大直徑泥水盾構(gòu)刀盤應(yīng)用與管理

1、中鐵隧道局集團有限公司佛莞城際FGZH-3標項目經(jīng)理部吳建宏 2018年11月佛莞城際軌道交通廣州南站至望洪站工程FGZH-3標大直徑盾構(gòu)常壓刀盤應(yīng)用與管理技術(shù)目 錄一、引言二、常壓刀盤概況三、常壓換刀四、常壓換刀應(yīng)用與管理五、問題及應(yīng)對措施六、結(jié)語一、引言第一代國內(nèi)最早應(yīng)用僅適用于切刀及刮刀更換。第二代在第一代基礎(chǔ)上對刀具取出、安裝及刀頭固定等設(shè)計方面進行了改進。第三代在前兩代的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了滾刀更換。第四代完善了液壓油缸系統(tǒng)插拔油缸、機械保護等工裝配置；增加了多道密封等防護措施，使換刀作業(yè)更加的便捷、安全。01020304發(fā)展歷程近年來，大直徑盾構(gòu)已廣泛應(yīng)用于我國各大、中型城市的隧道建設(shè)中

2、，為應(yīng)對復(fù)雜地層和復(fù)雜工況下的施工要求，常壓刀盤的應(yīng)用也越來越多，其研發(fā)、應(yīng)用與管理技術(shù)也趨于成熟。2.1工程概況二、常壓刀盤概況由中鐵隧道局集團承建的佛莞城際FGZH-3標位于廣州市番禺區(qū)石樓鎮(zhèn)及東莞市麻涌鎮(zhèn)內(nèi)。線路始于番禺區(qū)茭塘東村，下穿珠江獅子洋后至東岸新沙港碼頭，沿西部干道前行，在中紡糧油公司前線路向南偏離西部干道，過中紡糧油公司后出地面，至本標段設(shè)計終點。2.2工程概況二、常壓刀盤概況佛莞城際FGZH-3標盾構(gòu)隧道長4900m，由一臺盾構(gòu)獨頭掘進；隧道最大埋深64m，最大水深17m（所要承受的最大壓力近10bar）；區(qū)間地層主要為軟硬不均地層、全斷面硬巖地層及破碎帶復(fù)合地層；地層之間

3、相互交錯，且地層石英含量達70%80%；在過江段存在三段總長424m破碎帶，地層透水性強、水壓高，且地表環(huán)境主要為獅子洋江面及運輸干道。二、常壓刀盤概況綜合線路、水文、地質(zhì)等情況，考慮普通刀盤可能要面對頻繁的高壓進倉換刀作業(yè)，其風險大、成本高、耗時長；而采用常壓換刀刀盤可以實現(xiàn)全地層中的刀具檢查更換，刀具配置方案也可以滿足地層掘進需要，且刀具檢查和更換便捷、風險可控、成本較低，方案最為經(jīng)濟合理。8常壓刀盤普通刀盤2.3刀盤選型項目采用的具備常壓換刀刀盤的大直徑氣墊式泥水平衡盾構(gòu)機，開挖直徑13.61m；整機長137m，主機長度14.4m（含刀盤）；主機重量約2500T，整機重量約3500T；主

4、驅(qū)動總功率4900Kw，整機總功率10220KW；最大掘進速度40mm/min；最大推力約22432t，主驅(qū)動額定扭矩23289KN.m，脫困扭矩37262KN.m；最大進/排漿流量為3000m/h，采用DN500mm泥漿管路。盾構(gòu)機構(gòu)造圖整機長度137m主驅(qū)動總功率4900kw最大掘進速度40mm/min刀盤重量430T二、常壓刀盤概況2.4盾構(gòu)機設(shè)計概況盾構(gòu)機構(gòu)造圖中心滾刀邊滾刀正滾刀刮刀邊刮刀二、常壓刀盤概況2.5刀盤設(shè)計刀盤參數(shù)一覽表項目名稱單位參 數(shù)備 注開挖直徑m13.61開口率31%重量t約430t常壓可更換中心滾刀數(shù)量/直徑/刀高把/6把雙刃滾刀/19撕裂刀互換/2251#12

5、#常壓可更換正滾刀數(shù)量/直徑/刀高把/23把雙刃滾刀/19撕裂刀互換/22513#-58#常壓可更換邊滾刀數(shù)量/直徑/刀高把/6把雙刃滾刀/19撕裂刀互換/22559#-68#常壓可更換邊刮刀數(shù)量/刀高把48把/185刮刀數(shù)量把144把刮刀邊刮刀數(shù)量把12把邊刮刀正滾刀刀間距mm100邊滾刀刀間距mm120滾刀液壓磨損監(jiān)測個35個液壓式磨損探測裝置刀盤周邊液壓磨損監(jiān)測個1刀盤背部液壓磨損監(jiān)測個2刀盤沖刷口路21中心6路刀臂面板3路刀臂間橫向6路刀臂間中心向外6路二、常壓刀盤概況常壓刀盤針對性設(shè)計刀盤直徑為13.61米，配置可常壓更換刀箱需要，開口率僅為31%；配置刀具以滾刀（撕裂刀互換）和刮刀

6、為主；配備了伸縮擺動球軸承，且具備伸縮功能（可回縮量為400mm，最大擴挖量25mm）;刀盤正面和背面鋼結(jié)構(gòu)、滾刀、刮刀、及相關(guān)的刀箱、刀座均配置了耐磨材料；在沿刀盤主臂上配置磨損檢測條以監(jiān)測刀盤結(jié)構(gòu)磨損情況；滾刀DCRM監(jiān)測（旋轉(zhuǎn)情況、刀溫等）。在面板、主臂、卸渣槽位置共布置21個沖刷孔（其中刀盤正面有9路，6路平行，6路徑向，最大沖洗流量達1100m3/h）；同時在每把滾刀刀箱上也都布置有沖刷點刀盤刀具配置防磨損設(shè)計刀盤沖刷2.5刀盤設(shè)計滾刀刀筒初始狀態(tài)刮刀刀筒初始狀態(tài)三、常壓換刀正常掘進狀態(tài)，刀具伸出刀盤面板切削巖石和土體，當需要檢查刀具磨損或換刀時，作業(yè)人員首先將待更換刀具所在刀臂旋轉(zhuǎn)

7、至刀盤中心正下方位置，通過配套的工裝，將整個刀筒從刀箱內(nèi)拉出約2/3，后關(guān)閉閘門，隔絕泥水倉，再將刀筒整個抽出，實現(xiàn)刀具常壓下檢查更換。刀筒作為整個閉合單元抽出，常壓換刀系統(tǒng)包括刀筒、閘門裝置、拆裝工裝、吊運工具等。3.1換刀原理三、常壓換刀3.2換刀特點施工人員不用進入泥水倉內(nèi)，在常壓大氣狀態(tài)下即可實現(xiàn)刀具更換，降低了施工安全風險；安全性高成本低效率高影響小特點一特點四特點二特點三每次換刀無需制備高粘度泥漿，不用增加其他輔助設(shè)備，同常規(guī)帶壓進倉及飽和氣體進倉相比，施工成本最為低廉。平均更換一把刀只需3h，相比帶壓進倉、飽和氣體進倉等，無需進行加減壓作業(yè)，在換刀效率方面提高了24倍。無需對地層

8、進行加固，不會對地面交通及周圍環(huán)境造成影響，減少對外溝通壓力。換刀工裝刮刀刀筒構(gòu)造換刀工具滾刀刀筒構(gòu)造刀筒底部支撐；底部支撐螺栓；刀筒夾；伸縮油缸；伸縮油缸的油缸夾；液壓閥塊（一個為伸縮油缸的/一個為可更換刀箱閘門的）；帶壓力表的三通；伸縮油缸尾夾；刀盤上伸縮油缸托架。含有2個叉腳的閘門油缸；伸縮油缸；擺鐘型套筒；液壓閥塊。三、常壓換刀3.3換刀工裝傳感器拆除伸縮油缸安裝油缸與刀筒連接刀筒螺栓拆除刀筒回縮安裝刀筒夾及底部支撐刀箱閘門關(guān)閉刀筒再次回縮移出刀筒三、常壓換刀3.4常壓拆除滾刀刀具安裝壓塊放置刀具上螺栓風動扳手緊固擰緊力矩測量制動環(huán)及制動塊焊接加固傳感器安裝端蓋安放油管連接油管試壓刀筒

9、螺栓緊固三、常壓換刀3.4常壓安裝滾刀刀筒吊運到位刀筒緩慢推進伸縮油缸安裝刀筒注水加壓打開刀箱閘門刀筒逐步頂進刀筒插入到位螺栓緊固傳感器安裝三、常壓換刀3.4常壓安裝滾刀拆卸刀筒蓋伸縮油缸裝入刀筒擺鐘型套筒安裝刀筒縮回、拆除三、常壓換刀3.4常壓拆除刮刀刀頭更換刀筒及擺鐘型套筒準備刀筒沖壓、閘門打開、插入刀筒刀筒及擺鐘型套筒插入刀箱三、常壓換刀3.4常壓安裝刮刀三、常壓換刀3.5控制要點釋放壓力、刀桶托架安裝、抽刀伸縮油缸拆除、吊刀、檢修更換專人指揮、統(tǒng)一協(xié)調(diào)，步步簽認倉內(nèi)循環(huán)、刀箱及結(jié)構(gòu)腔體沖洗磨損監(jiān)測裝置及線路拆除油缸頂伸、螺栓拆除、閘板控制控制要點安裝為拆除的逆操作，主要區(qū)別為拆刀時泄壓

10、，而裝刀時為加水沖壓，其他操作基本相同。四、常壓刀盤應(yīng)用及管理4.1掘進管理一、掘進參數(shù)管理以刀盤擠壓力和扭矩波動控制作為基準參數(shù)，確保整體參數(shù)的相互匹配，做到有效掘進。同時建立參數(shù)報警制度，嚴格落實執(zhí)行。二、泥水倉管理合理分配沖刷流量分配，注重刀盤中心及面板沖刷，泥水倉底部沖刷。三、刀具管理密切關(guān)注滾刀監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)地層進行刀具磨損分析，預(yù)判刀具檢查更換時間。同時做好滾刀裝配和安裝。四、檢測分析以渣樣分析、泥漿性能檢測、顆粒分析等管理為有效手段，指導(dǎo)掘進施工。五、管路維護專職人員和班組定期對沖刷管路、泥漿管路壁厚進行檢測、分析、保養(yǎng)，未雨綢繆，提前處理，提高設(shè)備利用率。四、常壓刀盤應(yīng)用及管理

11、1）盾構(gòu)主司機嚴格執(zhí)行掘進參數(shù)報警制度 ，掘進參數(shù)的合理性是通過不同地層段來 設(shè)定，而非一成不變，通過掘進不斷優(yōu)化如刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤擠壓力、刀盤扭矩、推力、泥水壓力、中心沖刷、泥水倉和氣墊倉底部沖刷等參數(shù)，做到有效掘進，提高掘進效率；2）盾構(gòu)主司機還要做好“盾構(gòu)主司機開機準備檢查”和“刀盤刀具及沖刷口檢查”，開機前的注意事項，以及對刀盤液壓磨損、刀具液壓磨損監(jiān)測檢查及沖刷口開啟及堵塞檢查等；4.2掘進參數(shù)控制四、常壓刀盤應(yīng)用及管理3）滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測：盾構(gòu)主司機嚴格“滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)報警”，通過實時滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，主司機時刻關(guān)注滾刀旋轉(zhuǎn)次數(shù)和溫度，如有問題做到排除故障才可掘進；不可蠻干。4.3掘進

12、參數(shù)控制四、常壓刀盤應(yīng)用及管理4）滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測：盾構(gòu)主司機嚴格“滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)報警”，如出現(xiàn)滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)完好，而旋轉(zhuǎn)或溫度異常，必須停止掘進抽刀檢查，這是因為刀盤特殊性，刀間距及地層需要。4.3掘進參數(shù)控制四、常壓刀盤應(yīng)用及管理 1)滾刀磨損值計算指導(dǎo)檢查換刀 通過各刀刃旋轉(zhuǎn)半徑等參數(shù)，結(jié)合各地層段的磨損系數(shù)，推算出滾刀的磨損值，通過磨損值可以計算出各刀刃磨損速率，主要有兩個參數(shù)（單位毫米掘進米數(shù)m/mm和單位毫米掘進渣土方量m/mm）4.4 刀具管理四、常壓刀盤應(yīng)用及管理2）自掘進參數(shù)的變化（扭矩、擠壓力、推進速度結(jié)合判斷）刀具磨損情況。4.4 刀具管理四、常壓刀盤應(yīng)用及管理3）對特殊

13、刀位滾刀的關(guān)注因常壓刀盤特殊刀位有刀具磨損過快情況，具體原因有可能是因為常壓刀盤中心部位無開口，造成滾刀的二次磨損或撞擊；有可能是刀盤刀具設(shè)計原因，刀盤偏心距過大；有可能是局部為沖刷所限，造成二次磨損等原因。比如：15/16、17/18、19/20、61/62刀位。4）滾刀溫度變化根據(jù)此前的經(jīng)驗總結(jié)，滾刀旋轉(zhuǎn)監(jiān)測系統(tǒng)同時在監(jiān)測滾刀旋轉(zhuǎn)和近似刀面的溫度，經(jīng)過總結(jié)，在全斷面硬巖地層，滾刀磨損增加，破巖能力降低，監(jiān)測溫度會普遍升高。5）刀具裝配和安裝質(zhì)量要求通過對刀具進場檢查、刀具維修質(zhì)量、安裝的卡控，保證刀具本身質(zhì)量。4.4刀具管理四、常壓刀盤應(yīng)用及管理常壓刀盤面板、周邊及背部設(shè)計有液壓磨損檢測裝

14、置，每把滾刀刀筒設(shè)計有液壓磨損檢測裝置，也是刀盤磨損的最后一道防線。但是為了確保常壓刀盤的安全使用，刀盤壁厚檢查必不可少（超聲波測厚儀）。4.5刀盤壁厚檢查面板和周邊檢查背部檢查四、常壓刀盤應(yīng)用及管理常壓換刀刀盤在前艙（泥水倉）隔板頂部和側(cè)部安裝了攝像頭，通過攝像頭可直觀反映刀盤周邊及背部部分磨損情況，刀臂間卸渣槽情況4.6前艙隔板攝像頭檢查四、常壓刀盤應(yīng)用及管理常壓換刀刀盤盾構(gòu)配備了完備的帶壓艙（雙倉設(shè)計），同時預(yù)留飽和氣體進倉接口，在有條件的情況下可以壓力平衡帶壓進倉和減壓限排帶壓進倉情況下進行針對性的刀盤刀具檢查4.7進倉檢查5.1部分刀具拆裝困難五、問題及應(yīng)對措施問題描述：刀具在拆卸過

15、程中，刀箱閘門關(guān)閉不嚴漏漿；解決措施：反復(fù)對閘門處清洗，若遇渣土卡住可重新插入刀筒，多次倉內(nèi)循環(huán)，再進行換刀工作。漏漿卡刀精度問題描述：刀具在刀箱內(nèi)卡住，無法將刀筒拔出。解決措施：在適當增加油缸壓力；手動收縮刀盤將，同時原刀裝回，拆除工裝，轉(zhuǎn)動刀盤，改善開挖艙底部渣土。問題描述：部分滾刀安裝時刀筒無法頂伸到位解決措施：采取措施為抽出刀筒，縮回刀盤，同時加強倉內(nèi)循環(huán)，減少積渣。問題描述：刀筒集渣，造成刀具二次磨損和監(jiān)測傳感器線路磨損、斷線，誤報刀具信息等現(xiàn)象。應(yīng)對措施：增加刀筒沖刷；并將傳感器接頭延伸至刀筒外部。刀筒積渣五、問題及應(yīng)對措施5.2刀筒集渣刀筒積渣問題描述：盾構(gòu)在掘進過程刀具監(jiān)測系統(tǒng)

16、報警，抽刀檢查發(fā)現(xiàn)螺栓斷裂、刀具后縮。應(yīng)對措施：刀具裝配過程中保證刀具固定螺栓緊固力矩相同；控制掘進參數(shù)，避免因推力過大造成螺栓斷裂；螺栓二次利用，認真檢查螺栓是否完好。螺栓孔斷裂螺栓五、問題及應(yīng)對措施5.3刀具螺栓斷裂問題描述：盾構(gòu)在掘進全斷面砂巖/泥巖復(fù)合地層時，掘進過程中中心刀具溫度頻繁升高、旋轉(zhuǎn)監(jiān)測報警、刀盤擠壓力和推力增大、掘進速度降低等掘進參數(shù)持續(xù)惡化，項目通過刀盤伸縮、增加沖刷壓力和流量、增加刀筒沖洗等措施仍未得到有效改進，經(jīng)確認為刀盤結(jié)泥餅所致。糊刀積渣槽堵塞刀盤結(jié)泥餅面板面板5.4刀盤中心結(jié)泥餅五、問題及應(yīng)對措施解決措施：降低泥漿比重，掘進時進漿比重宜小于1.15t/m；增加沖刷壓力，使沖刷壓力與泥水倉一定壓差。中心刀筒增加沖刷口，從中心沖刷管路分路實現(xiàn)分路沖刷；同時對靠近刀盤中心部位失效磨損監(jiān)測輻條進行割除；在刀筒上