过江隧道大型泥水盾构刀具使用与管理

季玉国， 杨荣斌

(上海建通工程建设有限公司， 上海 200031)



过江隧道大型泥水盾构刀具使用与管理

季玉国， 杨荣斌

(上海建通工程建设有限公司， 上海 200031)

为了进一步推进和提高我国大型泥水盾构刀具的使用与管理水平，解决其目前存在的突出问题，以南京长江隧道、南京扬子江隧道、南京地铁3号线和10号线过江单洞双线隧道等大型泥水盾构施工为背景，通过对复合地层盾构掘进施工刀具使用的分析总结，提出了刀具管理的前期设计、过程使用管理、刀具检查更换、意外事故的预防和恢复掘进注意事项等刀具使用系统管理理念，以期为今后类似工程盾构施工刀具管理提供指导与借鉴。

过江隧道； 泥水盾构； 盾构刀具； 使用管理

0 引言

多年来，随着我国过江跨海大型盾构隧道的建成运营，如南京长江隧道、南京扬子江隧道、上海长江隧道和武汉长江隧道等，我国大型泥水盾构施工技术得到空前发展，盾构机械制造和掘进工艺技术水平迅速提高，但通过对上述诸多工程施工过程中存在问题的总结分析，可以得出当前我国大型泥水盾构施工普遍存在的突出问题是：盾构刀具的设计和使用管理与掘进的岩石地层、复合地层严重不相适应，制约了我国大型泥水盾构施工技术的发展。

目前，国内对大型泥水盾构刀具的设计管理，包括刀盘设计和刀具的使用管理等方面的研究较少。文献 [1]对北京铁路直径线工程盾构开舱高压环境下刀具的修复技术进行了研究；文献[2]就超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用做了详细阐述，解决了施工中存在的技术难题；文献[3-5]针对地铁隧道小直径盾构刀具的设计、磨损、损坏原因及对策进行了分析研究；文献[6-11]研究了大直径泥水盾构高压环境下刀具的检修技术等。上述文献都是研究盾构带压换刀技术和刀盘修复技术，对我国大直径泥水盾构刀具与地层不适应和刀具使用管理中存在的突出问题研究极少，为此本文就这一问题，通过诸多典型工程实例，进行系统分析研究和总结。

国内大型泥水盾构的刀盘和刀具设计已进行多年，取得了较大的成效，但与我国隧道工程的迅速发展还不能适应，大直径泥水盾构在江河湖海复合地层、岩石地层隧道掘进施工中，盾构刀具的使用与管理仍存在诸多问题，特别是盾构初装刀具的研究和配置问题较为突出，表现为盾构刀盘、刀具设计和组合不能完全适应隧道地层掘进的要求。我国的很多条过江(如过长江、黄河)隧道的掘进施工，过程中往往需要对刀盘和刀具进行优化改进，甚至需要带压进舱进行动火改造，花费时间少则几个月多则一年甚至更长时间，付出巨大代价。因此，需要进一步摸索总结和改进。如南京扬子江隧道、南京长江隧道、南京地铁3号线和10号线等过江隧道及地铁隧道等岩石地层、复合地层的盾构刀具使用就经历过这样的过程。

南京长江隧道盾构初期设计可实现一次性过江，不需要更换刀具完成掘进3 200 m，但由于地质条件变化，在2008年8月5日掘进655环时发生异常，刀盘、刀具磨损严重，被迫对初装刀具进行检查、改进和更换，历时半年才恢复掘进。

南京扬子江隧道南、北线盾构段长分别为4 135 m和3 575 m，岩石地层和复合地层刀具改进及掘进时间长达20个月，饱和气体带压作业进舱检查刀具更换更是达到624次，作业时间累计超过2 800 h，2条隧道共更换各类刀具1 009把，可见掘进之困难。

南京地铁3号线过江单洞双线盾构隧道，长距离掘进因刀盘、刀具严重磨损，江中停机带压修复刀盘更换刀具时间长达7个月，国内外多家专业单位先后实施了带压换刀作业和刀盘修复。

综上所述，过江大型泥水复合盾构刀盘、刀具修复和刀具更换安全风险大，成本高，工期长，因此，对复合岩石地层盾构刀盘、刀具的研制、设计和使用管理意义重大。

1 刀具使用的前期管理

1.1 复合盾构刀盘、刀具的设计选型研究和应用管理，应向前延伸到从研究隧道轴线设计的工程地质报告开始

复合盾构设计重点应在刀盘和刀具方面，施工单位应会同盾构制造的技术人员一起，共同分析研究隧道地层，研究岩石的强度、完整性及可切削性等，即盾构刀具对地层的适应性。较早前，诸多工程在这方面研究重视不够，盾构刀具设计不合理，不适应地层的要求，后续花费高昂的费用去改进、改造，损失更大。与其后来的改进带来工期、造价、成本和安全的高昂付出，不如早期主动去研究，这样做起来会事半功倍。

1.2 设计单位在进行隧道轴线断面设计时，应充分考虑到盾构施工的难度和风险，合理确定隧道穿越岩石及复合地层的范围

设计单位在过江复合岩石隧道轴线设计时，关注的重点多在隧道的埋深、抗浮、隧道线路的坡度、进出端口的限制条件及强制性要求等方面，缺少对隧道岩石、复合地层盾构施工难度和风险的了解，如直径15 m盾构隧道的断面，若岩石强度达到60 MPa以上，掘进的造价、工期、施工难度和风险很大，设计单位应了解当前国内外盾构施工技术现状和水平，在满足隧道设计功能的条件下，尽可能减少隧道段岩石地层的长度，以节省成本，缩短工期，降低造价和施工风险。比如南京扬子江隧道工程，因为工期、造价和施工风险等综合因素的要求，对隧道轴线进行优化和调整，取得了较好的成效。

1.3 做好盾构刀盘、刀具设计，是做好刀具使用管理的前提

1.3.1 刀盘设计

只有根据地层做好刀盘、刀具设计，才能在掘进工作中确保刀具的合理使用。刀盘设计应加强冲刷系统的设计和配置，此前诸多盾构在砂岩、泥岩中掘进易结“泥饼”，特别是刀盘中心区域，因开口率低，易结“泥饼”，所以应加强对刀盘中心区域的冲刷和开口率的优化、改进。南京扬子江隧道盾构刀盘开口率为25.7%，刀盘中心区域结“泥饼”现象严重，其冲刷清除“泥饼”的时间占换刀总时间的40%，应加强冲刷系统的优化设计。

1)刀盘的耐磨装置，特别是外圈耐磨更应牢固。南京地铁3号线过江隧道在卵砾石地层掘进时，因施工管理和刀盘磨损传感系统失效等原因，刀盘外圈磨损30～50 cm，修复耗时7个月。

2)刀盘、刀具的磨损检测系统要可靠、有效。在盾构掘进施工中，盾构刀盘、刀具均布置磨损检测系统，应保证实用性和完好性。

3)滚刀和撕裂(切削)刀刀座，应做到互换性和通用性良好。

4)刀座的耐磨性要强，刀具的拆卸互换应方便。

1.3.2 刀具设计

1)刀具的设置数量应适当，以满足掘进地层要求。

2)刀具设计的切削碎岩层次不宜太多。例如：南京扬子江隧道盾构滚刀刀具设计掘进岩石，设计推进一次性完成过江，采取2个层次推出滚刀和若干次推出切削刀，实际操作较为困难，难以达到原刀具设计切削目的。

3)刀具的可推出装置应确保长距离掘进后正常工作。

4)滚刀与切削刀掘进切削岩层的层次应分明，减少相互影响。

5)刀具设计的适应性，应从隧道全线不同地层结构进行全面综合分析考虑。

1.3.3 施工单位在盾构选型和刀盘、刀具的设计中应起主导作用

一些长期从事盾构隧道施工的单位，对隧道沿线岩石地层的分析和刀具的使用效果积累了丰富的经验和认识，刀盘、刀具的设计者应充分重视和吸取。盾构设计联络会议是施工单位的技术人员与盾构设计者的重要沟通渠道，施工单位应选派经验丰富的技术人员或聘请相关专家参会，把有关经验融入盾构的设计中，可有效避免或减少盾构地质适应性方面的失误。同时，要重视盾构出厂验收和现场刀具组装调试验收。

2 刀具使用过程中的管理

2.1 合理使用刀具

在复合岩石地层盾构掘进中，首先应建立每把刀(包括同一轨迹刀具)的使用、更换档案，记录刀具包括初装刀具使用和更换情况，包括更换时间、使用寿命和相邻刀具的使用情况，摸索总结出不同刀具使用寿命，通过分析对比使用寿命，结合掘进异常情况，综合判断刀盘、刀具磨损情况，制定科学的换刀计划，动态控制刀具的检查更换。

2.2 根据复合地层岩石各方面情况，合理确定掘进工艺参数，加强掘进参数的控制，规范操作，减少刀具不正常磨损和损坏

1)推力。滚刀掘进每把滚刀轴承的额定推力基本固定，但由于盾构推进摩擦阻力的不确定性，所以有效推力的确定比较困难，建议采用贯入度控制，推力不应过大造成滚刀刀圈断裂、偏磨等不正常损坏刀具。

2)转速。应对岩石的全断面、半断面、性质、软硬程度、强度等级和完整性综合考虑。

2.3 及时对复合地层、岩石地层掘进进行总结，摸索刀具使用寿命和更换规律，确定滚刀定型和工艺参数，使盾构掘进施工尽早走向正常

大多数复合盾构隧道掘进都经历这个过程，如南京长江隧道混合地层刀具改进历经6个月；南京扬子江隧道完成岩石地层掘进和刀具改进历经20个月；南京地铁3号线过江盾构隧道刀具改进及刀盘修复历经7个月。其他地铁盾构复合地层掘进也都经历这样一个过程，都是在对盾构初装刀具掘进总结改进的基础上，对掘进参数进行优化，摸索总结出刀具型式和更换规律，才使盾构掘进走向正常，完成隧道工程掘进施工。

2.4 勤检查，勤更换，勤维护，定期对刀具进行检查更换

1)勤检查。在岩石和复合地层中，根据岩石强度情况和掘进经验一般5～10环应对刀具进行检查，在新刀具安装掘进2环后对刀具螺栓进行复紧，根据刀具使用统计出刀具检查更换的周期和使用寿命。

2)勤更换。对边缘刀、正面刀和中心刀的更换，应遵循刀具使用磨损标准，到达更换标准后及时进行更换，刀具的更换应确保同一轨迹有1把更换的新刀，以保证应急情况下可以实现立即恢复掘进。

3)勤维护。指的是对刀座、刀具和刀盘面板维护等，在进行开舱检查和刀具更换时，应及时进行冲洗，防止刀盘结“泥饼”，在掘进和管理拼装时也可进行，以便保护这些部位，防止过度磨损。如南京扬子江隧道北线在掘进585环时，刀盘扭矩骤增，掘进速度突降，刀盘面板温度升高，掘进速度1～2 mm/min，刀盘辐条温度达80 ℃，扭矩达到70%以上，泥水站出渣量减少，浆液比重变大，对刀具检查无磨损，泥水循环5 h，温度仅降10 ℃。带压进舱检查结果如下：刀盘被黏性土完全糊住，且后侧泥水舱隔板也被黏性土糊住，导致刀盘扭矩增大，温度升高。处理措施如下：采取低比重、低黏度泥浆，通过刀盘高速旋转和泥水循环冲刷对泥水舱进行冲洗，同时由人工带压进舱用高压水枪冲洗被黏土糊住的部位，才使问题得以解决。

对卵砾石混合地层，为避免刀具的二次磨损应加大冲刷系统和循环系统泵的流量，及时排出舱内的渣土和碎石，对大的卵石、石头可以使用破碎机破碎，加强掘进排渣，同时在掘进中途和拼装管片时加强循环排渣及冲刷，达到排渣干净和保护刀座、刀具的目的。

2.5 充分利用重型撕裂刀的优势，在岩石强度低于20 MPa时代替滚刀，可以达到较好的效果

在南京扬子江隧道南线盾构穿越江心洲风井时，盾构掘进需切削风井两端三轴搅拌桩加固区、井内回填混凝土和风井围护玻璃纤维筋混凝土地墙等，在方案讨论时，有人认为地墙混凝土和加固区施工已完成2年以上，强度可能超过25 MPa，建议使用滚刀切削，而施工单位通过分析，采用重型撕裂刀穿越，掘进达5～6 m/d，掘进非常顺利，发挥了重型撕裂刀的作用，也减少了滚刀的更换。

2.6 充分利用刀盘、刀具的磨损检测报警系统，及时判断刀具损坏情况，做好刀具的更换，禁止盲目推进，避免事故发生

利用安装的刀具磨损检测报警系统，并根据掘进参数的异常变化，如刀具严重磨损时，推力不变的情况下掘进速度会明显降低，扭矩增大，可以基本判断为刀具严重磨损；同时，根据岩渣的形状判断刀具的磨损，综合判断确定对刀具进行检查更换，不应再盲目推进，以免发生重大事故。如南京长江隧道在2008年8月5日掘进655环时，推力、扭矩和速度明显异常，推测可能是江底的“异物”或“孤石”，强推1环判断情况，但未成功，带压开舱检查刀具发现严重磨损，个别刀具损毁严重导致掘进难以维持，之后进行刀具的检查和更换，带压开舱修补刀盘和补焊周边刮刀，更换切削刀，历时6个月才得以恢复掘进。同样，南京地铁3号线过江隧道在卵砾石混合地层掘进时，出现掘进异常继续掘进，刀盘外圈损毁达30～50 cm，刀盘、刀具修复更换长达7个月，经济损失较大。

3 刀具检查与更换过程中意外事故的预防

刀具检查与更换过程中容易出现的意外事故如下：

1)人员伤亡安全事件。常压和带压检查更换刀具均发生过类似事件，主要靠管理实现安全生产。

2)掌子面坍塌和漏气事件。

3)刀具及工具掉入泥水舱。刀具检查和更换过程中应加强安全防范，防止常压、带压作业人员安全事故的发生，加强人员培训和通风、供气及掌子面等安全防护，确保人员安全。每次盾构刀具检查和更换需要很长的时间和周期，应加强对掌子面“泥膜”的维护，防止垮塌和漏气事件发生，保证换刀安全。大型盾构的滚刀质量达150～250 kg，质量大，加之舱内工作条件极其复杂，稍有不慎拆除的刀具、工具和新的滚刀运送时会掉入舱内，需花费人力和时间去打捞，需特别慎重，注意防范。

4 刀具更换后恢复掘进注意事项

在完成刀具检查更换、恢复掘进前，应进行清舱工作，加强泥浆循环，按设定的掘进参数恢复掘进，应注意以下问题：

1)对掉入舱内的异物进行清舱工作，防止掘进时损坏刀盘、刀具。如南京扬子江隧道北线在刀具更换完成后，恢复掘进发现异常，开舱检查发现刀盘外圈磨损深5～7 cm、宽30 cm的沟槽，不得不进行修补。

2)恢复掘进1～2环后及时给滚刀螺栓进行复紧，防止装配掘进后螺栓松动。

3)恢复掘进应规范操作，防止意外事故的发生。如南京长江隧道在刀具更换完成恢复掘进时，由于操作失误，发生轻度“冒顶”事件；南京扬子江隧道在刀具更换过程中，也曾因为掌子面漏气发生过“冒顶”事件。

4)恢复掘进后泥水压力设定应合理，应平稳恢复掘进，保证推进安全。

5 结论与讨论

复合盾构掘进刀具使用与管理意义重大，不仅关系到盾构掘进成本、工期和进度，还关系着盾构施工安全与风险，乃至工程成败。本文得出结论：要做好大型过江泥水盾构刀具使用与管理，必须认真分析研究隧道地质条件，依据地质条件，合理科学地做好刀盘面板和刀具的设计及组合研究，加强掘进过程的技术管理，做好刀具的检查与更换，预防刀具更换过程中意外事故的发生，重视恢复掘进安全管理，特别重视盾构刀盘和刀具的前期设计，确保刀盘、刀具设计与掘进地层相适应，才能从真正意义上做好过江隧道泥水盾构刀具使用与管理，提升我国大型泥水盾构的整体技术水平。

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Application and Management of Cutting Tools of Large Slurry Shield in River-crossing Tunnels

JI Yuguo, YANG Rongbin

(ShanghaiJiantongEngineeringConsulting&ConstructionCo.,Ltd.,Shanghai200031,China)

The application of cutting tools of shield in complex strata of Nanjing Yangtze River-crossing Tunnels and Nanjing River-crossing Metro Line No. 3 and Line No. 10 is analyzed and summarized. And then the initial design, application and management, cutting tool checking and replacing, incident prevention and boring recovery of cutting tool management are proposed, so as to improve the application and management of cutting tools of large slurry shield in China. The results can provide reference for application and management of cutting tools of shield in similar projects in the future.

river-crossing tunnel; slurry shield; cutting tool; application and management

2016-02-17;

2016-03-20

季玉国(1963—)，男，安徽阜阳人，1987年毕业于中国地质大学，岩土工程专业，本科，高级工程师，现从事隧道工程、地下工程和地铁工程施工技术管理和研究工作。E-mail: jiyuguo1963@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.018

U 45

A

1672-741X(2016)07-0877-04