盾构换刀方案.docx

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盾构换刀方案

成都地铁4号线一期工程土建6标

盾构技术交流

之

成都地区盾构换刀

中铁一局集团有限公司

成都地铁4号线一期工程土建6标项目经理部

二〇一三年六月二十一日

1引言

成都地铁砂卵石地层石英含量高，刀具磨损快，据施工统计，每掘进300～400m就需进行刀具的检查与更换，因此进仓进行检查和更换刀具是成都地铁盾构法施工的关键工序。

但由于成都地铁的砂卵石地层含水丰富且气密性差，且成都地铁线路埋深较浅，带压作业易造成地面喷发和引起地表坍塌，特别是在城市主干道上带压进仓，风险极其巨大，一旦失败将带来灾难性的后果，这就决定了带压进仓技术应用的难度。

目前，在地面有条件的情况下，成都地铁在施工中大多数采用降水辅以地面加固手段为主的常压进仓的换刀办法，该方法的安全性比较适合成都的地层特点，同时成本小于其它换刀方案。

2工程概况

2.1工程概述

成都地铁4号线土建6标区间包含骡马市站～太升路站～省文联站区间，区间设计范围内为盾构隧道。

骡马市站～太升路站区间，起止里程为YDK29+617.444（ZDK29+617.444）～YDK30+488.600（ZDK30+488.600）；线路出骡马市站后沿羊市街到玉带桥（已拆除），在快到玉带桥处以R-400m的曲线右拐至白丝街、一直向前经过忠烈祠西街到达太升路站。

2.2设计概况

骡马市～太升路站区间线路曲线半径R=400m，最大线间距15m，线路在该区间线间距由15m过渡到13m。

线路最大埋深16.6m，最小坡度2‰（站坡度2‰），最大坡度7‰。

2.3工程地质

骡－太区间隧道洞身主要穿过〈2-8-3〉、〈3-8-3〉、〈3-8-4〉，隧道拱顶以上分布〈2-8-3〉，隧道底板以下分布〈3-8-4〉，其中洞身地层分布比例如下图所示：

骡－太区间隧道洞身地层分布比例

洞身岩土层特征如下：

<2-8>卵石土：

青灰色或褐灰色或黄褐色，稍湿～饱和。

松散、稍密～密实夹少量角砾，卵石含量50～85%，粒径以20～80mm为主，个别粒径达到180mm，充填物为细砂，局部夹少量角砾或漂石，顶面埋深3.3～7.5m，地面埋深11.9～13.2m。

该层卵石土分为松散卵石土<2-8-1>、稍密卵石土<2-8-2>、中密卵石土<2-8-3>和密实卵石土<2-8-4>，共4个亚层。

<3-5>细砂土：

褐黄色，松散，稍湿～饱和，以透镜状分布于卵石中。

<3-8>卵石土：

黄褐色，稍湿～饱和。

卵石成分主要以岩浆岩、变质岩类岩石组成。

以亚圆形为主，少量圆形，分选性差，卵石含量50～85%，粒径以20～80mm为主，个别粒径达到190mm，充填物为细砂，局部夹少量角砾或漂石。

其中太省区间16.0～30.0m范围内有一层卵石为强风化，轻敲即碎，充填物以细砂为主。

该层卵石土分为稍密卵石土<3-8-2>、中密卵石土<3-8-3>和密实卵石土<3-8-4>，共3个亚层。

各土层可挖性分级一览表

层号

岩土名称

岩土特征

开挖后的稳定状态

围岩类别

<2-8-2>

卵石土

稍密、稍湿～饱和

自稳性差

Ⅱ

<2-8-3>

卵石土

中密、饱和

自稳性较差

Ⅲ

<3-5>

细砂

松散、稍湿～饱和

易塌

Ⅰ

<3-8-3>

卵石土

中密、饱和

自稳性较差

Ⅲ

<3-8-4>

卵石土

密实、饱和

自稳性一般

Ⅲ

2.4水文地质

1、地下水的分布特征及渗透性

本标段区间隧道隧道地下水主要有两种类型：

一是赋存第四系砂卵石地层中的孔隙型潜水，二是基岩裂隙水。

第四系孔隙水主要赋存于上更新统（Q3）的卵石土中，地下水具有微承压性，卵石土层结构比较松散，含水丰富，含水层厚度为11.90～14.50m。

本区间隧道隧道卵石土层取渗透系数k=18.00～22.00m/d，为强透水层。

本区间隧道隧道基本位于卵石土层中，受地下水影响较大。

2、地下水的动态特征

场地内地下水具有埋藏深，季节性变化明显，受降水影响大，水位西北高东南低。

根据《成都市水文地质工程地质环境地质综合勘查报告》成都平原区地下水具有明显季节变化特征，潜水位一般从4、5月开始上升至8月下旬，最高峰出现在7、8月，最低在1～3月、12月中交替出现，动态曲线上峰谷起伏，动态变化明显，该区地下水埋深枯期2～4m，洪季1～3m，年变幅1～3m。

在本区间隧道详勘阶段，测得骡太区间地下水位埋深为6.8～7.5m，相当于绝对标高494.33～495.08m，太省区间地下水位埋深为4.60m～7.00m，相当于绝对标高494.67～496.98m，初见水位与静止水位基本一致，场地内的地下水不具有承压性。

本区间隧道部分地下水位远低于正常水位，根据调查分析，主要原因是场地附近正在进行工程建设，许多建筑基坑在进行施工降水，造成场区地下水位大幅下降。

3、地表水、地下水水质

按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-20012009版），场地内水的腐蚀性评价宜按Ⅱ类环境考虑。

经判定地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋及混凝土均有微腐蚀性。

依据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设[2005]157号），该区间隧道室内年平均相对湿度≥60%,按碳化环境类别划分属于T2级别，该区间隧道所处环境类别不属于化学侵蚀环境和氯盐环境，可不考虑化学侵蚀环境和氯盐环境对混凝土结构的影响。

4、地下水水力学特征

本区间位于含水量丰富、补给充足的强透水的砂卵石土中，其埋深位于地下水位以下，地下水水压力对区间施工及支护结构有很大影响。

考虑到本段砂卵石土均为强透水层，地下水连通性好，水压力按γ•H计算，本区间结构的地下水水压力为0kPa～160kPa，在进行区间结构设计时，应考虑地下水压力对隧道结构的作用。

3换刀施工总体安排

3.1换刀方法

根据隧道地质条件，本工程刀具更换类型为常压换刀方式，骡太区间换刀点左右线设置一处位置，停机位置设置在280环位置左右此处位置刚好在道路绿化带位置。

根据本区间地质报告，隧道开挖断面为<3-8-3>中密卵石土和<3-8-4>密实卵石土地层，在降水条件下地质稳定，决定采用降水条件下常压换刀。

在盾构掘进过程中，根据刀具磨损情况进行开仓换刀（由于我部刀盘及刀具都经过合金加固，根据太省区间左线刀具磨损情况，换刀距离正常情况下定为300～500m）。

3.2换刀工艺流程

常压换刀流程图如下图。

图3-1常压换刀流程图

3.3预计换刀地点

在盾构掘进过程中，需要根据刀具磨损情况进行开仓换刀，根据我部盾构设备情况、施工经验和区间地质条件，我部确定正常情况下换刀间距300-500m，因此，此处左线地面为道路绿化带，右线处于行车道下方，距离建筑物较远，此处左右线雨污水管线均离开隧道范围以内，预计换刀地点位置大致如下。

线路

区间

左线

右线

预计换刀点里程

预计换刀点环数（环）

预计换刀点里程

预计换刀点环数（环）

骡—太区间

ZDK30+50.00

280

YDK30+50.00

280

图3-2换刀位置平面图

图3-3换刀位置地层剖面图

4常压换刀方案

4.1换刀点地层加固

在预定换刀位置，采用地面袖阀管注浆形式对换刀点地层进行加固，加固区设三排孔，每排设5个孔，孔间距为1.5米，孔深至隧道底部，孔位布置如下图：

图4-1袖阀管注浆孔位布置图

浆液采用水泥-水玻璃双液浆。

水泥采用Po32.5，水玻璃采用Be’=35；注浆浆液由稀到浓W:

C=0.8：

1—1：

1、C:

S=1：

1。

注浆压力控制在1.0-1.5Mpa.。

以1米为一个注浆段，注完一段，拔出一段，逐步进行注浆。

每一注浆段应反复注浆2—3次，保证注浆质量。

注浆过程中时刻监测地面沉降和隆起情况，当地面隆起1cm时，终止注浆。

4.2降水井施工

在换刀区域打设三口降水井，一口位于左右线中间位置，其余两口位于左右线边线外，具体布点位置见停机位置平面图。

降水井选用GPS-15型旋转钻机成孔，钻孔直径800mm,钻孔深度为隧道底部以下3米，钻至设计深度后用正循环方法清孔，施工中控制孔斜偏差＜1%，井管直径600mm，采用钢筋笼制作,外包3层60目尼龙布，在井壁间隙回填砾石至地面以下1～1.5m，孔口部分用粘土填实。

降水井施工完成后安排专人抽水，降水过程中注意降水对周边建筑物及管线的影响。

整个换刀过程中不间断抽水，保证地下水位在隧道底部以下1米，抽水时做好各项监测记录，对每个井点的流量、设备运转等都进行监测。

图4-2降水井构造图

4.3开仓换刀

4.3.1换刀前准备

1、对盾构各部位进行详细的检修，在到达检查更换点前15环复核一次盾构机的掘进姿态和方向，通过十五环把盾构的姿态和掘进方向调整到正常范围，当刀盘切口环位置到达加固区中心里程时停止掘进。

2、开仓准备：

转动螺旋，将土仓内渣土渣位降至1/2左右，使中上部土压传感器压力显示为零，观察土压传感器30分钟左右，若土压传感器无变化，证明开挖面较稳定；打开盾构机下部土仓壁球阀，观察是否有地下水流出，如没有水流出，则证明水位已将至隧道底板以下。

3、开仓：

（1）先打开土仓壁上的平衡阀，使用气体检测仪检测地层是否存在有害气体，如存在有害气体，关闭平衡阀，重新确定方案；如无有害气体，即打开仓门。

（2）人员进入土仓后，检查开挖面土体加固效果及是否有渗漏水，若有少量渗水，用快硬水泥封堵，并插入导管引流；

（3）使用木板将刀盘开口封住，防止地层突然坍塌。

4、做好仓内照明及通风，做好换刀过程中的相关配合工作。

5、监控量测

（1）监测项目及监测频率

为确保安全，施工过程中加强监测频率，24小时现场进行监测。

对每日的监测数据进行评估，及时判断换刀施工是否安全，隧道内设一名专职信息联络员，主要与地面监测队进行联系，确保隧道内各种情况及时反应到监测队，监测的各种信息能及时反馈到盾构机内。

换刀过程中对地面沉降及周边建筑物沉降进行监测，换刀过程中监测频率1小时/次。

（2）监测结果分析

整个换刀过程将监测数据图表化，对监测结果分过程进行分析。

4.3.2换刀作业

1、换刀工艺流程见下图：

图4-3换刀工艺流程图

2、刀具检查

检查刀具时，操作司机锁住刀盘（操作室），到人仓内换刀控制面板上操作，转速为0.5转/分钟；如控制面板坏了，则需操作司机与换刀负责人用对讲机沟通好,确保核实无人及其它物料时，方可转动刀盘，转速为0～0.5rpm。

检查内容应包括：

（1）滚刀的磨损量和偏磨量，漏油情况，滚刀刀圈的脱落、裂纹、松动、移位等，刀具螺栓的松动和螺栓保护帽的缺损情况。

（2）刮刀的合金齿和耐磨层的缺损和磨损以及刀座的变形情况。

（3）刀盘有无裂纹、刀盘牛腿磨损及焊缝开裂情况。

（4）根据每把刀具的编号，记录刀具的磨损量，并提供刀具检查报告。

3、刀具更换

（1）刀具更换标准

①滚刀在刀圈产生偏磨、漏油、挡圈断裂或脱落、刀圈脱落、裂纹、松动、移位情况下必须进行更换，滚刀正常磨损时按刀盘最外3把滚刀磨损大于8mm，其余边缘滚刀磨损量大于15mm，正面滚刀磨损量大于20mm，中心滚刀磨损量大于25mm时更换。

②刮刀/齿刀合金齿缺损和耐磨层磨损完时更换。

（2）刀具运输

①刀具运输过程（包括从地面下井到进入土仓后到达换刀位置的全过程）以及旧刀具运出地面过程中，必须检查吊具、钢丝绳、木板等的质量，确保其安全性能的前提下方能投入使用。

②刀具运输过程中要保护好刀具不被碰撞，严禁刀具碰撞设备。

③禁止在推进油缸和铰接油缸活塞杆上捆绑钢丝绳作为吊点。

④将底部推进油缸回收，以防止刀具在运输过程中脱落碰坏油缸。

（3）刀具更换作业

将∠45的角钢焊接在土仓壁三点位或九点位（视盾构机具体情况而定），把２块1500mm×200mm×40mm的木板放在角钢上搭设换刀平台。

①将刀盘旋转到所需换刀的位置（三点位或九点位），用风镐凿刀坑，坑的位置与所换刀的位置一致，容积与刀的体积基本相等。

②坑凿好后，把需要换的刀具转到刀坑中。

③用滚刀夹具夹紧滚刀（如图4-4）。

④使用导链挂住滚刀（如图4-5）。

图4-4滚刀夹具夹紧滚刀图4-5使用导链挂住滚刀

图4-4图4-5

⑤松掉自锁螺帽（如图4-6）。

⑥移走球面垫圈，球窝及可调节压块（如图4-7）。

图4-6松掉自锁螺帽图4-7移走可调节压块

图4-6图4-7

⑦移去楔形块，使用装配杆将滚刀撬出，如有必要，握住楔形块螺杆（如图4-8）。

⑧将滚刀拉出刀箱（如图4-9）。

图4-8撬出滚刀图4-9拉出刀箱

图4-8图4-9

⑨移走滚刀（如图4-10）。

⑩将新滚刀运至更换点（如图4-11）。

图4-10移走滚刀图4-11将新滚刀运至更换点

图4-10图4-11

⑪安装新滚刀。

安装之前，清洁滚刀底座，检查是否有变形（如图4-12）。

⑫装入楔形块（如图4-13）。

图4-12图4-13

⑬上紧可调节压块，球面垫片，球窝及自锁螺母（如图4-14）。

⑭上紧螺母和保护盖帽（如图4-15）。

图4-14上紧可调节压块图4-15上紧螺母和保护盖帽

图4-14图4-15

⑮拆掉滚刀夹具（如图4-16）。

图4-16

4、关闭土仓门

在换刀完毕后，在关闭土仓门前，由机电部派人按照刀具更换和刀盘修复表的要求栏对落实情况进行检查，确认落实；由盾构队换刀负责人对领取的换刀工具进行清点，确保无工具和其它杂物（尤其是金属物件）遗留在土仓内。

4.4盾构恢复掘进措施

换刀结束后关好土仓门，通过土仓壁上的球阀向土仓中注入充分膨化的膨润土泥浆，注入膨润土的过程中打开土仓壁上部的平衡阀排出仓内空气，直至溢出膨润土浆液时关闭平衡阀。

观察土仓压力传感器，当土仓压力达到掘进时的土压平衡压力时停止注入膨润土，然后启动刀盘，将土仓内的碴土与膨润土搅拌均匀，恢复盾构掘进。

5施工人员和机械设备

5.1施工人员组织

施工过程中，建立以项目经理、各级负责人、作业班长到操作工人的岗位责任制，明确各级管理职责，建立严格的考核制度，实行优质优价政策，将经济效益与质量挂钩。

具体管理组织机构如下图所示：

图5-1换刀施工组织机构图

换刀作业期间安排两个班次，实行两班倒作业。

班组人员组成

班次

人员安排

工作安排

白班

队长

1名

负责全面指挥协调

土建工程师

1名

负责观察掌子面稳定情况及漏水情况

机械工程师

1名

负责刀具检查记录及更换记录

安全员

1名

1人负责现场安全监督检查

工人

8名

2人负责刀具运输，6人负责进仓更换刀具，

夜班

队长

1名

负责全面指挥协调

土建工程师

1名

负责观察掌子面稳定情况及漏水情况

机械工程师

1名

负责刀具检查记录及更换记录

安全员

1名

1人负责现场安全监督检查

工人

8名

2人负责刀具运输，6人负责进仓更换刀具

5.2机具设备

机具设备

工具名称

数量

备注

风钻

1台

刀具

10把

根据现场情况定

1吨导链

4个

1个备用

5吨导链

1个

风动扳手

1把

配46、55套筒

分体式千斤顶

1台

配套割枪氧气、乙炔

1套

其中氧气2瓶

配套焊钳、焊帽电焊机

1台

φ8换刀钢丝绳套

6条

6安全施工措施

（1）施工前组织全体施工人员进行安全技术交底，学习有关安全制度和安全操作规程。

（2）在选择入仓换刀人员时先检查人员的体检表是否符合仓内长时间作业条件

（3）机械设备要完好，必须有可靠的安全防护装置，做到定人操作、保养和检查。

电气线路或机具发生故障时，必须要电工处理，其他人员不得修理或排除故障。

（4）准备一个急救箱，里面要有纱布、消毒水、棉签、云南白药、创可贴等对皮外伤的应急药物，要是出现较大的伤口要及时送往医院。

（5）严禁在气闸里存放可燃气体和氧气瓶。

通向闸的逃生通道以及闸本身必须保持畅通，不得存放材料和工具。

线缆和软管不得堵塞闸门。

（6）万一遇到异常情况，现场负责人必须要求操作人员必须马上撤出开挖仓。

异常情况是指：

开挖面出现失稳迹象；降水井失效，地下水位上升，开挖面出现渗漏水。

（7）开仓清理及换刀过程中，注意观察掌子面及切口环位置地层情况，出现小股流水等现象，立即使用纱布及快干水泥进行封堵，防止水流扩大。

并在掌子面相对薄弱的开口位置采用木板或钢板进行临时性支撑。

（8）换刀过程中，做好土仓内的通风工作，并且安装有害气体监测仪，随时对土仓内的气体进行检测，防止中毒或爆炸事件发生。

（9）对毗邻建筑物、构筑物和地下管线进行24小时跟踪监测，派专人进行现场巡视。

7换刀应急措施

（1）如果发现土体有塌方现象人员必须立即返回人仓并关闭土仓门，对土仓进行加压，确保地层稳定和人员安全，根据情况做出下一步安排。

（2）如果土仓内着火，用喷淋系统灭火，如果火势太大人员返回人闸关闭闸门，向土仓内注入水灭火。