济南粉质黏土地层泥水盾构常压换刀技术

2021-03-19王君平

四川建筑 2021年6期

针对泥水盾构在济南黄河地区粉质黏土夹钙质结核地层掘进中刀具磨损更换的问题，文章通过分析工程的地质条件和施工过程，得出盾构刀具磨损的原因主要为刀具在不规则冲击作用下的不正常磨损以及钙质结核体造成的二次磨损。根据工程实际情况指定了常压可更换刀具条件下盾构停机换刀的流程及要点，阐述了采用泥水循环形成掌子面处高质泥膜以及处理残留渣土的方法;提出了采用实时监测与泥浆补注的手段，以维持停机条件下掌子面处的泥膜质量，并对常压换刀的准备作业和刀具更换流程进行了详细的说明。

超大直径泥水盾构; 常压换刀; 粉质黏土地层; 刀具磨损; 钙质结核

U455.43 A

[定稿日期]2021-08-30

[基金项目]中铁十四局集团有限公司科技开发项目（项目编号：DDG-2019-B01）

[作者简介]王君平（1988～），男，本科，工程师，从事隧道、地下工程施工及管理方面工作。

盾构法凭借其优势已成为当下城市交通隧道建设的主要方式之一[1]。在盾构掘进过程中，刀具与土体的相互作用以及刀具的磨损状态是盾构机能否安全高效施工的关键。我国的地质条件复杂，在实际工程中，刀具的过度磨损，脱落，崩齿，偏磨等现象频繁发生，严重影响了盾构的正常掘进[2]。

目前我国通常采用常压换刀技术与带压换刀技术两大类[3]，在常压换刀方面，陈健等[4]以武汉地铁8号线越江隧道工程为依托，提出了复合刀盘设计，常压下滚刀齿刀互换技术以及不同地质条件的刀具配置方案，并得到了良好地应用;在带压换刀方面，姚占虎等[5]采用泥浆成膜，带压开舱的技术，对我国的盾构技术发展具有参考意义。此外，在武汉三阳路越江隧道、广东狮子洋隧道等一系列工程中，均提出了有借鉴意义的刀具更换方法[6-7]。

在以往的研究中，对黄河下游地区盾构掘进过程中特殊地质条件对盾构刀具磨损原因及换刀技术的研究较少。在我国的黄河地区，典型地层通常以粉质黏土为主，但在地层中大量存在钙质结核[8]，会对盾构刀具造成不利影响。本文以济南黄河隧道工程为依托，探讨超大直径泥水盾构下穿典型黄河地区地层时的盾构刀具磨损以及换刀技术问题。

1 工程概况

1.1 工程简介

济南黄河隧道为城市道路与轨道交通同管共建的大断面隧道，中间段采用大直径泥水盾构法施工，盾构段全长约2 519 m，盾构隧道直径达15.2 m。

1.2 工程地质情况

隧道盾构段下穿黄河，上覆地层主要以粉质黏土为主，并夹杂有部分细砂层，由于粉质黏土的弱透水性，地下水与黄河水力联系较弱，但局部仍有可能出现涌砂，涌水现象。存在黄河地区常见的钙质结核层，其分布不均匀，局部富集成层，在粉质黏土以及细砂层中均有分布。钙质结核粒径大部分在10～30 mm，少数可以达到50 mm。同时，在砂层中存在少量砂结石且局部砂层中含砾卵石。具体如下图1所示。

2 刀盘刀具设置

本工程左、右两线所使用的“黄河号”与“泰山号”均为海瑞克大型泥水盾构机，直径15.74 m，图2为“泰山号”盾构机。由于黄河地区地层以粉质黏土为主体的特点，本工程所使用盾构机的刀盘与刀具均为典型的软土配置，采用常压进仓刀盘，刀盘开口率为46 %，不设置滚刀，以贝壳型先行刀和齿形刮刀相结合组成立体切削体系，共设置刀具212把，其中常压可更换刀具共六种，种类和数量见表1。

3 刀具磨损原因探讨

根据刀具磨损形式的不同，可以分为正常的均匀磨损与出现偏磨、崩齿与断裂等现象的非正常磨损。而根据相互作用的不同，可以分为直接磨损与二次磨损，其中直接磨损发生在刀具金属与完整岩土体直接切削的过程中，二次磨损则一般为破碎岩土颗粒对刀具产生的三体磨损或疲劳磨损[9]。

本工程盾构刀具接触地层中以粉质黏土体为主，部分盾构段下切基岩且存在钙质结核的不均匀分布。在盾构掘进地层的主要岩土体中，粉质黏土为典型的软土，粒径较小，同时考虑到隧道下穿黄河河道，土体含水率较高，渣土流动性较大，因此对刀具的磨损影响较小，以细颗粒对刀具的缓慢均匀磨损为主。而粉质黏土层中广泛分布的钙质结核，部分砂层中的砂结石与砂卵石以及部分基岩地层的存在均会使刀具在土体内的正常切削中受不规则冲击，由于刀具合金强度高、塑性低，极易造成刀具的破裂、崩齿、脱落等不正常磨损现象。

其中钙质结核为黄河地区特有的岩土体，在华北与苏北地区广泛分布，因长期的蒸发与淋滤作用而形成，其CaCO3含量可高达50 %以上，物理性质和黏性土与粗粒土均有所不同。对于本工程而言，除了不规则冲击对刀具造成的直接磨損外，由于致密钙质结核本身容重较大，其被击碎后的钙质结核颗粒极易沉积到开挖仓底部，在刀盘不断旋转的过程中，刀盘边缘刀具不断与仓室底部渣土颗粒作用，产生更多的二次磨损。根据在含有卵砾石地层中的施工经验，这种现象对刀具的损坏十分明显[10]。根据实际工况，刀具在不规则冲击作用下的不正常磨损以及钙质结核体造成的二次磨损是本工程刀具失效的主要原因。

4 常压换刀技术流程

4.1 停机及地层掌子面稳定作业

在每次停机前两环的位置开始，即加大对盾尾密封油脂的注入量至正常用量的1.5倍以上，并在后续换刀流程中保证密封油脂压力不低于外部水土压力，必要时手动注入。同时，在前一环最后50 cm距离同步注浆不再使用砂浆，改为膨润土注入，以防出现盾尾被固结砂浆包裹的现象。

在常压可更换刀盘的条件下，掌子面处的稳定仍可由气垫仓提供的泥水压力来维持，无需再对前方地层进行加固与降水作业。由于在停机状态下，掌子面处无法形成新鲜泥膜，因此换刀期间维持掌子面处稳定的关键在于高质量的致密泥膜。同时，在钙质结核丰富的地层中，由于钙质结核在土仓内的沉积，残留的结核体颗粒以及部分砂土颗粒均有可能在换刀过程中进入刀腔，造成刀具安装困难，必须在换刀前对仓内渣土进行处理。综合考虑以上情况，在换刀前采用系统的泥水循环与泥浆置换作业。

泥水循环作业在停机前分两步进行。第一步采用相对密度为1.1～1.15，粘度为20～23 s的稀泥浆进行1 h的大循环浆液置换，使浆液在地层中形成较厚的泥膜渗透带，同时带走土仓内渣土颗粒，。第二步采用相对密度为1.2～1.25，粘度为25～30 s的泥浆再进行1 h泥水循环作业，使浆液在开挖面进一步形成较厚的致密泥皮，并以进出泥浆指标一致、分离设备不出渣为标准进一步带走渣土颗粒。第二步完成后静止2 h后观察气垫仓液面稳定情况。

盾构在预定位置最终停机时，为进一步确保开挖面稳定，将气垫仓液位维持在高于中线0.5～1 m的位置，保证换刀过程中掌子面处的泥水压力，并在整个过程中保持对气垫仓液位的监测，以判断泥膜质量。

停止泥水循环后，为确保泥浆质量稳定，每隔12 h，采用同步注浆泵向开挖仓底部补注粘度不小于30 s，相对密度不大于1.15的高浓度高质量泥浆，并通过顶部放浆管放出劣化浆液。同时，每隔2 h检测掌子面放浆口处泥浆质量，并结合气垫仓液位监测，针对泥膜破损及泥浆劣化情况及时进行泥浆补注。

4.2 常压刀具更换流程

4.2.1 换刀准备流程

首先进行刀臂内的有害气体检测，并对换刀机具进行准备与检查维修。然后对刀盘进行调整，将刀盘回缩100 mm，，同时将相关刀盘臂转动到底部更换位置，完成刀盘调整后关断刀盘以确保其处于静止状态。最后完善换刀流程中的辅助措施，打开人员通过孔进行通风，连接好通风用高压气管，冲洗刀具闸门用高压水管和仓内照明电缆，并设置辅助刀具更换的高压油管以及独立的液压泵站。

4.2.2 刀具更换作业

常压可更换刀具的初始状态时闸板用于隔绝刀具前方的高泥水压力，人员操作前先对油缸与刀箱的选用进行核对，以防止刀箱过短无法抽出刀具，或者刀箱过长导致刀具在闸门未关时被提前抽出，造成刀腔处因高压发生喷浆事故。

刀具移除时，按照流程分为6步。

第一步先通过外壳上的球阀进行放气，然后关闭球阀。

第二步移去刀筒后端盖并安装伸缩油缸，伸缩油缸就位后即旋进带垫圈的螺栓，并按照预定转矩旋紧螺栓。

第三步將刀具更换设备安装于伸缩油缸处，首先固定好刀具更换设备的位置，然后在尾部插入插销并用弹簧销固定，最后在刀筒预留螺孔处旋紧螺栓并连接液压管。

第四步松开螺栓，并在在刀筒闸阀处安装液压油缸以及相应闸门夹钳与液压管。

第五步缩回伸缩油缸，通过液压油缸将闸阀闭合，在闸阀关闭后利用球阀进行压力补偿，同时拆除水管并检查刀腔内的浆液流程情况：如果有，说明闸阀没有完全关闭，如果没有，即可将刀具安全抽出。

第六步关闭球阀，结束压力补偿并检查刀头磨损情况。

刀具装回时为刀具移除的逆向操作，在装回时要注意刀具编号顺序及刀具合金的方向。安装之前需先在油缸上增强润滑以防止伸缩油缸无法顺利进入刀筒。

5 结论

（1）在济南黄河地区粉质黏土地层的盾构掘进中，刀具磨损的主要因素：地层中的钙质结核、砂结石以及基岩地层对刀具造成的不规则冲击，以及钙质结核体在开挖仓底部沉积后对刀具造成的二次磨损。