盾构刀盘塑性变形的产生及隧道内的修复

2014-11-24赵德成付飞达

建筑机械化 2014年10期

赵德成，范宜，付飞达

（北方重工集团有限公司盾构机分公司，辽宁沈阳 110141）

在盾构法施工过程中，刀盘与开挖面岩土接触，所处地质条件和载荷复杂多变，非常容易受到损坏。据统计结果，刀盘的风险事故率占到盾构总体风险事故的一半以上，主要风险事故有刀具磨损和刀盘体磨损。特别是在复合地层（即在竖直方向或水平方向或两者兼而有之的地层）的施工过程中，经常遇到掌子面上软下硬、大粒径的孤石和中心结泥饼等特殊情况。如果未能根据地质条件的变化及时调整推力、刀盘扭矩和土压力等施工参数，甚至会发生因刀盘结构体局部的塑性变形而导致刀盘丧失破岩功能的重大事故。受地质条件、地表建筑和工期等多因素的限制，如何简单有效地进行修复，是解决问题的关键。本文以莞惠城际轨道交通工程某项目刀盘中心区域发生塑性变形后的修复为例，探讨此类问题的成因和修复的办法。

1 工程背景概述

莞惠城际轨道交通工程项目某标段，采用开挖直径Ø8.83m的土压平衡盾构施工。盾构先穿越长约180m的砂层，随后进入上软下硬地层和全断面岩层，岩石为片麻岩，裂隙发育，估计硬度为20～40MPa。在掘进约100m后进行一次换刀作业。在掘进到约280m时，连接旋转接头的管路断裂，遂停机。期间掘进参数：推力3 600～3 900t,扭矩 3 000～3 000kNm,土仓顶部压力2～1bar。停机前大约20min，扭矩和推力突然分别升高到8 000kNm和5 000t。经开仓检查发现刀盘中心发生塑性变形，向土仓方向凹陷6～7cm，如图1所示。

图1 刀盘中心结构的塑性变形

2 刀盘变形的情况及成因

2.1 刀盘变形情况

在开仓检查时可以发现：刀盘中心区域背面的滚刀刀刃没有明显磨损，碴土中粉末的含量较多，土仓温度很高（停机一段时间后，打开通道门能够感觉土仓内的空气烫脸），中心区域有结饼情况发生（图2）。将变形区域内的正滚刀和中心滚刀拆除后，经检查发现此区域内正滚刀的刀箱变形很小或几乎没有，中心滚刀箱变形和损坏严重，但刀盘本体和焊缝并未产生裂纹（通过着色渗透探伤等检测方法)；管路连接箱与刀盘结合面法兰有变形且焊缝开裂。在刀盘前面打通空间后发现：此区域内的滚刀磨损极其严重，甚至滚刀的刀体已经磨没；刮刀及其刀座、泡沫喷口和辐条钢板表面也已经磨损（图3）。从整体结构上来说，其变形是从刀盘支腿处开始，中心处最大，呈漏斗状。

图2 刀盘中心结泥饼

图3 刀盘正面中心区域的磨损

2.2 原因分析

从上一次换刀到停机，盾构共掘进约170m。在盾构进入全断面岩层后，未能及时调整施工参数，仍然按照土压平衡模式保压推进，加速刀具的磨损，加剧刀盘体与碴土之间的摩擦，产生了过多的热量，为中心区域产生泥饼提供了天然的温床。在此过程中也没有按时检查滚刀的磨损状态，并及时换刀，导致中心区域的滚刀过度磨损并丧失破岩功能，进而滚刀连同刀盘本体一起被磨损，由于外部区域滚刀仍具有破岩能力，最后整个推力集中作用到刀盘中心区域，造成此区域结构的塑性变形。

从多个此类事故的分析来看，造成刀盘变形的原因主要有以下几种：①在中心区域结泥饼的情况下，中心区域的刀具失去破岩能力，致使刀盘中心结构的负载超过其允许载荷（本文案例）；②在遇到大的孤石或其它未发现的坚硬物体的情况下，推进油缸的推力作用在刀盘外圈，超过刀盘的极限载荷；如某项目在隧道贯通施工时，由于洞门维护桩凿除不完全，操作人员疏忽，检查不到位，导致刀盘外围直接顶在围护桩的残余部分上，盾构无法掘进，在此情况下，操作人员盲目增大推力，导致刀盘轴向强烈受弯受剪，最终发生了刀盘外围严重变形；③刀盘本体过度磨损后的二次损害，即由于本体磨损后结构强度的降低造成的变形。

3 修复方案及实施

3.1 总体修复原则

修复的原则需要权衡刀盘的损坏状态、地表建筑、开挖面的稳定性和后面将要穿越的地层和距离等因素来决定，应该遵循恢复功能为主、整体损失最小（包括经济、工期等）、技术上可行的原则。由于本实例停机位置的地表上有密集的住宅，不具备从地面挖掘检修井进行修理；掌子面有一定的自稳性，但裂隙发育，可进行短时间修理作业。综合考虑，决定在洞内进行修复，但不是完全的复原，而是功能性的恢复，即恢复刀具的破岩功能。

3.2 中心滚刀的修复

变形范围内的正滚刀及刀箱维持目前的状态，中心滚刀箱的边板全部刨掉，然后以刀盘法兰面为基准，并在中心滚刀（或工装）的辅助下定位焊接新的边板（用来固定5把双刃滚刀），将中心滚刀的高度在现有基础上向前推30mm，最后根据实际变形的情况焊接边板的加强筋板，修复前后滚刀刀刃高度对比如图4所示。

3.3 刮刀和连接箱的修复

将原刮刀座刨掉，然后将新的刮刀座焊到原来位置的对面。

图4 中心滚刀修复前后对比

由于连接箱已经发生变形，重新制作的连接箱不具有互换性，另外空间尺寸也不能满足，因此，决定将原连接箱修复后继续使用。具体过程如下：在连接箱侧板上割一个孔（图5），将其中的管路与刀盘上相应管路直接利用电焊连接，最后焊接钢板保护管路。

图5 连接箱修复示意图

3.4 人员和耗材

根据修复方案，除了正常需要更换的加工零件和凿除刀盘前方工作空间的人员材料外，所消耗的材料清单如表1所示。

3.5 修复后的使用效果

修复后经过一段的试掘进，其可靠性得到验证后，就以正常适当掘进参数恢复了施工。到目前为止，已经掘进约1.5km，还有30环左右即将出洞。从修复的效果来看，达到了预期的目的。

4 结语

盾构依靠刀盘旋转挖掘土体，由于穿越地层的不可预见性，其工作条件是非常苛刻的；而它又是在地下施工的设备，有时不便于甚至无法维修。因此，一方面需要在设计上针对风险率高的项目增强刀盘的结构刚度和抗损害能力；另一方面也需要在施工管理上重视此类事故的预防，建立评估机制和相应的预案（例如：根据隧道情况提前设置检修井或在适当的地点进仓检查等），注意地层条件的变化并及时调整掘进参数。在出现磨损或变形等损害时，要根据实际情况制定合理可行的维修方案，本文所述的刀盘变形事故为我们再一次敲响了警钟，其修复过程也为类似事故的解决做了有效的探索，可为以后类似问题的处理提供一定的参考。