鼓鸡区间右线盾构刀盘磨损情况资料.docx

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鼓鸡区间右线盾构刀盘磨损情况资料

南京市地铁四号线TA03标项目经理部

鼓楼站～鸡鸣寺站区间右线

盾构掘进中刀盘磨损事件情况材料

中铁隧道集团有限公司

南京地铁四号线TA03标项目经理部

二〇一五年六月

鼓楼站～鸡鸣寺站区间右线

盾构掘进中刀盘磨损事件情况材料

1.工况概况

鼓楼站～鸡鸣市盾构区间由鼓楼站出发以半径500m曲线转向东北方向，沿北京东路敷设至鸡鸣市站，区间进入鸡鸣市站前采用半径2000m及1500m反向曲线与3号线鸡鸣市站相接。

区间右线起讫里程为右CK15+～右CK16+，区间右线长度1139.795m。

本区间在CK16+076里程处设置联络通道及泵站一座。

本区间使用中铁41号盾构机施工。

中铁41号盾构机设计概况

复合式刀盘直径6460mm，刀盘开口率37%，刀盘转速为0～3r/min，最大推力3400t，最大掘进速度80mm/min，额定扭矩5500KNm，脱困扭矩6800KNm。

始发掘进刀具配置情况：

表1-1中铁41号盾构机刀盘

刀盘

刀盘型式

复合式材料：

Q345b

旋转方向

正反

开口率

约37%

双联齿刀

4把

齿刀

14把

单刃滚刀

20把

切刀

40把

边缘刮刀

16把

保径刀

8把

保护刀

16把

泡沫/膨润土浆注入孔数量

3/2

工程地质

（1）停机位置

鼓楼站～鸡鸣市站区间隧道右线隧道停机时，盾构推进至653环，刀盘位于659环，盾构机顶部埋深13.35m。

（2）停机位置纵断面地质情况

根据详细勘探资料显示，该里程纵剖面地质从上至下依次为杂填土、粉质粘土、2-3b4淤泥质粉质粘土（厚度为4.7m）、2-4b2粉质粘土（厚度4.6m）。

盾构机主要穿越3-2b2、3-1b1粉质粘土。

（3）盾构刀盘位置横断面地质分层

根据此前带压开仓检查结果和地质横断面图的分析，盾构目前掘进区域确定为土岩的复合地层。

掌子面70％为中风化石英砂岩，平均强度为80MPa。

在刀盘的右上方存在3-2b2粉质粘土层。

图1-1盾构刀盘后方27m位置横剖面地质分层图

图1-2刀盘位置现场钻孔实测地质剖面图

（4）主要土体抗剪强度

表1-2主要土体抗剪刀强度表

层号

取值

直剪快剪

直剪固快

天然休止角

Cq

kPa

φq

度

Ccq

kPa

Φcq

度

аc

аw

②-1b2

粉质粘土

平均值

标准值

②-3b4

淤泥质粉质粘土

平均值

标准值

②-4b2

粉质粘土

平均值

标准值

3-2b2

粉质粘土

平均值

标准值

（5）主要土体标贯指标

表1-3主体土体标惯指标

层号

名称

实测值

杆长修正值

N（击）

N'（击）

②-4b2

粉质粘土

平均值

标准值

③-2b2

粉质粘土

平均值

标准值

③-1b1

粉质粘土

平均值

标准值

（6）主要地层工程地质评价

表1-4主体地层工程地质评价

层号

岩土名称

岩性特征

不良地质评价

开挖后稳定状态

①-1

杂填土

杂色，松散～稍密，极不均匀

不良地层

围岩极易坍塌变形，易透水

①-2

素填土

灰黄色，粘性土为主，稍密，夹杂质，不均匀

不良地层

围岩极易坍塌变形，易透水

②-4b2

粉质粘土

灰色

可塑

强度较低，压缩性中等，微透水

②-3b4

淤泥质粉质粘土

灰色

流塑

强度很低，压缩性高，微透水

③-2b2

粉质粘土

灰黄、灰

可塑

强度中等，压缩性中等，微透水

（j1）-2xn-3

中风化

石英砂岩

浅灰色

较硬

岩芯为长柱、短柱状,取芯率70-90%,块状构造,主要由石英颗粒、少量长石颗粒组成。

局部发生深度变质,为较硬岩,岩体基本质量等级为Ⅳ级

工程水文情况

（1）设计情况

根据详勘显示，中风化岩层中含有裂隙水，基岩裂隙水是本标段重要水源之一，富水程度差异较大，基岩中风化层由于裂隙连通性差，又多被填充，其渗透性较差，且具多变性和不均匀性。

接受大气降水的补给及上层微承压水的补给，由于受裂隙分布及相互连通条件的影响，具多变性。

（2）掘进过程中喷涌情况

复合地层掘进过程中，螺机口有喷涌现象，地层中含水量很大。

周边环境情况

（1）地下管线情况

表1-5地下管线情况

序号

管线名称及特征

根数

埋深（m）

与隧道关系

1

380v铜电缆

1

上方，影响小

2

200*200光缆

1

上方，影响小

3

500mm钢管

1

上方，影响较大

4

胶管

2

地表

影响小

5

波纹管

2

影响小

（2）周边建筑物情况

隧道周边只有一层混凝土结构公厕一座，距离隧道较远，影响较小。

（3）交通情况

目前盾构机停机位置处于北京东路南侧正下方，该路段为双向四车道，路幅为28米。

北京东路为南京市重要路段，来往车流量非常大，是连接江苏省政府和市政府主要干道。

2.事件过程

复合地层第一次换刀情况

为保证盾构机顺利通过石英砂岩和粉质粘土的复合地层，盾构机掘进至611环进行了第一次换刀，带压进仓更换了38把滚刀，15把切刀，6把边缘刮刀。

该区段地质情况比较复杂，软硬不均，且地层中含水变化较大，含水量较为丰富，以下为渣土情况：

图2-1611-649环渣土情况

复合地层第二次换刀情况

2014年6月7日，盾构机在完成第一次换刀后掘进了39环，在此过程中，刀盘转速为，推力在1400t左右，刀盘扭矩平均3200KNm，掘进速度10mm/min,盾构掘进至650环时发现推力增大，掘进速度骤降，从12mm/min降至2mm/min，项目部立刻组织人员进行二次带压进仓作业，检查并更换了面板及周边滚刀。

更换8把滚刀之后掌子面不稳定（顶部坍塌高度约2.0米），为了保证人员安全，停止换刀继续掘进，中心滚刀未检查更换。

掘进过程停置情况

为确保盾构机通过风险区后安全换刀，于6月12日恢复掘进，651、552环掘进速度1-3mm/mim，推进速度无明显改善，且出渣量加大，刀盘电机扭矩限制器动作频繁，经项目部会诊分析，可能出现刀具破损，6月13日653环停止掘进。

进仓检查情况

（1）紧急处置

针对盾构停置位置（位于快车道和非机动车道中间绿化带）周边加强巡视及监测，2014年6月13日下午两点，地面巡视人员在绿化带路缘石部位发现裂缝，项目部及时与政府部门及地铁公司做了沟通，立即组织人员对绿化带停机位置进行围挡封闭，绿化带植被进行清除，探明地下管线并采取保护措施，同时安排地表注浆回灌加固。

（2）带压进仓检查情况

653环停止掘进后，项目一边做好带压进仓检查刀具准备工作，一边迅速联系专家进行安全带压进仓检查刀具方案评审。

6月17日：

开始向刀盘仓内注入高浓度膨润土制作泥膜。

土仓压力最大显示，排渣后再次注入6立方膨润土。

启动自动保压系统，压力设置，自动保压过程中比较正常。

17、18日累计注入膨润土24立方。

6月19日：

采取地面深孔注浆，在盾构刀盘处前三米，后两米，左右各一米的区域内进行充填加固注浆，浆液为水泥、水玻璃双液浆，注浆压力为，共计21个孔，共用水泥，水玻璃10t。

6月28日-29日：

开始进行带压进仓检查刀具，在检查过程中，掌子面上方土体出现垮塌、流泥现象，主要位于11:

00-12:

00位置。

随即关闭仓门进行缺陷部位补强加固注浆，补增了6个孔位，共用水泥，水玻璃6t。

地面补强注浆完成后，实现安全带压进仓检查。

7月3日再次带压进仓，7月4日完成刀具的检查，情况如下：

①刀具磨损情况

1-14#滚刀部分脱落或磨损严重；15#-18#正面滚刀偏磨；21#-30#正面滚刀正常磨损20mm左右。

检查切刀40把，部分切刀磨损量在2/3左右；12把切刀磨损量在1/3左右；15把切刀完好。

检查16把边缘刮刀，其中4把边缘刮刀合金部分磨损2/3左右，12把边缘刮刀合金部分少量磨损。

②刀盘检查情况

刀盘磨损范围以1-3#双联滚刀为中心，2650mm直径的圆形区域。

刀盘磨损最宽部位为25cm。

图2-2刀盘磨损区域示意图图2-3刀盘磨损宽度示意图

注:

红色区域为刀盘磨损区域。

刀盘磨损图

注：

此图为竖井开挖完成后的刀盘磨损图片。

3.刀盘修复情况

竖井方案确定及开挖

1、方案确定

经过三次刀盘修复专题会议，采取首先地表加固土体稳定地层，然后在盾构机切口处开挖竖井对刀盘进行修复的方案。

（1）袖阀管注浆加固

注浆范围为盾体左右两侧各1.0m，刀盘前方3.0m,刀盘后方2.0m；布孔间距不大于1.5m,布孔深度为刀盘上方0.5m-1.5m，刀盘前方入岩0.3米。

后又在此次注浆的基础上进行二次加密注浆，两次共计注水泥浆86m3，水玻璃13m3。

注浆范围及布置见下图。

图3-1注浆范围及注浆孔位平面布置图

图3-2注浆范围及注浆孔位剖面布置图

（2）树根桩注浆加固

为防止竖井开挖过程中前方土体失稳，根据专家会意见，在刀盘右前方打设两排树根桩。

树根桩桩径φ150mm，桩间距200mm，桩深入岩层50cm，注入水泥-水玻璃双液浆。

本次因管线及大树影响，共打设树根桩19根，每根桩注入浆液约为1t水泥量，未达到预期密排隔断、加固效果。

图3-3树根桩注浆范围及注浆孔位平面布置图

（3）竖井开挖过程

施工竖井平面为矩形，净空尺寸为1650mm×1800mm，竖井采用倒挂井壁法施工，人工分层开挖。

以刀盘顶部20cm处为分界面，分上下两部分施工，上部为封闭结构，下部为敞口式“U”结构。

同时为确保竖井结构稳定及刀盘修复过程中刀盘前方土体稳定，在刀盘前方及竖井前方布设三根人工挖孔桩（一根900mm、两根800mm）。

图3-4竖井与盾构机平面图

图3-5竖井与围护桩施工顺序图

图3-6竖井与盾构机正视图图3-7竖井及盾构机剖面图

刀盘维修方案确定及实施

1、刀盘修复方案确定

在确定盾构机刀盘磨损后，在实施地表加固及竖井开挖期间，联系厂家（中铁工程装备集体盾构公司）双方确定了刀盘修复方案如下：

（1）施工流程图

土仓整体加固，包括地下水阻隔，确保掌子面稳定。

准备

刨除刀盘中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板和喷口，对磨损刀梁进行打磨或切割修整。

确保仓内空气流通、时刻检测仓内CH4、CO含量，作业人员每小时轮换，人仓与土仓通道派人不间断值守。

刀盘及土仓渣土清理

作业竖井开挖。

新制磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、刮刀保护块、刀盘喷口，包括采购滚刀及刮刀安装所需螺栓。

（与其他工序可同步进行）

对刀盘中心区域磨损刀梁剩余宽度进行精确测量，同时测量该区域刀梁之间的位置关系，即平面度、平行度、垂直度。

刀盘结构焊接修复，注意焊接顺序。

刀盘在此过程中需旋转，以便钢板焊接。

﹡﹡

校核、修整

校核、修整

根据初步测量尺寸下料刀盘主梁、主梁筋板，制备坡口。

（与其他工序可同步进行）

中心两路刀盘喷口定位、焊接，管路焊接及保护。

新制刮刀刀座、刮刀保护块定位和焊接，根据新制刮刀刀座背部与原有刀座背部同平面定位。

中心刀箱和单刃刀箱定位、焊接，根据新制刀箱背部与原刀箱背部的同平面位置关系定位。

滚刀、刮刀刀具安装。

完成

图3-8刀盘修复流程图

（2）刀盘修复空间示意图

由于竖井的尺寸为1650mm，刀盘维修部位直径为2650mm，在维修过程中，要对

刀盘进行转动才可满足刀盘的维修工作。

图3-9刀盘中间三维模型图

图3-10掌子面作业空间视觉图

（3）刀盘结构修复

图3-11刀盘结构修复示意图

①刨除中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、中心刀盘喷口等，对磨损刀梁进行打磨或火焰切割修整，处理完后测量磨损刀梁各部位剩余宽度；

②通过测得数值现场校核每块下料钢板的尺寸，并进行局部修整；

③考虑到土仓的空间及钢板的定位，如图所示0°和180°主梁分成A、B、C三块进行拼焊，A、B、C三块全部拼焊完成后，依次焊接主梁D（总共四块）以及主梁之间的筋板（1、2、3、4），完成之后对刀盘45°、135°、225°、315°四个副梁进行修复，由于副梁磨损区域较小，根据现场下料焊接修复。

（4）新制刀箱的定位和焊接，刀盘喷口的定位和焊接，所有刀具的安装。

图3-12刀盘维修后效果图（从刀盘背部视觉）

（5）土仓作业技术要求

①为便于土仓内打磨、定位和焊接等作业，刀盘在此过程中需频繁旋转，故需保证土仓整个环境土体岩层的稳定。

②土仓作业时焊接所产生的烟雾比较大，内部环境温度较高，需保证土仓具有较好的空气流通。

③磨损主梁焊接面需打磨见金属光泽，采用多层多道焊接，保证主梁连接强度；

⑤钢板焊前坡口需预热及焊后保温，同时注意控制焊接变形，必要时可打工艺辅助支撑梁，保证刀箱安装空间；

⑥为防止土仓内部积水，在前盾隔板底部需连接1-2个水管，利用水泵及时排水；

⑦土仓空间布置一定数量的照明灯，特别是作业空间处的照明，保证作业人员的正常工作。

⑧严格按照安全技术交底进行刀盘修复工作。

2、刀盘修复过程

刀盘修复时间为2014年10月13日-11月3日。

刀盘修复工作实行领导值班制度，重点工作注重修复过程中的安全检查及防护工作，尤其时刻观察掌子面的变化情况，同时对掌子面进行有效的防护工作。

（1）长短刀梁定位和焊接

①由于旧刀梁变形区域较多，使用高温矫正后对接，对于变形量较大处，采取焊后对突起处刨除；

②焊缝采用多层多道焊；

③焊前预热，焊后保温；

④采取焊接防变形措施；使用钢筋支撑，做为反变形措施；

图3-13长刀梁定位图

（2）副梁焊接

①对45°、135°、225°、315°共四处的副梁进行修复，修复至原样；

②对45°和225°的副梁增加耐磨焊条。

图3-14副梁耐磨焊图

（3）刮刀刀座和保护块定位

①刮刀刀座定位尺寸误差≤2mm；

②在3号刮刀和4号刮刀保护块上下方焊接加强筋板。

图3-15刮刀刀座定位图

（4）滚刀刀箱定位焊接

①刀箱整体定位参考筋板定位，放置后距离筋板的间隙平均满足≤3mm；

②第16号刀箱的高度定位参考20号刀箱，其余刀箱综合参考17、18、19号刀箱，使用轨迹定位，保证在同一平面上；

③刀箱与筋板、刀梁与刀梁焊接时，由筋板和刀梁处向刀箱靠拢。

刀箱与刀箱由中间向两边焊接。

图3-16刀箱定位图

（5）泡沫管和膨润土管修复

a泡沫管路和膨润土管路疏通后再焊接喷口；

b喷口增加保护钢板；

c保护钢板上堆焊网格耐磨焊。

图3-17刀箱定位图

（6）刀盘修复完成

刀盘修复完成后，双方委外对刀盘焊接部位进行超声波探伤按《GB11345-89》B级执行，符合Ⅱ级要求。

刀具安装结束后，刀具高低定位应满足设计要求。

图3-18刀箱定位图

4.事件原因分析

根据掘进参数、历次开仓检查结果及竖井揭示地质情况判断，事件原因分析如下：

（1）鼓～鸡区间地质复杂多变，软硬不均，且地层中含水量及其变化较大，区间详勘报告中岩层强度远低于实际岩石强度，在强度高的石英砂岩和粉质粘土的复合地层掘进容易导致刀盘磨损。

（2）南京市北京东路为城市主干道，来往车流量非常大、绿化改迁困难，无补充勘察条件，勘察资料不能准确反映该段地质情况，详勘地质纵断面图未反应岩石分布范围。

（3）在复合地质地段，第二次带压进仓对周边滚刀检查更换结束后，刀盘顶部塌陷（顶部坍塌高度约2.0米），继续带压进仓危险性较高，地面无加固条件，为了保证人员安全，停止换刀继续掘进。

（4）掘进至650环时，掘进速度突降，说明此时部分刀具已经磨损至极限，或个别刀具脱落。

5.盾构出洞后刀盘刀具情况

根据专家会制定后续300环掘进方案，掘进过程顺利，盾构顺利贯通出洞后，未发现刀盘有焊缝脱落、刀盘磨损、结构变形等现象，盾构机及其刀盘状态良好。

图5-1盾构机出洞后刀盘照片