盾构开仓检修更换刀具施工关键技术研究

常润安 胡俊

摘 要：以北京地铁17号线朝阳港站至十里河站区间左线盾构开仓检修换刀为工程背景，介绍一种盾构机开仓检修更换刀具的新工法。对该工程的换刀原因和施工风险进行分析，详细介绍该工法的施工工艺、施工参数、控制措施和最终实施效果等。盾构机直径的改变、素混凝土墙的尺寸可参考本工法做适当调整，为今后类似工程提供技术参考依据。

关键词：盾构开仓;北京地铁;更换刀具;素混凝土墙

Abstract：Based on the engineering background of the left line of shield repair open tool change between Chaoyang Port station and Shilihe Station of Beijing metro line 17， this paper introduces a new method of shield machine shield repair open tool change. In this paper， the reason and construction risk of the project are analyzed， and the construction process， construction parameters， control measures and final implementation effect of the method are introduced in detail. The diameter of shield machine changes， the size of plain concrete wall can be adjusted according to this method， which can provide technical reference for similar projects in the future.

Keywords：Shield opening; Beijing subway; tool change; plain concrete wall

0 引言

目前，盾构法修建城市地铁隧道建设已成为主流工法[1]。盾构机在施工过程中不可避免地会对刀盘刀具造成磨损，必要时需进行开仓检修更换刀具，可分为有计划性换刀和无计划性换刀[2-3]。有计划性换刀又分为三种情况：一是换刀位置选土体稳定性好的地方，只需进行地层封水就能满足常压开仓换刀;二是换刀位置土体稳定性不好，需对选择位置事先进行土体加固封水，达到加固要求后方可进行常压开仓换刀;三是换刀位置有较厚黏土层时，可进行带压开仓换刀作业[4]。无计划性换刀[5]是指在盾构掘进过程中遇到各种特殊工况而不得不进行开仓换刀作业，常需进行带压换刀作业[6]。带压换刀作业操作难度大，处理不好会造成开挖面失稳坍塌，作业工人产生减压病症状，如骨坏死、耳膜破裂和听力障碍等现象[7]。因此，宜优先选择常压开仓换刀作业。

国内许多学者和现场施工人员对盾构开仓检修换刀作业进行了研究。张宗喜等[8]通过结合富水砂层中泥水盾构带压开仓换刀作业具体工程实例，指出泥膜应该全覆盖掌子面且平均厚度大于5 cm，降压过程要分步分阶段进行，泥膜加压压力应比切口压力高出0.05 MPa。谭善文等[9]介绍了盾构开仓换刀时液氮冻结加固地层的方法，实例表明液氮冻结法加固地层可为盾构开仓作业提供安全保障。黄恒儒[10]针对盾构开仓前方掌子面不稳定土体置换加固问题，开展了非可凝固性浆液和凝固性浆液的配合比试验，选择出最优浆材，并将研究成果在工程实例中应用，取得较好效果。程跃辉等[11]提出了一种砂卵石地层土压平衡盾构开仓换刀辅助施工方法，解决了现有技术受地面环境影响造成的地层加固不稳固、开仓换刀时刀盘转动对周边土体产生扰动等问题，提高了仓内人员、地表建筑物及管线安全。可以看出，前人主要是在土体加固方法及盾构开仓换刀时的新设备和新材料上进行探索。

本文以北京地铁17号线朝阳港站至十里河站区间左线盾构开仓检修换刀为工程背景，介绍一种盾构机开仓检修更换刀具的新施工方法，对该工程的换刀原因和施工风险进行分析，运用素混凝土墙这种新的加固地层方法，详细介绍该工法的施工工艺、施工参数、控制措施和最终实施效果等，为今后类似工程提供技术参考依据。

1 工程概况

北京地铁17号线朝阳港站至十里河站区间盾构机由东南四环向东南三环方向掘进。区间工程设计所采用的施工方法包括明挖法、盾构法及矿山法，整个区间共设置5处联络通道。其中盾构区间起终里程：左K12+658.162—左K16+174.717，全长3 516.555 m;右K12+658.162—右K16+113.851，全长3 455.689 m。区间最小转弯半径为400 m，最大转弯半径为3 000 m。区间平面图如图1所示。

由区间纵剖面图可知，区间竖向曲线上大体呈“W”形，最小坡度为0.2%，最大坡度为2.6%。区间隧道埋深约9.448～23.3 m，线间距约11～30.4 m。隧道洞身开挖深度范围内主要地层为第④—⑧层的粉质黏土（黏土）、粉土和饱和的砂土;粉质黏土为可塑—硬塑状态（黏粒含量平均值约为15.1%～26.4%，最大值为39.1%），粉土、砂土呈中密—密实状态，工程施工主要受地下水层间潜水、层间潜水部分的承压水和承压水的影响，局部因上部填土层较厚，可能受上层滞水的影响。

工程在实施后进行了变更，在区间上大羊坊路与西大望路南延相交路口南侧增设了十八里店站， 新增车站沿大羊坊路设置。线路东南至西北走向敷设，车站设计起止点里程为：右K14+ 553.200—右K14+852.400。车站基底持力层主要为：④3粉细砂层、⑥粉质黏土层、⑥2黏质粉土层，④3粉细砂层承载力标准值180 kPa，⑥粉质黏土層承载力标准值180 kPa，⑥2黏质粉土层承载力标准值200 kPa。车站围护结构采用0.6 m厚的地连墙，地下连续墙采用C35混凝土。最外层钢筋的混凝土保护层厚度：外侧70 mm，内侧70 mm。新设车站地质剖面图如图2所示。采用“先隧后站”施工方法，盾构掘进

至新加站围护结构前10 m，等待车站围护结构施工后，盾构破除车站围护结构，拼管片（通缝拼装）通过十八里店站，待盾构区间施工完毕后再施工新加车站主体结构。

综合考虑实际施工情况及业主施工筹划要求后决定，若刀具在切削2道地连墙后磨损较大（依据切削地连墙前后掘进参数判断），则分别在左线和右线盾构机通过地连墙后对刀具进行检修及更换，确保剩余区间顺利完工;若刀具磨损不严重，则无需换刀检修，盾构继续正常掘进至十里河接收井接收。

2 换刀原因及风险分析

2.1 原因分析

盾构机过十八里店站需要穿越2次地连墙，在穿越1次地连墙之后，左线盾构已经掘进至1 782环时，盾构机停机保压，距离十八里店站北端头第2次需穿越的地连墙38.5 m，左线盾构机停机保压位置如图3所示。经分析，此时，需要对左线盾构机进行盾构开仓检修更换刀具，原因如下：

（1）对比左线盾构机在切削地连墙进入新加的十八里店站前后施工参数发现，相似地质状况下，盾构掘进参数变化明显：掘进时，推力由8 000～10 000 kN增长至16 000～17 000 kN，而切削速度却由6～7 cm/min降低至3～4 cm/min;同时，刀盘平均扭矩自2 000 kN·m增长至4 600 kN·m。据此分析判断，左线盾构刀盘刀具（初步推测至少为边切刀及保径刀）出现较大磨损。

（2）左线盾构刀盘刀具配置主要为软土刀具，始发切削地连墙及过新加站切削地连墙，造成软土刀具磨损过大。

（3）左线盾构已掘进1 782环（2 138.4 m），在粉质黏土与粉细砂复合地层条件下长距离掘进导致刀盘刀具磨损较大。

（4）相较于新加站前区间穿越地层（砂层占比较少），新加站之后区间穿越地层主要为中粗砂与粉细砂（占比约4/5），且有部分圆砾，该地质对刀具磨损伤害更大，若不检修换刀，刀具磨损会进一步加大，造成盾构可能无法正常施工。

2.2 风险分析

本次开仓换刀地点位于新加站十八里店车站内，此时新加站十八里店站地连墙施工已完成98%，所涉及车站基坑内无风险建（构）筑物及管线改迁已完成。 施工可能存在的风险及应对措施见表1。

1 气体

检测 会发生爆炸或导致人体中毒等 人员伤害 定期进行气体置换，配备有害气体检测仪及防毒面具，及时组织人员撤离

2 机械

设备 机械设备（如空压机、压力表、消音器、闸阀、管路等）故障 地面塌陷，人员伤害 加强设备日常巡检，开仓前对所有机械设备进行检测、维修、保养、试运行及压力表标定，在试运行合格后方可开仓作业;遇紧急情况及时启动备用设备

3 施工

3 盾构开仓换刀方案

盾构区间在距离北端头地连墙30 m位置（里程：ZK14+823.18）处设置加固地层（素混凝土墙）进行换刀作业。设置素混凝土墙位置周边无风险建（构）筑物，且管线已改迁完成。隧道顶部地质从上往下为：杂填土、素填土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂、粉质黏土、黏质粉土、 黏质粉土、粉细砂、黏质粉土。该位置隧道拱顶埋深与水位线关系：隧道拱顶埋深为10.69 m，地下水位线为18.25～22.4 m，位于隧道结构底板下2.21～4.67 m。

3.1 素混凝土墙加固地层

采用现场现有的成槽设备，先施工600 mm厚素混凝土墙，待到达一定强度后再施工1 200 mm厚素混凝土墙，盾构机掘进至素混凝土墙内，常压开仓换刀。设置素混凝土墙宽度为7.2 m，总厚度为1.8 m，高18.24 m，采用C15混凝土浇筑，具体参数如图4所示。

3.2 开仓换刀施工工艺流程

本工法施工工艺流程如图5所示。

3.3 总体施工步序

本工法总体施工步骤如下：

（1）盾构机在距离加固区素混凝土墙位置约10 m处停机保压，等待素混凝土墙施工且强度达到要求时（≥12 MPa），盾构机恢复掘进。

（2）盾构机掘进至盾体进入素混凝土墙0.2 m后，停止掘进。利用前盾与中盾上的预留注浆孔向盾壳外注聚氨酯止水。

（3）排除土仓内渣土（约1/2～2/3），同时通过螺旋机出渣口和人仓板上的球阀对土仓内气体进行检测。

（4）仓门打开后，首先对土仓顶部以及人仓附近左下和右下方空气进行检测，确认掌子面素混凝土墙加固质量及掌子面土体稳定安全后，方可进入土仓进行下一步检测，全面检测空气质量合格且判断地层稳定，才能进行后续操作。

（5）上述工作完成后，开始进行换刀作业。开仓换刀时，应拆一把换一把，刀盘转动一周，磨损严重刀具应全部更换，换刀程序如图6所示。

4 方案具体控制参数和措施

4.1 盾构机磨地连墙参数控制

盾构机掘进至素混凝土墙0.2 m时停机，停机前掘进参数控制如下（根据掘进中的实际情况调整）。

（1）刀盘转速：1.0～1.1 r/min（以减小贯入度为准则适当调整）。

（2）刀盘扭矩：1 200～3 800 kN·m。

（3）总推力：8 000～9 000 kN（根据掘进中的实际情况调整）。

（4）推进速度：3～5 mm/min。

（5）同步注浆量：4～5 m3，注浆压力：0.2～0.3 MPa。

（6）出渣量：45～46 m3。

（7）上部土壓：0.08～0.1 MPa。

（8）螺旋机转速：3～4 r/min。

（9）以水作为主要的渣土改良剂，加大注水量，降低刀盘温度，防止刀盘温度过高而影响刀具硬质合金焊接质量。

4.2 刀盘刀具的结构形式

朝阳港站至十里河站区间采用2台ZTE 6610土压盾构机进行掘进施工，刀盘结构形式及刀具配置见表2。刀盘刀具结构形式如图7所示。

4.3 刀具检查内容

检查内容包括：①刀具磨损情况;②刀具合金损坏情况;③刀座磨损情况;④刀盘辐条磨损情况;⑤刀盘大圆环外周磨损情况;⑥刀盘有无裂纹、牛腿磨损及裂纹情况;⑦搅拌棒磨损情况。

刀具更换与刀盘修复标准如下：①正面贝壳刀合金磨损超15 mm（含）的更换;②正面切刀磨损超15 mm（含）的更换;③崩齿的贝壳刀和切刀全部更换;④刀座磨损需修复;⑤刀盘磨损需堆耐磨焊。

4.4 施工控制措施

检修更换刀具施工控制措施如下。

（1）盾构机停机位置。盾构掘进至切口进入素混凝土墙0.2 m时盾构停机。

（2）止水施工。利用前盾与中盾上的预留注浆孔向盾壳外注聚氨酯止水。

（3）换刀作业前，确保盾构机的正常运转。

（4）其他准备：

① 停止盾构机的推进，根据工作面地质情况，排出土仓内1/2～2/3的碴土。

② 检查盾构机承力墙上的球阀及闸阀，对堵塞的球阀及闸阀进行疏通，保证能够正常使用。

③ 对盾构机各系统进行检查，保证其功能完好。

④开仓后做好仓内照明通风，检修平台挖设，使用气体检测仪每天进行气体检测，做好换刀过程中的相关配合工作。如果土仓内的有毒、有害气体超标，要对隧道进行持续通风排除有害气体。

5 方案实施效果

本工程于2020年1月7日完成了地层加固措施，2020年1月12日开仓检修换刀作业。整个作业过程安全顺利，取得了成功的应用效果。具体工序作业时间为：2019年12 月27日至12月30日共4 d作业完成素混凝土墙導墙施工;2020年1月2日至7日共6 d作业完成素混凝土墙成槽及浇筑施工;2020年1月12日作业完成了通风检测、常压开仓清理、搭设检修平台;2020年1月13日至1月14日共2 d作业完成了刀具检修更换。

导墙施工是素混凝土地连墙施工的重要准备环节，其主要作用是为成槽导向，控制标高，控制槽段垂直度、位置和钢筋网定位，防止槽口坍塌及承重作用，本工程导墙的混凝土设计强度等级为C15。根据施工图纸，导墙形式采用“L”型，配筋图及现场施工图如图8所示。

换刀前掘进时同步注浆量按照每环4.5方控制;按方案要求通过盾壳管路径向周围注入聚氨酯进行止水施工;盾尾后7环、5环管片壁后二次注浆加固（做止水环）。止水效果如图9所示。

盾构开仓3 d作业完成了开仓换气、刀具检修更换，检修更换刀具效果如图10所示。

刀盘扭矩变化曲线如图11所示。当左线盾构掘进至1 782环时，刀盘扭矩增长至4 600 kN·m，结合推力变化情况判断左线盾构刀盘刀具出现较大磨损。刀具更换完毕恢复掘进后，刀盘扭矩恢复到正常平均值2 000 kN·m，可见刀盘刀具更换后效果良好。

6 结束语

本文以北京地铁17号线朝阳港站至十里河站区间左线盾构开仓检修换刀为工程背景，介绍了一种盾构机开仓检修更换刀具的新施工方法，该方法在盾构检修更换刀具施工时，先完成地层加固施工，盾体掘进至加固体素混凝土墙内0.2 m后停机泄压，通风后进行常压开仓换刀作业。本文中C15素混凝土地连墙的厚度、宽度、高度尺寸主要针对直径为6～7 m的盾构机而设置，对于其他直径的盾构机，素混凝土墙的尺寸可参考本工法做适当调整。

本工法在实际工程中得到了成功应用，取得了很好的实施效果，可为今后类似工程提供技术参考依据。

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