超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換工法（圖文豐富）

1、超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換工法中鐵*集團1、前言隨著國內交通根底設施建設的飛速開展，盾構施工以其平安、快速、高效在城市地鐵、越江穿河隧道、輸油地下管道等地下工程建設中的應用越來越多。在越江穿河工程中，一般由于隧道埋深較大，地層透水性較強，水壓較高而選用泥水盾構。由于江底、河底、海底多為沖洪積形成的砂卵石地層和軟硬不均的互層，作為盾構機上承當掘進功能的刀具磨損會很快，在施工中需經常檢查、維修保養(yǎng)和更換刀具。中鐵*集團針對南京長江隧道盾構段主要穿越地層為粘土層、粉細砂、礫砂和圓礫復合地層，在礫砂和圓礫復合地層刀具的磨損比擬嚴重，且由于盾構在長江底進行掘進，埋深大，水壓高，開挖面土體自穩(wěn)性差

2、，高壓進倉換刀風險很大的技術難點進行研究，在總結超大直徑盾構常壓換刀施工技術的根底上，形成該工法。2(即相當于70cm水頭壓力)，開挖直徑達14.96m，距離超過3km等現象，擬通過調研、理論分析、實物試驗、模型試驗、三維數值可視化仿真模擬和現場實測等手段，研究盾構法穿越長江隧道建造的一系列關鍵技術及其施工風險分析評估體系和健康監(jiān)測體系，上述內容尚未見有公開文獻報道。2021年9月9日通過了中國建筑業(yè)協(xié)會全國建筑業(yè)新技術應用示范工程成果評審，評審意見：“超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換技術到達國際先進水平。該工法應分別應用于南京長江隧道工程左、右線盾構隧道江中段，推廣應用成績顯著。2、工法特

3、點常壓換刀作為盾構施工中一種新型的換刀工藝，其主要特點如下：2.0.1平安性高。整個換刀工作處在常壓下，相比帶壓進倉、對開挖面前方土體進行加固后，常壓進倉作業(yè)條件好，平安性高。2.0.2工期短。常壓換刀，平均2小時更換一把刀，一次停機換刀只需要23天時間，相比帶壓進倉作業(yè)每次進倉只能工作1.5小時，出倉減壓需要34小時，每次刀具更換約需要1215天，常壓換刀相對高壓換刀效率提高了45倍。2.0.3施工本錢降低。高壓換刀每次高濃泥漿制備需要30萬元，專業(yè)潛水人員作業(yè)費用85萬元。常壓換刀每次泥漿費用5000元以下，換刀人員每次換刀作業(yè)特殊作業(yè)津貼1萬元，施工本錢明顯減少。2.0.4環(huán)境影響小。壓

4、換刀施工不占用地表，不對地面交通及周圍環(huán)境造成影響。3、適用范圍本工法適用于大直徑的長距離越江穿河隧道工程中高水壓、砂卵石地層下的盾構刀盤主臂內配有可常壓更換刀具設計的泥水盾構工程。4、工藝原理刀盤由6個輻臂和6塊可焊接塊組成，其中6個輻臂采用空心體形式，根據刀盤刀具分布位置不同，將局部刀座采用背裝式，使這局部刀座上的刀具切削軌跡覆蓋整個刀盤面。背裝式刀具刀腔內設置閘板，人員可直接進入輻臂內，從刀腔內抽出刀具，然后關閉刀腔閘板，將刀盤前方高壓倉與刀臂常壓倉隔開，待檢查更換新刀具后，翻開閘板，裝回刀具，實現常壓更換刀具。如圖4.1可更換刀具示意圖。圖4.1 可更換刀具示意圖5、施工工藝流程及操作

5、要點刀具更換流程，見圖：5.1 刀具更換工藝流程圖5.2刀盤、刀具介紹刀具的種類和數量：可更換刮刀71把，固定刮刀118把，先行齒刀16把，螺栓式鏟刀12把，焊接式鏟刀6把，仿形刀2把，共225把刀具，其中10把刀具設有磨損檢測裝置。刀具的軌跡：每把刀的軌跡如下表所示，7把中心刀軌跡間隔230mm，8#-35#正面刀軌跡間隔200mm,36#和37#刀軌跡間隔170mm，37#和38#軌跡間隔70mm。從刀具軌跡表可以看出，刀具隨著半徑方向的增大而增多、加密，這是由于外圈的線速度總是大于內圈，更容易造成磨損。可更換刀具的軌跡覆蓋了整個開挖面，刀盤刀具配置見表5.2和圖5.2-1。是提高開挖倉泥

6、漿比重、粘度換刀準備工作開倉刀具撤除關閉閘門刀具檢查刀具磨損刀具更換、安裝否圖5.1 刀具更換工藝流程圖表5.2 刀盤刀具配置表軌跡線半徑小計中心1#主臂2#主臂3#主臂4#主臂5#主臂6#主臂11151123451135751148051151035116126531117149551111181695611111191895611111110209561111111122956111111122495611111113269561111111428956111111153095611111116329561111111734956111111183695611111119389561111

7、112040956111111214295611111122449561111112346956111111244895611111125509561111112652956111111275495611111128569561111112958956111111306095611111131629561111113264956 111111336695611111134689561111113570956111111367240211377410211387480211397480211先行刀16444421574801121674801121774802112187480211超挖刀211

8、中刮刀12111111111111小計:2257333739323839合計:225225黃色填充-可更換刀具綠色填充-報警刀具刀具的高度相對于刀盤面：先行刀250mm，固定刮刀和可更換刀200mm，其中39#刀只有15mm。由于36#-39#屬于邊緣刀，用來保障開挖直徑，所以當磨損超過10mm時需進行更換，否那么會傷及刀盤，如圖5.2-2。從盾構機的刀具設計及耐磨性對礫砂層地質條件的適應程度分析，刀具磨損的形式為：一是正常的磨損，二是非正?？呐霰例X。以上兩種磨損后者所占比重更高，對刀具的危害更大，尤其是刀盤邊緣部刀具。在該段地層中盾構掘進施工，為有效地防止刀具過度而磨損損傷刀盤，刀具的檢查與

9、更換作業(yè)將是經常性的工作。根據磨損分析及盾構機刀盤刀具設計，擬通過定期的刀具檢查及更換和臨時刀具檢查加大對刀具健康狀態(tài)的監(jiān)控。定期開倉刀具檢與更換方案主要根據預估的刀具磨損量設定一定的檢查頻率，主要以邊緣刀具和處于礫砂層的刀具為主。方案表見下。圖5.2-1 刀盤刀具配置圖盾構機在礫砂層掘進過程中可能會出現推力與扭矩異常的狀況，此時應分析掘進參數異常的原因，并及時作出是否增加臨時開倉檢查作業(yè)。盾構機在礫砂層掘進過程中應加大對裝有刀具磨損報警裝置檢測。假設報警裝置報警那么臨時開倉對相應掘削軌跡線的可更換刀具進行開倉檢查。當泥水處理設備有異物出現時，也應認真分析并決定是否開倉檢查。1、邊緣刀具由于邊

10、緣刀只比刀盤高出15mm，所以當邊刀磨損10mm時，就應更換刀頭，以保護刀盤、保證開挖直徑。2、正面刀具正面刀具比刀盤高出200mm，但由于刀具磨損后對相鄰刀具形不成保護，會導致相鄰刀具的加速磨損，因此磨損量也不宜過大，應在磨損15mm時，更換刀頭。圖5.2-2 刀具磨損分析圖泥水平衡盾構的主要原理是開挖倉內的泥水壓力與地下水土壓力平衡，泥漿向地層滲透形成不透水泥膜，從而保持開挖倉內的泥漿壓力，支撐開挖面土體穩(wěn)定。常壓換刀一般需要2到3天的停機時間，換刀前應適當提高開挖倉泥水的粘度和比重，確保開挖面穩(wěn)定。將刀盤旋轉到需要檢查的刀具所在主臂垂直于盾構水平軸線。翻開中心錐上的人閘孔進行通風。連接穿

11、梭人閘和氣管、水管、電纜等。根據刀具磨損的一般規(guī)律，最外圈的邊緣刀具磨損最快。南京長江隧道所用盾構機最外圈的刀具編號為38#邊緣刀，本工法以38#邊緣刀為例進行闡述，其余刀具更換同理。38#邊緣刀位于六號主臂，首先將刀盤旋轉到6#主臂處于最底部的位置，使中心穿梭人閘正好位于中心錐正中位置，然后開啟中心錐的倉門，通過事先安裝在中心人閘上的氣管，置換人閘內廢氣。在人閘內充滿新鮮空氣后刀具檢查更換作業(yè)人員進入人閘，將2t重的氣動葫蘆安裝在豎向垂直于6號主臂上方的吊耳上。翻開6號主臂蓋，用壓縮空氣置換主臂內廢氣。兩名作業(yè)人員留在中心人閘6號主臂入口處，一名停留在位于主臂中部的隔板上傳遞作業(yè)工具，另外兩

12、名進入刀具所在位置從事具體的拆刀、安裝刀具的工作。撤除位于刀具基座上的四個水管接頭的兩個，選擇適宜的位置安裝油缸，如圖5.4-1所示。注意在下列圖箭頭所示處安裝銷子，固定油缸。 圖5.4-1 換刀油缸安裝圖1、按圖5.4-2刀具基座所標螺栓，先撤除1號螺栓，根據相應刀具編號查找到所需導向桿的長度，安裝導向桿。圖5.4-2 刀具固定基座圖2、同理根據相應的刀具編號查找到對應的絲桿編號，將絲桿帶有圓形卡口的固定端安裝到基座的固定端的缺口上，如圖5.4-1所示。將絲桿帶有方形卡口的一端安裝到刀具的活動基座的缺口上。絲桿兩端都用銷子固定，防止滑脫。3、將預先準備好的三通水管連接在刀具固定基座的兩個預留

13、閥門上，三通水管上連接有水壓測試表。先翻開進水閥再翻開基座上的閘閥，觀察水壓表壓力變化，使壓力能夠維持在10bar大于開挖面最大泥漿壓力，確保水壓足以阻擋外界泥漿涌進。 4、撤除圖5.4-3所示編號為2的八顆螺栓時，需要用兩把同樣型號的氣動扳手同時順時針方向操作。操作過程中要用力均勻，且同時啟動，同時關閉。如果發(fā)現一把扳手用力明顯超過另一把，說明絲桿已經發(fā)生變形，用力大的扳手就要停一下或者往反方向回打一點，保持兩氣動扳手同步。5、當絲桿的尾部離刀具移動基座剩余20cm時，此時刀頭即將脫離固定基座，停止打氣動扳手，用吊帶拴住抽出刀具的尾部。將刀具懸掛在葫蘆上，保證刀具平穩(wěn)。6、啟動氣動扳手，當抽

14、到導向桿尾部距移動刀具基座還有約5mm時，刀頭已經離開了閘門處，應停止抽刀，準備關閉閘門。A構A7、在保證兩水閥常開的條件下，使用手壓泵給預先安裝在固定基座上的閘門閉合油缸加壓。在油缸收縮約25cm時，閘門閉合油缸會有明顯的壓力變化，在閘門頂部與固定基座外表平齊時，停止加壓。關閉基座上的兩個球閥門以及進水管的閥門，撤除其中一個水管，翻開球閥，觀察是否有泥水流出，假設有泥漿流出，那么應對閘門閉合油缸繼續(xù)加壓；假設無泥漿流出，那么閘門已完全關閉，關閉球閥進入下一步工作。8、撤除導向桿、絲桿，用吊帶將刀具固定基座一端拴好，緩緩移動刀具，直至刀頭完全脫離固定基座的刀腔。檢查刀具有無崩齒及刀具磨損情況，

15、確認是否更換刀具。9、對于尚不需更換的刀具，可裝回刀腔內固定。對于有明顯磨損的刀具，用懸掛在刀臂入口正上方的氣動葫蘆將刀頭吊到中心錐處，用千分尺測量刀頭豎向和橫向的磨損程度。根據相應地層和磨損程度確定是否更換刀具，如需更換刀具，在刀具移動基座上部缺口處作好標記后撤除刀頭，新刀頭裝回時只需將做標記的一側朝上就能保證刀具方向正確。10、撤除如圖5.4-3中六顆3號螺栓，取下刀具移動基座后蓋板。用加長桿連接如圖5.4-4所示1號螺栓和氣動扳手，撤除1號螺栓后刀頭即可與移動基座別離。如果刀頭和基座摩擦力較大，可用錘子輕打刀頭，震動至松動，取下刀頭并運出中心錐。為方便裝新刀頭，可在刀頭和移動基座上用記號

16、筆沿刀刃兩側畫兩條線，裝回新刀具時刀刃沿所標記的線裝入。1、根據圖紙選擇相應的刀具，吊至中心錐內，在刀頭和刀具移動基座接觸的部位涂抹黃油2號鋰基脂，黃油主要起潤滑作用，方便下次撤除刀頭。將涂抹黃油的新刀頭裝入刀具的移動基座，新刀裝入時刀刃方向沿著拆刀時標記的線裝入。2、借助懸掛在中心錐入口處和相應主臂入口處的葫蘆將刀具豎立。采用加長桿將圖5所示1號螺栓緊固。3、檢查如圖5.4-4所示刀具移動基座尾部蓋板處b、c、d三道密封橡膠密封圈是否完好。假設有損壞應進行更換。蓋好蓋板，用氣動扳手對角緊固圖5.4-4所示2號螺栓，全部緊固完畢后應二次復緊。4、將組裝好的的刀具吊入刀臂內，移動基座做標記的一側

17、朝上，將刀頭對準刀腔后插入少許，安裝導向桿、絲桿，方法同刀具撤除的步驟3。5、重新裝好撤除刀具卸下的水管，翻開水管閥門，用清水沖洗刀腔內泥沙等雜物，邊沖刷邊啟動扳手，和撤除刀具一樣，兩組氣動扳手同步操作，防止絲桿彎曲變形。6、當刀具移動基座與固定基座接觸時，絲桿也根本擰至端頭，此時可以緊固圖5.5-4所示2號螺栓，操作時應對角緊固。撤除絲桿、光桿，在1號孔位置安裝螺栓。對1、2號共十顆螺栓復緊。 7、關閉水管球閥，撤除水管，將一根水管連接氣動油脂泵，往刀腔內注入油脂，翻開另一球閥檢驗是否有油脂涌出，以驗證刀腔是否充滿油脂。關閉閥門，在管路端頭裝上油堵，防止污漬、雜物進入刀腔內。勞動力組織見表5

18、.5 人員配制表序號人員人數職責分工1指揮組3全面管理、決策、組織、指揮換刀工作2盾構機長2設定并確保盾構機各項參數正常3泥水工程師3調制滿足指標要求的泥漿4換刀領班3提供換刀設備、圖紙、現場協(xié)調和技術指導。5換刀技工15負責安裝、撤除刀具6平安員3負責換刀時的各項平安工作說明：此表勞動力配置考慮了三班制，合計29人。除去必要的帶壓作業(yè)培訓外，對所有的作業(yè)人員進行一次涉及平安、工作流程培訓，包括：總體流程、刀具拆裝方法、工具使用方法等。由于刀具檢查時會采取帶壓作業(yè)的形式，危險點較多，因此各個崗位的人員必須固定，明確職責，以最大限度的減少不確定因素。6、材料與設備61主要機具設備見表6.1 機具

19、設備表表6.1 機具設備表序號名稱規(guī)格數量用途1手動油壓泵700bar1臺閘門開閉2閘門開閉油缸90/70-375-S1套閘門開閉3油缸附件壓板不同刀具不同圖紙1件閘門開閉4油缸附件定位銷不同刀具不同圖紙6個油缸連接和絲桿連接用5油管350bar3個閘門開閉6絲桿/導向桿853/765、1053/977、1003/911、1113/1023、1185/1095、1372/1265各2套刀具拆裝7內六角扳手142個連接油缸與壓板8開口/梅花兩用扳手17、19各2個拆螺桿尾部螺母9雙向氣動扳手3/42個打螺絲10套筒242個打絲桿11手拉葫蘆3個刀具拆裝12吊帶2T4條13氣動葫蘆2T1個14手板

20、葫蘆2T3個15氣管配接頭140m16水管配接頭140m1724V行燈24V直流10m線長3把18防水插座防水插座5個19氣動扳手11個撤除刀頭20扳手延長桿300-400mm長，12個21套筒19mm in. 、22mm in.、24mm in.、30mm in.、36mm in.、46mm in.、55mm 1 in.各2個22套筒變徑接頭 - 2個23扳手延長桿200mm長12個24扳手延長桿400 mm長12個25錘子1把26PVC錘子PVC1把27螺絲刀一字1把28開口/梅花兩用扳手14、17、19、22、24、30、32各1個29管鉗22把30絲錐M16、M20、M24、M30、M

21、36各2個31氣動扳手11個撤除刀頭32扳手延長桿300-400mm長，12個33套筒19mm in. 、22mm in.各2個34卡扣4t4個35氣槍帶快速接頭2個36撬棍2個37手提式蓄電池燈防水耐壓型4臺工作一旦展開，應當防止現場工具遺失、不夠等情況的發(fā)生，以免耽誤時間；并堅決杜絕工具遺忘在刀盤內的情況的發(fā)生。為此，制定機具設備管理方法如下：1、工作開始之前，所有工具擺放在管片安裝器下方的走道上的工具箱中，并上鎖。由值班機電領班負責保管。2、不管是常壓作業(yè)還是帶壓作業(yè)，所有帶入倉內的工具必須在值班機電領班處登記領用。3、當班作業(yè)完畢后，機電領班需與下班機電領班做好工具交接，所有工具盡可能

22、由倉內取出，對由于工作需要暫時不能取出的，必須移交清單，并雙方簽字確認。4、為保證倉內平安，除清單內的工具，嚴禁私自攜帶工具進入倉內。5、刀具檢查結束后，清點所有工具，確保沒有任何異物遺漏在工作倉內。將清點好的工具打包，集中存放，以方便下次使用。7、質量控制邊緣刀磨損10mm時，更換刀頭，正面刀具磨損15mm時，更換刀頭。7.2.1按照施工工藝要求，嚴格執(zhí)行指揮部制定的?盾構維保操作規(guī)程?。7.2.2每天對掘進參數進行分析，在刀盤扭矩明顯變大時，應當停機檢查刀具。7.2.3用游標卡尺對刀具磨損情況進行測量，對每次換刀時間、刀具磨損情況進行準確的登記。及時觀察不同地質條件對刀具的磨損狀況。7.2

23、.4針對不同的地層使用不同的材質和形狀的刀具。7.2.5嚴格執(zhí)行絲桿報廢制度，絲桿使用3次以上必須進行更換。7.2.6刀頭撤除時作好標記，安裝新刀頭時嚴格按照標記進行安裝，確保刀頭的耐磨面朝向開挖方向。8、平安措施8.1創(chuàng)立三級平安生產責任體系。在集團公司平安機構的領導下，指揮部成立了三級平安機構：一級是局指平安領導小組，由指揮長親自任組長，管施工生產的副指揮長及平安長任副組長，組員由總工程師及各工程部經理、局指各部門負責人組成。二級是由各工程局部管生產的副經理及平安長、平安工程師及各部門負責人組成。三級是由專職平安員及各班組兼職平安員組成，并且在施工現場所有作業(yè)人員都是義務平安員，對所負責的

24、施工現場平安負責。使平安在組織體系上到達了全覆蓋無漏洞。8.2強化平安責任制、嚴格規(guī)章制度、實行績效管理制定了一系列的平安生產管理方法，并根據每個管理人員及施工作業(yè)人員不同的工作崗位及所從事的不同工種制定了詳細的崗位平安職責，貫徹“平安第一、預防為主的方針和“管生產必須抓平安的原那么，確保施工生產的平安。指揮部制定了?工程績效考核管理方法?，把平安工作目標進行數據化量化管理，實行每月一考核?！耙环ㄈüぷ鞣?，維護員工的健康和平安參照國家現行的勞動平安衛(wèi)生法律法規(guī)和技術標準，結合平安生產的實際情況，借鑒國內外平安管理的經驗，積極推行“一法三卡工作法，維護員工的健康和平安。8.4公布落實?平安生產

25、手冊?根據超大直徑盾構淺覆土穿越施工的特點和業(yè)主、公司的平安生產管理規(guī)定，公布實施適合本工程需要的?平安生產手冊?，其內容遵守國家公布的各種平安規(guī)程。工人上崗前進行培訓和考核，合格者準予上崗。對于機械操作手、電工、電焊工等特殊工種工作人員，嚴格持證上崗，確保按平安操作規(guī)程施工，保證施工平安。8.6抓教育培訓、提高員工素質面對超大直徑盾構隧道施工這一技術難度大，施工風險點多、危險源多、員工操作不熟練這一現狀，為了使員工能熟練掌握操作規(guī)程，保證平安生產，我們堅持“學用結合、按需培訓的原那么，做好員工三級平安教育的同時，抓好員工操作技能培訓工作。8.7防止疲勞作業(yè)，強化現場管理1、負責具體換刀的作業(yè)

26、人員實行三班倒，保證充足的休息時間，防止疲勞作業(yè)。2、作業(yè)人員進出換刀工區(qū)前，要用新鮮空間置換操作區(qū)間內的廢氣。嚴格按照作業(yè)程序工作，閘門不完全關閉，嚴禁抽刀。3、所有放入中心錐內的工具嚴格登記，關閉倉門前，清點工具列單。9、環(huán)保措施在本工程施工過程中，嚴格遵守國家和地方政府下發(fā)的有關環(huán)境保護的法律、法規(guī)和規(guī)章，以及業(yè)主制定的有關本工程環(huán)境保護的規(guī)章制度，加強對噪聲、粉塵、廢氣、廢水的控制和治理，降低噪聲，控制粉塵和廢氣的濃度以及做好廢水和廢油的治理和排放，做好垃圾等廢棄物的處理。10、效益分析南京長江隧道在進入礫砂層掘進初期采用高壓換刀，每次換刀需要聯系國外專業(yè)潛水公司，準備高壓進倉設備，進

27、行高濃泥漿置換，每次換刀需要1518天時間，高濃泥漿制備30萬元，專業(yè)潛水人員作業(yè)費用85萬元。后來采用常壓更換刀具后，每次停機更換刀具作業(yè)只需23天，換刀作業(yè)只需正常泥漿維護掌子面，泥漿費用5000元以下，換刀人員為盾構設備維保人員，每次換刀作業(yè)設置特殊作業(yè)津貼1萬元，施工本錢明顯減少。按照盾構在礫砂及圓礫層中掘進平均每80m進行一次刀具檢查更換作業(yè)，單線隧道累計可節(jié)省工期8個月，節(jié)約人工及材料費用5000余萬元。常壓換刀無需進入開挖倉內，施工環(huán)境較好，平安風險小。常壓換刀，防止了高壓換刀對前方土體采取加固、開槽等措施，對環(huán)境無污染。1、通過超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換工法的研究，解決

28、了刀具磨損對盾構掘進長度的影響，節(jié)約了工期，確保了工程成功建設。2、超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換工法的研究，對長大隧道在礫砂層地層中長距離掘進，盾構刀具常壓更換具有非常重要的指導意義。3、超大直徑盾構隧道常壓下盾構刀具更換工法的成功實施，防止了高壓換刀的巨大風險，創(chuàng)造了世界紀錄，為企業(yè)在施工領域的拓展樹立了良好的信譽。11、應用實例南京長江隧道工程南京長江隧道工程采用“左汊盾構隧道+右汊橋梁的施工方案，其中左線盾構隧道長3022m，右線盾構隧道長3015m。盾構隧道加壓平衡盾構施工。根據地質縱斷面資料及泥水處理廠出渣情況，盾構穿越主要地層為粘土、粉細砂、礫砂和圓礫層，其中礫砂和圓礫復合地層1300m，盾構穿越地層