压缩空气条件下盾构刀盘特种焊接修复技术

孙善辉，陈 馈，王振飞

(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001，2．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

刀盘作为盾构的核心部件，是决定工程成败的关键。由于工作环境恶劣，在掘进中承受大扭矩、大推力和复杂冲变载荷，刀盘容易发生磨损和破坏，特别是遇到复杂地质条件和不明障碍物时，将严重影响其强度、刚度、耐磨性和整体结构安全，特别严重时，将导致刀盘无法使用，盾构长期停机，甚至使得工程报废。在以往的研究中，文献［1］认为带压换刀的技术主要有2个方面，即选择合理换刀地点及进舱工作压力，保证掌子面土体的稳定和置换开挖舱高浓度泥浆，中盾高浓度泥浆的注入，有效地防止了气体的逃逸;文献［2］总结了盾构在不同性状条件的复合地层中可采用带压进仓、敞开式开仓、地层加固开仓、低压限排进仓等进仓技术，详细介绍了各种进仓技术方法的选择和适应范围及复合地层中各种进仓技术施工要点;文献［3］通过对砂卵石地层盾构更换刀具时地层坍塌机制的研究，提出了采用AB液填充注浆的方式。文献［4］通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比，重点对工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行了详细的对比分析，提出了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题。目前国内大多数盾构都在城市中心区或者江河湖海底部进行掘进施工，当刀盘磨损破坏非常严重且需要焊接修复时，地面往往不具备地层加固或者竖井开挖条件，无法实现常压条件下对刀盘的焊接修复，也无法有效保证掌子面的稳定，此时就需要考虑带压进舱，在压缩空气条件下带压对盾构刀盘进行焊接修复，同时保证修复期间掌子面的稳定和施工安全。由于其作业困难多、风险大的特点，目前在国内盾构施工领域的成功应用还比较少。本文就压缩空气条件下盾构刀盘特种修复原理、关键技术、开舱气密性条件及掌子面稳定措施等方面进行分析研究。

1 简介

北京某项目在城市中心区首次采用12 m级气垫式泥水盾构独头掘进5．2 km，隧道主要穿越卵石、圆砾、中粗砂及黏土交互地层。隧道沿线建构筑物林立，浅覆土下穿护城河，近距离穿越立交桥群、板楼群、天安门箭楼、地铁站及平行地铁运营线路掘进4 km，且全线地下管线密集。隧道具有埋深大、掘进距离长、地质条件复杂、风险点多、沉降控制要求严格、地面注浆加固困难、带压进舱风险大等特点［5］。

该工程盾构自2008年9月始发至今，前后共进行了3次大规模刀盘修复作业，即1次常压动火焊接作业(开挖竖井)和2次压缩空气条件下带压进舱刀盘焊接修复作业。盾构机在最初始发掘进67 m时，发现隧道穿越的地层与原地勘资料出入较大，呈现为致密的卵石层，甚至板结层(如图1所示)，使得原配置刀具无法有效松动土层，无法适应地层需要，决定在盾构停机处开挖竖井常压下修复改造刀盘。改造后的刀盘刀具适应性较之前有较大改善，盾构掘进基本可以顺利进行，但根本性缺陷仍然存在，无法根除，如:1)滚刀刀间距过大无法有效松动土层;2)严重的“泥饼”及“土包石”严重磨损、破坏刀盘刀具;3)切、刮刀螺栓受大卵石剧烈冲击疲劳断裂而导致大批掉落，如图2所示。针对上述缺陷，在盾构累计掘进1 767 m后进行了第1次压缩空气下刀盘焊接修复作业。2011年，盾构在下穿某既有运营地铁站时(刀盘顶部距离地铁结构底板最近约4．2 m，施工风险极大，要求一次性安全通过)，发现排渣困难，随后带压进舱发现刀盘缠绕着大量厚度为6mm的钢滤网片、部分水泵及电机转子(历史遗留物，10口钢管降水井)，刀盘刀具遭到严重破坏(如图3所示)，无法继续掘进，必须进行第2次压缩空气下刀盘焊接修复作业。

图1 砂卵石板结地层Fig．1 Sample of sandy cobble ground

图2 “泥饼”、“土包石”及“大卵石”Fig．2 Mud blockage，mud clouds and cobbles

2 压缩空气条件下刀盘舱特种焊接工作原理

目前人们普遍存在一个误区，认为盾构刀盘舱压缩空气下焊接动火会引起爆燃，不安全、不可取，实际上只要技术措施到位，过程严格把关，该工法是安全可行的。然而也必须清醒地认识到，刀盘舱带压条件下动火焊接具有困难多、风险大的特点。在高压环境中，虽然O2体积分数同外界一样保持在21%左右，但单位体积内的O2增加了，燃烧速度加快了，如:一件物品在常压条件下燃烧完全需要5 min，而高压环境中仅2 min就燃烧完了，瞬间燃烧温度能达到400℃，若O2浓度达到30%，瞬间燃烧温度就可以达到1 000℃，同时在高压密闭空间中动火作业，会产生大量的有毒气体，如不及时排出，就会对作业人员造成伤害。所以一般情况下，可以常压条件下完成的工作，都不会考虑带压作业。

图3 严重破坏的刀盘刀具Fig．3 Seriously-damaged cutter heads and cutting tools

刀盘舱带压条件下动火焊接工作原理是基于盾构常规带压进舱基础之上的，即在常规带压作业基础上，通过增设一些特殊设备设施、仪器仪表、人员防护及相应的盾构改装，实现作业人员在刀盘舱压力状态下的焊接作业，并保证作业人员能够呼吸足量的新鲜空气。焊接产生的废气能够及时排出，同时保证刀盘舱压力恒定、掌子面稳定及作业人员的健康安全［6］，原理如图4所示，设备设施如图5所示。在刀盘舱风水电及工作室开挖等全部具备条件后，进舱人员带压进舱进入到作业点，佩戴专用头盔进行焊接动火作业，产生的废气及时从废气排放管排出;同时，压缩机及时同步补充新鲜压缩空气，从而保持开挖舱压力恒定。作业过程全程由摄影、进排气流量计、O2及有害气体检测仪和吸氧控制器等专用设备设施监控，从而保证作业期间的安全。

图4 工作原理图Fig．4 Welding principle

图5 设备设施图Fig．5 Equipment and facilities

3 土建配合方案

由于修复作业在刀盘正面进行，需要在掌子面开挖一个工作孔，同时保证作业过程中一定时期内的掌子面、作业孔稳定和作业人员安全，所以需要根据盾构停机位置、周边环境、地质条件等情况采取相应的土建配合方案。

1)第1次压缩空气下焊接修复刀盘刀具的土建配合方案是采用钻孔桩及注浆加固相结合的加固方式，首先施工φ2．0 m的钻孔桩，然后填充水泥砂浆，其次采取人工挖孔施工φ1．3 m的作业井，最后将刀盘顶部封死。如图6所示。

图6 土建方案设计图(单位:mm)Fig．6 Design of civil countermeasures(mm)

2)第2次的土建配合方案是直接采取带压进舱人工掏挖方式进行，即:工作人员带压进舱，利用风镐、撬棍等工具，边开挖工作孔边利用舱内既有泥浆封堵因开挖而造成的漏气点;若地层裸漏面积过大，补气量超过30%时，及时减压出舱，同时进行掌子面补浆，重新进行加压、保压工作，依次反复，直至作业孔完成开挖。作业孔如图7所示。

从上述可以看出，第2次土建方案较为简单、便捷，实施方便，节约了加固成本，缩减了工期。从实施效果看，第2次刀盘焊接修复作业历时0．5 a，开挖面泥膜良好，补气量均值为10%，开挖面整体稳定性良好，作业孔无塌孔现象发生，从地表沉降来看，盾构停机点最大累积沉降5．2 mm，打破了大吨位盾构机不可长时间停机的观点;从掌子面稳定效果来看，只要在掌子面能够形成高质量泥膜，并保持良好的气密性，长时间带压作业掌子面是稳定的。

图7 土建方案设计图(单位:cm)Fig．7 Design of civil countermeasures(cm)

4 压缩空气下焊接切割作业需要具备的必要条件

4．1 开舱气密性条件

根据盾构带压作业特点分析，掌子面漏气原因主要有:掌子面地层漏气、盾构设备本身密封不严、盾尾密封漏气、盾壳周围地层漏气和管片接缝处向隧道内漏气。综合以上漏气原因，并结合实际进舱漏气情况分析，造成漏气的主要原因是盾壳与地层间的缝隙封堵不严，压缩空气沿盾壳向盾构后方逃逸漏气，采取的主要措施是通过注浆管向盾壳外注入相对体积质量为1．3左右的掺入锯末的高浓度泥浆，以封闭压缩气体逃逸通道。

4．2 掌子面泥浆置换及高质量泥膜的形成

在新浆池完成高黏度泥浆的拌制，泥浆黏度控制为90 ～100 s，相对体积质量为1．05 ～1．1，然后将高质量泥浆注入刀盘进行置换，泥浆置换完成后缓慢转动刀盘充分搅拌泥浆，随后开始保压。保压压力的设定应比进舱压力的设定高30～50 kPa，目的是将高黏度泥浆中的膨润土、制浆剂压入地层以形成泥膜，保压应每间隔30 min提高压力10 kPa，直至达到保压压力，最后稳定压力2～3 h，使高黏度泥浆充分渗入到地层中，形成高质量泥膜(如图8所示)。

图8 高质量泥膜Fig．8 High-quality filter membrane

4．3 注意事项

1)密切观察O2浓度测试仪，严格控制浓度在21%以下。

2)密切观察刀盘舱供气气体流量计，严格控制掌子面补气量在30%以下，若气体流量计读数达到300 m3/h，说明地层漏气严重，补气量大，应及时出舱，视情况而定补浆保压或置换新鲜泥浆。

（2）地面硬化减低了土地蓄水能力。随着城市的不断发展，出于对生活环境的要求，城市地区的地面被越来越多的进行硬化处理。致使雨水很难渗透到地下，只能随排水系统流入自然水系中，这在很大程度上缩短了雨水集流的时间，使河流中的水量增加，同时使洪峰流量增加，从而加大了洪水灾害的威胁。

3)出于提高工作效率考虑，每次减压出舱并不马上进行掌子面补浆保压，泥膜长时间暴露会出现开裂现象，如图9所示。为保证泥膜质量和掌子面稳定，每天至少进行一次掌子面补浆润湿泥膜及保压，以延长泥膜使用寿命。

图9 泥膜开裂Fig．9 Cracking of filter membrane

4)带压焊接作业所需的焊条及灭火器需要选择专用的，搭铁线要就近搭接，焊条应在焊接前放在烘干箱内加温至250℃并保温1 h，焊接面必须保持清洁干净。焊接时先将刀座、刀箱或钢板定位后点焊固定，最后根据坡口大小进行分层堆焊，每次堆焊后用小锤子清理焊渣，待焊缝冷却后再堆焊，以防止焊缝变形过大，焊接完成后自然冷却1．5～2．0 h，严禁用水冷却焊缝，最后进行耐磨处理。

5 压缩空气下刀盘焊接修复作业实施方案

5．1 作业流程

由于带压进舱动火作业的特殊性，作业人员要求必须身体健康，且经过严格培训并具有相关资质的人员方可进舱作业［7-9］，该项目聘请具有丰富经验和资深资质的德国北海潜水专业公司来实施，整个作业流程见图10。

图10 作业流程Fig．10 Welding process

5．2 人员进出舱及补浆

带压工作时间确定为3 h(减压3 h，4舱/d)，达到工作时间后，作业人员严格按照减压方案进行减压出舱，进舱人员必须根据要求吸氧。补浆时要控制好补浆速度，防止开挖舱压力波动过大，损坏泥膜。

5．3 刀盘刀具焊接修复作业

5．3．1 切、刮修复

针对切刀螺栓频繁断裂无法取出的现象，其修复方法是将原刀座进行打磨、平整，焊接新型轴销式切刀刀座;再安装新刀，轴销式切刀最大的优点是刀具更换比较方便、快捷，旧切刀一般每舱可以更换2～4把，而新切刀则可以更换20把，大大提高了工作效率，节约了刀具更换时间和减少了开舱次数;刮刀修复是将原刮刀刀座打磨、平整，再焊接新刀座，刀座形式不变。如图11所示。

将损坏严重无法继续使用的滚刀刀箱碳弧气刨掉，打磨、平整，重新定位焊接新滚刀刀箱。

5．3．3 刀盘本体修复

采用薄铁皮贴附刀盘钢结构上进行拓片，然后在舱外根据拓片下料并打坡口，再送入刀盘舱，并根据修补位置实际情况进行微调修正，最后定位焊接。

6 实际修复情况

该工程盾构在下穿既有运营地铁站期间，由于钢滤网降水井，使得刀盘破坏十分严重。此次刀盘修复情况复杂、工作量大、时间长，所以下面主要介绍此次刀盘焊接修复实际情况。

6．1 刀盘刀具破坏状况

1)刀盘本体发生较大磨损，主要是:①刀盘半径5．336 m的环形区域，辐板磨损深7 cm，宽17 cm;②刀盘半径3．35 m的环形区域，刀盘磨损深16 cm，宽20 cm;③刀盘半径1．406～2．203 m的环形区域，刀盘磨损深42 cm，宽65 cm。如图12所示。

图11 刀具修复效果图Fig．11 Repaired cutting tools

2)刀盘中心区滚刀刀箱磨损破坏严重(约13把滚刀道箱需要更换)，已无法安装滚刀，损坏滚刀情况如图13所示。

3)周边刮刀、切刀崩齿、掉落破坏严重。

图12 刀盘本体磨损实际情况Fig．12 Worn cutter head

图13 滚刀损坏实际情况Fig．13 Worn disc cutters

6．2 主要完成情况

修复滚刀刀箱13个、中心刀刀箱5个、辐条8根;新焊切刀刀座129把、新型撕裂刀38把、耐磨钢板326块、合金刀3把。如图14—16所示。

7 结论与建议

第2次压缩空气下焊接修复刀盘历时0．5 a，未发生任何危险，目前盾构已恢复掘进。可以看出:只要技术措施到位和过程严格把关，压缩空气下刀盘舱动火焊接作业是安全可行的，掌子面及焊接作业孔是可以长时间保持稳定的。建议以后遇见类似工程情况:1)选择专业带压进舱焊接队伍;2)制定详细的技术方案及专家审查制度;3)制定严格的过程控制措施，密切注意带压进舱补气量、泥膜质量、掌子面及作业孔稳定情况等;4)制定严格的技术领导值班制度。

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