孔隙潜水和基岩裂隙水全断面中风化IV级泥岩中刀盘修复和换刀技术研究

余正新

（中交第二航务工程局有限公司，武汉 430000）

1 工程概况

南京地铁6号线兴兴区间出兴学路站（原新港开发区站）后沿恒竞路正下方向东敷设，在恒竞路与兴智路交叉口到达兴智街站（原兴智路站），区间上行（下行）线纵断面先以290 m、20‰，290 m、5‰下坡至最低点；后以310 m、14.400‰，200 m、22‰上坡至兴智路站。本区间的设计范围［兴学路站（原新港开发区站）兴智街站（原兴智路站）］为：上DK 58+872.592～上DK 60+060.292，区间上行线总长度为1 187.7 m；下DK 58+872.592～下DK 60+060.292，区间下行线总长度1 187.7 m，区间采用2台φ6 460 mm土压平衡盾构机进行施工。

左线盾构在始发后于220环左右进入全断面岩层，在310环位置进行第1次开仓查换刀，此时盾构机于全断面岩层中掘进约110 m（强度在6.67～46.68 MPa），上软下硬地层掘进约70 m（其中，掘进前30 m范围内，软土和岩面分界线在刀盘中心以上）。该位置刀盘掌子面岩石的完整性较差，经查，刀具磨损量较小，中心八连撕裂刀磨损量在2～3 mm。第1次开仓查刀后，先后穿越全断面岩层110 m、上软下硬地层约105 m（其中，55 m岩面在刀盘中心以上），期间扭矩、推力较之前有明显上升，初步判断存在刀具或刀盘存在不同程度磨损，结合地勘资料及周边环境，计划于493环停机进行第2次开仓查刀，对刀具、刀箱及面板磨损区域进行修复、更换，停机位置刀盘里程为下DK 59+473.343。

2 周边环境和管线

恒竞路为栖霞区东西向城市干道，双向四车道，道路中间无隔离带，两侧分别为非机动车道、绿化带及人行道，道路限速40 km/h，车流量一般，人流量较少，隧道上方无重大管线、建构筑物分布，周边条件良好。白天该位置停靠有附近企业员工私家车，作业前需对地面进行围蔽，疏散人群和车辆。

根据管线资料，盾构停机位置上方管线为700 mm×600 mm的10 kV电缆，管线埋深约0.5 m，作业过程中需做好地面监测，加强地面巡视。

3 地质情况和水文情况

停机并开仓的位置于恒竞路下侧土体中，隧道顶部距离地面混凝土层14.67 m，从上至下土体情况依次是素填土、粉质黏土、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩。目前，盾构位于全断面岩层中，其中，刀盘掌子面为全断面中风化泥质砂岩。根据详勘资料，停机位置最近的地勘孔揭露的岩石质量等级为IV级，RQD（岩石质量指标）值为10%～70%，岩层强度为9.46～23.33 MPa。通过开仓检查，掌子面刀具轨迹清晰可见，岩层完整性好，经现场实测掌子面岩层强度为30～40 MPa。

区间沿线无地表水，沿恒竞路有常见的路面排水设施，如边沟、截排水沟、暗沟、窨井等，夏季降雨时积水可迅速排出。停机下方作业位置的地下水主要由孔隙潜水（主要在素填土中）、基岩裂隙水（主要在白垩系葛村组泥质砂岩中并且富水性一般）两种类型构成。降雨是补充孔隙潜水的主要途径，蒸发低排流失；上部地下水补给基岩裂隙水。孔隙潜水位置为1.50～3.90 m，标高25.60～29.75 m，水位年变化幅度约在1 m以内。基岩裂隙水受裂隙性影响较大，分布不均并且富水性较差，水量少，水位一般靠近基岩顶板微承压性。

4 刀盘结构

根据本区间地层特性，配置复合式刀盘，以同时满足复合土层的掘进施工。刀盘钢材为Q345B，软硬岩刀具可以互换。面板的耐磨板材和边缘板材使用Hardox钢板，刀盘外侧使用焊接的圆周保护刀保证隧道尺寸。

刀盘前面板及圆弧表面焊接10 mm厚Hardox钢板，刀盘外圈采用焊接圆周保护刀。刀座设计具有软硬岩刀具可以互换的特点。刀盘开挖直径φ6 500 mm，刀盘质量约65 t，开口在整个盘面均匀分布，利于渣土流动及土压传递更流畅，不易形成刀盘泥饼。

5 刀盘及刀具磨损情况

在493环停机位置开仓查刀情况：经查，刀盘和中心刀具刀箱均存在一定程度磨损。

1）刀盘磨损情况：刀盘中心出现弧形磨损，磨损区域直径约为70 cm，最大磨损深度在60～70 mm。其中，1#、2#刀具安装位置磨损严重。

2）刀具及刀箱具体磨损情况：1#、2#、3#、4#中心撕裂刀存在不同程度的掉落和脱落，刀箱存在不同程度磨损，部分位置磨损量较大，磨损的最大磨损深度132 mm，成片磨损。9#、11#、33#滚刀有不同程度磨损，其他刀具磨损量在2～3 mm。

6 技术难点

刀箱的修复焊接过程中，需要在危险区域进行大量的动火作业，由于土仓内部的施作空间比较狭小，动火作业会产生大量的有毒有害气体，必须做好土仓内部的通风作业，对仓内气体进行检测。此外，为保证刀盘修复顺利进行，需在刀盘正面进行修复作业，因此，需要对掌子面进行凿除，过程中对掌子面加固。同时做好盾尾止水环，在仓内常备抽水泵，实时监测掌子面渗漏及仓内水位。

7 修复技术研究

7.1 止水环施工

对盾构机后部3环管片（485～487环）进行水玻璃和水泥的双液浆的二次注浆。双液注浆施工要求：单环注浆采用从下向上的顺序进行，按照9、10、8、7、11、…、1点位的顺序对称注浆，过程中避开K块（管片封顶块）。注浆配合比为水∶水泥=1∶1；水泥浆：水玻璃=5∶1，初凝时间60 s左右。注浆压力≤0.5 MPa。打孔前，必须先装球阀。打孔采用长度1 000 mm的钢钎，开孔深度穿过同步注浆层≥10 cm，注浆至相邻的靠上侧的球阀冒出双液浆为止，再注冒浆孔位。在注浆过程中，严禁作业人员在附近开孔，注浆期间无关人员应避开注浆位置，防止压力过大造成水玻璃浆液喷出伤害作业人员。

7.2 隔仓板进气、排气

通过泡沫管路排放压出气体，经洞内新鲜空气进行稀释，检测气体，直到排出的气体质量满足要求，否则应继续进行气体置换。进气管和排气管选择相对位置最远的隔仓板球阀，并保证球阀位置在仓位以上。

7.3 仓内通风

仓门打开后，首先进行活禽试验，试验时间≥20 min，试验过程中人员撤离到仓外等候。试验合格后，从仓外1#台车用φ200 mm轴流风机+φ200 mm软管将地面新鲜空气通过材料仓引入仓内进行通风，仓内开始空气循环并关闭土仓隔板球阀，停止泡沫系统送风。在材料仓内放置1台φ20 mm轴流风机，通过φ200 mm软管将仓内有害气体排至连接桥底部位置。若活禽在试验时出现异常，则应加强泡沫系统送风并检测仓内空气质量，进仓查换刀作业过程中，保持24 h不间断仓内通风，并每小时检测1次仓内空气质量。

7.4 掌子面检查

仓内空气质量达标后，作业人员进仓检查掌子面地层、稳定性，对岩层进行强度回弹，通过刀具轨迹观察等检查岩层完整性，确认是否与详勘资料相符合。检查掌子面及盾体后方渗水情况，检测并记录渗流量，观察渗流量是否有增大趋势，若有此趋势，采取对盾体径向孔注入聚氨酯或对脱出盾尾的管片再次施作止水环的措施。

根据上述内容综合判断掌子面稳定情况，确认安全后方可开展下一步工作，若因地层不符等原因造成掌子面被判定处于不稳定状态，有较大坍塌或较大坍塌趋势，应立即撤离土仓并关闭仓门，重新建立土仓压力，由相关负责人研究处置措施或重新制定开仓方案。

7.5 维修孔凿除

在刀盘面板前部掌子面凿除深0.7 m、宽0.9 m、高1.5 m的维修孔，方便后续施工作业。仓内同时进入2人作业，利用风镐进行维修孔凿除，作业期间人仓内安排专人值班，实时掌握仓内动态。

凿除作业前对维修孔顶部2 m范围内搭设保护平台，将10#槽钢焊接至刀盘，在槽钢上满铺木板，防止上方碎块或杂物滑落伤人。刀盘转动前将槽钢割除，转动至指定位置后重新焊接。作业前和作业过程中及时对土仓底部进行排水，同时备好应急水泵，做好紧急排水预案。

按照前期盾构常压开仓查刀监测要求，刀盘修复作业过程中保持监测频率要求。地面安排专人进行24 h巡查，并与监控室、盾构机保持联动。

7.6 刀箱及刀盘面板修复

1）刀箱及面板磨损情况。根据查刀情况，中心刀刀箱磨损区域，均位于3#～4#中心刀之间，计划将6个中心刀箱支撑板（磨损块）刨除，焊接相同规格、尺寸和材质的刀箱支撑板。

2）刀箱修复。利用气刨将6个块分别刨开，对接触面进行打磨后，利用二保焊机（焊丝1.2 mm）将提前定制的刀箱支撑块（钢板材质Q345B）焊接至磨损位置。

3）刀箱支撑块需采用工装进行定位焊接，确保新焊接的支撑块之间的间距与原设计一致。

4）刀盘面板修复。刀盘面板磨损量最深60～70 mm，提前现场量测、绘制磨损区域形状及深度，根据磨损形状定制钢板，钢板材质为Q345B。利用二保焊机（焊丝1.2 mm）将钢板贴焊至刀盘面板磨损区域，面板焊接焊缝≥30 mm，焊接质量等级为I级，焊接完成后加焊耐磨。

修复完成后进行焊缝质量检测并出具第三方检测报告，对于不合格的焊缝需进行补焊或刨除重新焊接。

7.7 刀具更换安装

计划对1#～8#中心撕裂刀和9#、11#、33#滚刀进行更换。磨损量超过15 mm时，刀具更换遵循“由外往内，拆一把、装一把，刀盘逆时针（或顺时针）旋转”的原则，并做好过程记录，刀盘转动前，所有人员及工具必须全部撤出土仓。

新刀进仓、安装。清洁滚刀底座，检查是否变形，采用手拉葫芦将新刀运输进仓安装，依次装入楔形块、压块及螺栓。螺栓的紧固力矩为250～315 N·m，螺栓紧固时可使用气动扳手紧固，螺栓紧固完成后将螺栓止退垫片锁紧。中心刀的安装与拆除时相反。

7.8 关闭仓门

刀盘及刀箱修复、刀具更换、刀盘检查工作全部完成后，检查清理添加剂管路，保证添加剂管路的畅通。清点各类设备、工具、材料及其他杂物，拆除作业平台、轴流风机管路和照明线路并运至仓外，确保仓内无遗留物体，检查无误之后人员出仓并关闭仓门。

7.9 恢复掘进

刀盘修复、查换刀结束后，必须做好人仓清洁工作，盘点各类设备、工具及材料，全部收齐一并入库[1-2]。开仓期间打开的各类阀门的关闭情况，符合要求后盾构机可恢复掘进，复推第一环时必须严格控制刀盘贯入度。

8 结语

经实践检验，该工程施工后，围岩稳定，无透水发生，刀盘得以修复，刀具更换完成，后续施工正常。可为今后类似项目提供借鉴。