CN101899978A - 砂卵石地层中盾构刀具更换方法 - Google Patents

砂卵石地层中盾构刀具更换方法 Download PDF

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Abstract

一种砂卵石地层中盾构刀具更换方法,包括以下步骤:a.刀具更换前准备步骤,包括:(1)选择换刀位置;(2)开设降水井,使盾构切口部位全部处于降水漏斗曲线范围内;(3)改良土仓内土体,对盾构壳体上方进行注浆,对盾尾压注油脂,疏通、清洗注浆管路;b.刀具更换步骤,包括:(1)实施降水施工,待降水井内水位达到要求水位时,出空土仓内的土体;(2)在两幅刀盘之间的空挡部位安装封板,转动刀盘,实施刀具更换;c.刀具更换后恢复掘进步骤,包括:(1)拆除封板,关闭土仓门,向土仓内注入惰性浆液直至土压力达到设定土压力;(2)恢复掘进。通过上述方法实现了在砂卵石地层中及时有效地更换磨损的刀具,且操作相对简便、安全。

Description

砂卵石地层中盾构刀具更换方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种盾构刀具更换方法,尤指一种砂卵石地层中盾构刀具更换方法。 背景技术
[0002] 复合式土压平衡盾构机是针对砂卵石地层特别设计的用于隧道施工的设备,其主 要是利用刀盘面板上的刀具有效地切削、破碎刀盘前方的砂卵石土体,在辅以土体改良措 施的前提下,在盾构机内部形成良好的进、排土通道,使得盾构顺利向前掘进,并能有效减 少地面沉降及对其对周边环境的影响。
[0003] 目前配置在复合式土压平衡盾构机上的刀具主要有以下几种形式,相应的作用如 表ι所示:
[0006] 以上这些盾构刀具均以A45钢为基础,在其上镶嵌硬质合金,而在国内外目前的 刀具材料及加工水平条件下,高强度的卵石对刀具的磨损在所难免,而刀具的磨损相应对 盾构设备及掘进施工造成一系列的影响,主要有以下危害:
[0007] (1)刀具受到磨损后,不能有效切削土体、破碎岩石,土体无法顺利进入土仓内。
[0008] (2)局部刀具磨损后,其他刀具相应的切削、破碎负荷加大,加速其他刀具的磨损。
[0009] (3)增加刀盘的负担,刀具、刀盘与土体间接触由原来的线接触变成面接触后,摩 擦系数增大,刀盘扭矩需相应增大以适应摩阻力的增大,造成电流消耗及油压负荷增大,机 械故障发生频率高,机械设备寿命减短。
[0010] (4)保护刀盘的刀具在磨损后,刀盘直接与高强度的卵石接触,造成刀盘磨损,影 响到刀盘面板内部及后面布置机械设备受到直接破坏。
[0011] (5)刀具局部磨损后,土体的切削、破碎受阻,容易造成掘进过程中的土体超挖,引 起地面沉降,危及周边环境。
[0012] 所以为了防止刀具的磨损引起刀盘及相关设备的损坏,及时有效地更换磨损的刀 具,是维系盾构在卵石土层中持续顺利掘进行之有效的方法。
[0013] 目前盾构法隧道施工已经广泛用于城市轨道交通、能源、运输等工程中,土压平衡
4盾构广泛适应于不同地质条件,如我国的上海、天津、南京、苏州、无锡等地的软土地层,这 些地层土体对刀盘、刀具磨损很小,基本上刀具的寿命与盾构机使用寿命相同;而广州、深 圳、成都等地的土层主要以岩石及风化岩石、砂卵石为主,土体中各颗粒材料强度不均勻, 例如成都砂卵石地层中卵石的单轴抗压强度达到150MPa,盾构掘进过程中阻力大,刀盘刀 具磨损严重。针对刀具更换目前主要采用局部气压法换刀。但是局部气压换刀主要存在以 下弊端:
[0014] (1)由于土质不均勻,土仓气压均不能维持,很难提供换刀所需的保压状态。
[0015] (2)气压换刀所需供气量大,压缩空气输送管路长,工期设备及送气管路要求高。
[0016] (3)刀具更换需要转动刀盘至有利换刀位置,过程中,容易出现压力消减,危及开 挖面的稳定,易引起地面沉降、塌陷,影响隧道沿线周边环境。
[0017] (4)气压换刀对人员要求高。所有进入气压仓的人员必须经过专门的体检、气压施 工培训,复合要求才能进入加压舱内进行换刀施工。
发明内容
[0018] 有鉴于上述现有的砂卵石地层中盾构刀具更换方法的不完善,本发明要解决的技 术问题是:提供了一种盾构刀具更换方法,实现在砂卵石地层中及时有效地更换磨损的刀 具,且操作相对简便、安全。
[0019] 为解决上述技术问题,本发明提供一种砂卵石地层中盾构刀具更换方法,包括以 下步骤:a.刀具更换前准备步骤,包括:(1).选择换刀位置;(2).在所述换刀位置开设降 水井,使盾构切口部位全部处于降水漏斗曲线范围内;(3).盾构掘进至所述换刀位置后停 止掘进,改良土仓内土体,对盾构壳体上方进行注浆,对盾尾压注油脂,疏通、清洗注浆管 路;b.刀具更换步骤,包括:(1).实施降水施工,待降水井内水位达到要求水位时,出空所 述土仓内的土体;(2).在两幅刀盘之间的空挡部位安装封板,转动刀盘,实施刀具更换; c.刀具更换后恢复掘进步骤,包括:(1).拆除封板,关闭土仓门,向土仓内注入惰性浆液直 至土压力达到设定土压力;(2).恢复掘进。
[0020] 本发明在换刀前通过降水施工使刀盘前方土体的强度、自立性得到加强保证换刀 施工的安全,并对土仓内土体实施土体改良减少土体黏附现象;在换刀时在刀盘上安装封 板,防止刀盘转动过程中刀盘前方土体掉落进入土仓内部危及人员的操作安全;从而实现 了在砂卵石地层中及时有效地更换磨损的刀具,且操作相对简便、安全。
[0021] 本发明的进一步改进在于,所述改良土仓内土体步骤进一步包括:盾构掘进至换 刀位置最后两箱土后,向土仓内压注膨润土浆液4m3,转动刀盘,将土仓内的土体搅拌均勻。
[0022] 本发明的进一步改进在于,所述刀具更换步骤进一步包括:转动刀盘,将待更换刀 具转至最理想换刀位置实施刀具更换,其中:所述最理想换刀位置为面对盾构掘进面九点 位置。
[0023] 本发明的进一步改进在于,所述恢复掘进步骤进一步包括:恢复掘进前段时间不 进行出土,直至注入土仓内的惰性浆液均勻渗入换刀时留下的空隙,土仓内压力稳定,开始 按照正常掘进段施工参数设定进行掘进;当盾尾到达换刀时刀盘位置时,加强进行同步注 浆,压注惰性至设定的压力停止,使换刀区域再一次得到惰性浆液的充填密实。附图说明
[0024] 图1为本发明砂卵石地层中盾构刀具更换流程示意图。 具体实施方式
[0025] 下面结合本发明所依托的具体工程实施例作进一步详细说明。
[0026] 参阅图1所示,本发明的方法主要包括以下步骤:
[0027] a.刀具更换前准备步骤,包括:
[0028] (1).选择换刀位置;
[0029] 在刀具更换前,必须对刀具更换的位置进行系统的考虑。刀具更换位置的选择主 要依据以下原则进行:
[0030] a.刀具的材质、性能参数决定刀具的使用寿命,根据刀具的使用寿命换算成对应 隧道掘进里程;
[0031] b.充分考虑地层加固(降水施工)措施实施的可行性和便利性;
[0032] c.避开对周边环境复杂地段,如建(构)筑物多的区域。如无法避开,需提前进行 建(构)筑物的保护。
[0033] (2).在所述换刀位置开设降水井,使盾构切口部位全部处于降水漏斗曲线范围 内;
[0034] 刀具更换前对换刀位置地层实施加固措施:通过降水施工,刀盘周围土体内的地 下水被疏干,在地下水被疏干的过程中,砂卵石土层中的细小颗粒进行固结,同时卵石颗粒 形成骨架效应,使刀盘前方土体的强度、自立性得到加强,到达土体加固的效果,在刀盘前 方形成类似挡土墙的屏障,以保证换刀施工的安全。降水井的深度根据盾构处于换刀位置 时的覆土深度,要求盾构切口部位全部处于降水漏斗曲线范围内,并有1.0-1. 5m的余量, 以确保降水加固的效果满足安全换刀施工的要求。降水井采用CZ〜22型钻机泥浆护壁冲 击钻进成孔,成孔孔径600mm,下入Φ外径360m,内径300mm的钢筋砼井管。管孔间填入 Φ 10〜20mm的砾石形成井孔间过滤层,以便水流畅通,达到最好降水目的。下管填砾完成 后即采用空压机、活塞反复交替洗井,使井壁恢复自然地层状态,水路畅通。降水需持续整 个换刀过程,并要求水位稳定,直至换刀结束、土仓门关闭。
[0035] (3).盾构掘进至所述换刀位置后停止掘进,改良土仓内土体,对盾构壳体上方进 行注浆,对盾尾压注油脂,疏通、清洗注浆管路;
[0036] 作为本发明的较佳实施例,通过以下步骤实施土体改良:盾构按正常段掘进施工 参数设定进行掘进,掘进至换刀位置最后两箱土后,向土仓内压注膨润土浆液4m3(膨润土 浆液配方见表1),转动刀盘(正、反转),将土仓内的土体搅拌均勻。
[0037] 表1 :膨润土浆液配方(Im3)
[0038]
[0039] 改良土仓内的土体可以减少仓壁上的黏附现象,帮助仓内渣土顺利流向螺旋机叶 片口,按照预想的情况出仓,作用为:(1).为人员进仓提供必要条件;(2).防止长时间换刀过程中黏附在土仓壁上的渣土结硬,导致清除困难,影响恢复掘进以后仓内土体流动性,导 致土压升高,掘进困难。
[0040] 拼装好换刀位置环管片后停止推进,彻底疏通注浆管、清洗注浆管路,防止在刀具 更换期间注浆管路堵塞,引起后续施工的不便。
[0041] 换刀位置环推进结束后,利用同步注浆管路对盾构壳体上方进行注浆,注浆量及 注浆压力根据土仓内压力变化为基准决定是否停止。停止掘进后,盾构盾尾油脂压注充足。 这样做的目的是:盾构停止推进后,刀盘前方超挖的空间需要壳体上方的注浆来填充,否则 换刀期间盾构停顿很久,容易发生壳体上方的塌方;盾尾油脂压注也是为了防止停止推进 过久,盾尾与管片的密封性能不能长久保持,容易导致漏水漏浆。
[0042] 另外在刀具更换前必须备齐开仓、换刀、刀具运输、封板等工序所需的工具,详见 表2换刀施工所需工具表。
[0043] 表2换刀施工所需工具表
[0044]
[0045] b.刀具更换步骤,包括:
[0046] (1).实施降水施工,待降水井内水位达到要求水位时,出空所述土仓内的土体;
[0047] 盾构停止掘进于降水井后方(沿着盾构掘进),切口距离降水井一段距离,开始降 水施工并对降水井的水位进行持续观测,待降水井的水位达到安全换刀要求的水位时,出 空土仓内的改良土体,出土时:将刀盘转动到指定位置(进仓后第一次检查、更换刀具最理 想位置,其中:所述最理想换刀位置为面对盾构掘进面九点位置,刀具位于刀盘面九点位置 时,易于人工清理,便于拆卸螺栓,将需更换的刀具拆下,换装刀具时,利用刀具自重贯入, 便于控制刀具安装位置。因此,相比之下,此位置为最理想换刀位置),螺旋机开始出土 ;出 土时,注意通过土仓门旁边球阀观察土仓内土体减少情况、刀盘前方土体是否坍塌进入土 仓内;出土至土仓壁上中间部位土压计显示值为接近零时,开始开仓。
[0048] 在打开仓门前,打开仓门旁边球阀,观测土体土仓内土体水位,确定在仓门以下后 方可打开仓门,打开仓门后,人员不能立即进入土仓内,需用专门的仪器探测土仓内的有害 气体含量,确定安全后人员再进入。
[0049] 逐层清理土仓壁上的积土(包括刀具缝隙处的积土),裸露出刀具及刀具固定螺 栓,用水彻底冲洗刀具及其固定螺栓,以便刀具的拆卸。
[0050] 利用气动扳手卸下刀具固定螺栓,利用葫芦将刀具从刀座中拉出,对拆卸的刀具 进行检查,主要检查刀具的外观尺寸的变化,对于滚刀,利用专门的卡尺检查刀圈的磨损 量,对于其他刀具可以利用卷尺、游标卡尺等进行三维尺寸磨损量的测量,由专门人员做好 记录,重点记录刀具编号、刀具类型、磨损量等信息。
[0051] (2).在两幅刀盘之间的空挡部位安装封板,转动刀盘,实施刀具更换;
[0052] 在换刀时在刀盘上安装封板,防止刀盘转动过程中刀盘前方土体掉落进入土仓内 部危及人员的操作安全。
[0053] 拆卸下来后检查的刀具,磨损严重不能满足至下个换刀位置距离掘进要求的刀具 进行更新,其余刀具可以根据下一个掘进距离的长短及土质情况选择重复利用或更新,做 好相应的刀具更换记录。
[0054] 刀具更换过程中,严格控制刀盘转动次数,减少对土体的扰动,并将每次转动情况 做详细记录(包括转速、刀盘油压、转动时土体掉落情况)。每次刀盘转动前,为防止封板崩 落伤人,必须确定人员全部离仓,而派专人在人行闸口观察刀盘转动位置。[0055] c.刀具更换后恢复掘进步骤,包括:
[0056] (1).拆除封板,关闭土仓门,向土仓内注入惰性浆液直至土压力达到设定土压 力;
[0057] 刀具更换结束后拆除封板之前,须转动刀盘,检查更换的刀具(或拆卸后未更换 又重新安装上的刀具)的固定螺栓是否全部拧紧,并对全部螺栓进行一次复紧。
[0058] 拆除封板后转动刀盘于土仓口位置观察检查封板是否全部拆除。
[0059] 封板拆除后,人员撤离,关闭仓门,开始向土仓内注入惰性浆液(惰性浆液配比如 表3),充填土仓内部空间及刀盘周边空隙,待上部土压力达到设定土压力值时停止注入。
[0060] 表2 :惰性浆液配方(Im3)
[0061]
[0062] (2).恢复掘进。
[0063] 恢复掘进前段时间不进行出土,直至注入土仓内的惰性浆液均勻渗入换刀时留下 的空隙,土仓内压力稳定,开始按照正常掘进段施工参数设定进行掘进。
[0064] 当盾尾到达换刀时刀盘位置时,加强进行同步注浆,压注惰性至设定的压力停止, 使换刀区域再一次得到惰性浆液的充填密实。
[0065] 以下为本发明的换刀方法在具体工程中试验实施效果:
[0066] 本申请人以成都地铁某区间隧道掘进施工进行试验,该隧道采用的土压平衡盾构 机刀盘直径为6. 28m,总配置功率1577kW,最大掘进扭矩5350KN -m,最大推进力为27143kN, 最大掘进速度可达8cm/min,刀盘的开口率约为28%,刀盘上共配置了 40把各种类型的刀 具。隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片,衬砌外径6000mm,内径5400mm。区间采用1.2m和 1. 5m两种幅宽的管片,曲率半径小于或等于400m及加强段,采用1. 2m幅宽管片;曲率半径 大于400m时,采用1. 5m幅宽管片。隧道埋深约10〜28m,盾构掘进处于全断面的砂卵石 土层中,卵石最大的单轴抗压强度达到150MPa,盾构掘进施工困难,刀盘、刀具磨损严重,根 据保护刀盘、刀具以保证盾构掘进顺利进行的原则,两个区间4条隧道掘进过程中共进行 了 22次降水加固仓内刀具更换,其中区间隧道左、右线盾构各进行了 11次刀具更换。每次 刀具更换之间的间隔距离从60m到150m再到247m到最后的574m,创造成都地铁施工单次 掘进最长距离的刀具更换记录;同时“降水加固、仓内换刀”的卵石复合地层中换刀工艺也 逐步完善,换刀的工期也从最初的10天减少到8天直至最后全部更换一整盘刀具只需6-7 天,整个22次换刀过程未对周边环境造成任何影响,收到了良好的社会效益。

Claims (4)

  1. 一种砂卵石地层中盾构刀具更换方法,其特征在于包括以下步骤:a.刀具更换前准备步骤,包括:(1).选择换刀位置;(2).在所述换刀位置开设降水井,使盾构切口部位全部处于降水漏斗曲线范围内;(3).盾构掘进至所述换刀位置后停止掘进,改良土仓内土体,对盾构壳体上方进行注浆,对盾尾压注油脂,疏通、清洗注浆管路;b.刀具更换步骤,包括:(1).实施降水施工,待降水井内水位达到要求水位时,出空所述土仓内的土体;(2).在两幅刀盘之间的空挡部位安装封板,转动刀盘,实施刀具更换;c.刀具更换后恢复掘进步骤,包括:(1).拆除封板,关闭土仓门,向土仓内注入惰性浆液直至土压力达到设定土压力;(2).恢复掘进。
  2. 2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述改良土仓内土体步骤进一步包括:盾 构掘进至换刀位置最后两箱土后,向土仓内压注膨润土浆液4m3,转动刀盘,将土仓内的土 体搅拌均勻。
  3. 3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述刀具更换步骤进一步包括:转动刀盘, 将待更换刀具转至最理想换刀位置实施刀具更换,其中:所述最理想换刀位置为面对盾构 掘进面九点位置。
  4. 4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述恢复掘进步骤进一步包括:恢复掘进 前段时间不进行出土,直至注入土仓内的惰性浆液均勻渗入换刀时留下的空隙,土仓内压 力稳定,开始按照正常掘进段施工参数设定进行掘进;当盾尾到达换刀时刀盘位置时,加强进行同步注浆,压注惰性至设定的压力停止,使换 刀区域再一次得到惰性浆液的充填密实。
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