮油缸，通過液壓油缸將閘閥閉合，在閘閥關(guān)閉后利用球閥進行壓力補償，同時拆除水管并檢查刀腔內(nèi)的漿液流程情況：如果有，說明閘閥沒有完全關(guān)閉，如果沒有，即可將刀具安全抽出。

第六步關(guān)閉球閥，結(jié)束壓力補償并檢查刀頭磨損情況。

刀具裝回時為刀具移除的逆向操作，在裝回時要注意刀具編號順序及刀具合金的方向。安裝之前需先在油缸上增強潤滑以防止伸縮油缸無法順利進入刀筒。

5 結(jié)論

（1）在濟南黃河地區(qū)粉質(zhì)黏土地層的盾構(gòu)掘進中，刀具磨損的主要因素：地層中的鈣質(zhì)結(jié)核、砂結(jié)石以及基巖地層對刀具造成的不規(guī)則沖擊，以及鈣質(zhì)結(jié)核體在開挖倉底部沉積后對刀具造成的二次磨損。

（2）在停機前進行系統(tǒng)的泥水循環(huán)作業(yè)以形成良好的泥膜滲透帶與泥皮，同時采用實時監(jiān)控，人工補注的方式維持高質(zhì)量泥漿。

（3）鈣質(zhì)結(jié)核與砂石渣土顆粒極易進入刀腔，對刀具拆除造成影響。在停機前的泥水循環(huán)中應對泥漿指標進行監(jiān)測，以保證渣土顆粒被盡可能帶出。在泥水循環(huán)完成的情況下，換刀過程中仍有顆粒殘余的可能性，應增大接水閥處的高壓水流量及壓力。

參考文獻

[1] 何川，封坤，方勇.盾構(gòu)法修建地鐵隧道的技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（1）：97-109.

[2] 靳利安.富水砂層上軟下硬地層中盾構(gòu)換刀技術(shù)研究[J].市政技術(shù)，2019，37（6）：98-102.

[3] 陳健，劉紅軍，閔凡路，等.盾構(gòu)隧道刀具更換技術(shù)綜述[J].中國公路學報，2018，31（10）：36-46.

[4] 陳健.大直徑盾構(gòu)刀盤刀具選型及常壓換刀技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)：中英文，2018，38（1）：110-117.

[5] 姚占虎，閔凡路，張英明，等.泥水盾構(gòu)飽和法開艙閉氣泥膜技術(shù)研究與應用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015，52（4）：74-79+85.

[6] 李波，包蓁.武漢軌道交通7號線三陽路越江隧道施工關(guān)鍵技術(shù)[J].隧道建設(shè)：中英文，2019，39（5）：820-831.

[7] 王焰.城際鐵路大直徑泥水盾構(gòu)施工風險及對策——以佛莞城際鐵路獅子洋隧道工程為例[J].隧道建設(shè)：中英文，2019，39（6）：983-988.

[8] 滕志宏，劉榮謨，陳苓，等.中國黃土地層中的鈣質(zhì)結(jié)核研究[J].科學通報，1990（13）：1008-1011.

[9] 吳俊，袁大軍，李興高，等.盾構(gòu)刀具磨損機理及預測分析[J].中國公路學報，2017，30（8）：109-116+142.

[10] 萬朝棟.不同刀盤在富水砂卵石地層的盾構(gòu)掘進適應性分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2021（1）：78-81+86.

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