专利名称：一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法
技术领域：
本发明涉及隧道盾构施工技术领域，具体为一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法。
背景技术：
随着我国城市建设的发展，地下轨道交通、越江隧道等地下工程日益增多，隧道的盾构推进距离也越来越长。盾构法是现代隧道施工的一种全机械化施工方法，其主要使用的机械设备为盾构机，盾构机在隧道掘进过程中通过刀具进行泥土切削和碎石破碎，但是随着盾构法的运用，盾构机在风化槽掘进中由于刀盘泥饼而磨损开裂、刀箱变形、塌方抱死刀盘而无法掘进的现象时有发生，因此到目前为止，风化槽塌方体中刀盘脱困和修复被认定为世界性难题。在遇到此类问题时，现在通常的做法是采取工作井法，即在刀盘正上方开挖竖井，边开挖边支护，一直开挖到刀盘。然后进行盾体脱困和刀盘修复，但是在实际施工， 有时风化槽位于江底，存在工艺复杂、施工速度慢、工期长、施工成本高。而且在长距离掘进过程中，主轴承与刀盘旋转体之间的密封易失效，缩短了盾构机主轴承的使用寿命，同时刀盘修复后掘进功率大大降低。
发明内容
本发明为了解决现有隧道盾构施工中进行盾体脱困和刀盘修复时存在工艺复杂、 工期长、成本高等问题，提供一种新的盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法。本发明是采用如下技术方案实现的一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，包括以下步骤
步骤一、塌方体注浆固结
(1)刀盘前方塌方体加固①在刀盘前方塌方体内插入细小刚性可弯曲的注浆铁管； ②从下往上开始注入化学浆液；③采用低压或无压灌浆技术，压力控制在0 10 kg/cm2 ；
(2)刀盘上方塌方体加固①从盾构机超前钻孔中钻孔，要求钻到塌方体顶部；②从左侧逐步向右注入化学浆液，加固刀盘上方坍塌方体；③注浆压力控制在0. IMPa以下，当注浆开始有压力时结束注浆；
(3 )盾尾上方塌方体加固①用电钻在盾壳尾部起拱线以上间隔钻孔，并焊接注浆管接头；②采用左右两侧同时对称逐步灌入化学浆液，加固盾尾上方塌方体；③注浆压力慢慢增大，同时对盾尾进行沉降监测，当盾尾出现下移时停止注浆；
(4)锚索塌方加固体①利用刀盘辐条之间空隙，向开挖面梅花型打入长纤维注浆锚杆；②从纤维锚杆里注入化学浆液，使塌方加固体与前方基岩锚固成一体；③注浆压力控制在0. IMPa以内，当塌方体开始挤出化学浆液反应物时停止注浆；
(5)注浆效果检查；
上述步骤中所述的化学浆液至少可为固安特CM13新型材料，它是由催化剂和树脂按 1 1体积比混合而成的，至少可从青岛新宇田化工有限公司生产购得，传统主要是用在煤矿止水加固，本发明首次将其应用在隧道塌方体注浆加固上，比聚氨酯注浆效果好很多，加固生成高分子的强度高，能达到10MPA，而聚氨酯基本上没有强度，经过本发明多次试验验证，完全适用于破碎带地层加固，完全能满足工艺要求； 步骤二、盾构机脱困
(1)建立切口水压注浆结束后关闭土仓门，然后向开挖仓内注入泥浆，在开挖面建立切口水压，该水压等于开挖面土层侧压；(2)消除掘进反力当切口水压大于开挖面水土压力时，用工字钢把盾尾后面管片连接成一体，同时从底部顺时针慢慢缩回掘进油缸，消除盾构掘进反力；(3)盾体后退通过逐步增大切口水压，当作用在切口环反力大于盾体与土体摩擦力时，盾体慢慢倒退后伸出油缸，并增加掘进油缸压力顶住隧道管片；(4)刀盘脱困 采用空转刀盘掘进模式，运用逐步增大扭矩直到刀盘能空转几圈后，当刀盘扭矩减小到正常为止，然后降低开挖仓水位，完成盾体及刀盘脱困； 步骤三、刀盘修复的准备工作
(1)钻爆修复洞室
在刀盘拱部利用刀盘辐条间隙向前方钻孔爆破后，转动刀盘再钻孔爆破，直到开挖出半球形洞为止；
(2)清理开挖仓步骤四、刀盘修复
(1)刀盘内部结构修复采取在开挖仓内进行修复；(2)刀盘本体结构修复；(3)刀盘附属结构的修复采取在刀盘修复洞室内进行更换修复。所述刀盘本体结构修复包括以下步骤(1)V型面板焊缝处理a.工人进舱先对刀盘进行清洗，然后对焊缝进行探伤检查，并对裂纹进行标识记录；b.在V型面板裂纹的端部分别钻一个5mm的小孔；c.在V型面板舱体前部割小口排空从裂纹渗透进去的泥水后，用水冲洗干净；d.采用碳弧气刨将裂缝进行清根并进行打磨；e.将已打磨的裂纹缺口进行预热到250°C时开始采用分层堆焊填平焊缝。f.采用渗透探伤和超声波探伤双重检验，每道焊缝连焊三层就作第一次渗透检验，当焊缝完成一半后再作第二次渗透检验，焊完再进行超声波探伤检验，发现焊缝瑕疵立即返工，直到检验合格为止；(2) V型面板旋转体增加肋板 在辐条侧向与旋转体相连处增加三角形肋板，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；(3)V型面板增加筋板在辐条面板与轴体面相连处增加梯形筋板，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；(4)堆焊网状耐磨在辐条与切口环相连周边20cm范围内采用耐磨焊丝进行网状耐磨堆积焊接；(5)切口环修复a.采用加热方法对辐条间变形切口环矫正或切割；b.在辐条间切口环内部加设钢板并焊接成一体；c.在切口环外部磨损严重的地方焊接耐磨板。采用上述方法对刀盘本体结构进行修复，与原有方法相比的优势是提高焊接质量，完全消除刀盘裂缝，同时增加了刀体地耐磨，加强了刀体整体刚度与强度，保证掘进效率。所述的刀盘修复时，对于主轴承与刀盘旋转体之间的密封采用先切除刀具磨损检测系统，然后用钢板将两者焊接成一体，把刀盘旋转接头改为固定接头，使旋转体接头不再随着刀盘旋转而旋转。所述的刀盘修复时，在刀盘上相邻两辐条之间的空隙用工字钢焊接成格栅状。
与现有技术相比，本发明具有以下优点
1、采用低压分步注浆加固塌方体与采用切口水压进行盾体脱困，不仅杜绝了浆液进入开挖仓，而且加固效果较好，同时运用切口水压既使盾构机后退脱困，又确保盾尾刷无损害，只用了 15天就完成盾构机脱困与刀盘修复，施工速度是采取工作井修复的10倍以上， 大大缩短了施工工期，该技术在国内外具有领先水平；
2、采用注浆加固进行盾体脱困和在洞内修复刀盘，比采用工作井节约资金400万元， 而且采取在两辐条之间空隙用工字钢焊接成格栅状，确保塌方加固体正常被切割，左右线修复后不仅顺利通过塌方段，并再次经过一个风化破碎带，杜绝开挖面大塌方，大大减少环流堵塞，掘进功效比以前提高了 2倍，使隧道提前开通运营，创造可观经济效益；
3、恢复掘进前，切除刀盘磨损检测系统后，把刀盘旋转接头改为固定接头，解决了主轴承密封失效世界性难题，延长了盾构机主轴承使用寿命，确保长距离过江盾构隧道左右线顺利贯通，为今后类似工程提供经验，取得了良好的社会效益；
4、在刀盘前方开挖一个洞为修复刀盘提供空间，工艺简单、施工安全、质量受控、成本
低；
5、采用洞内注浆加固修复刀盘，大大地减少施工占地和排污，减少钢材、水泥等建筑材料的消耗，符合国家节能减排政策；
总之，采用本发明所述的盾体脱困及刀盘修复方法进行施工，具有工艺简单、施工工期短、施工成本低、适用性强等优点，成功地完成了隧道左右线刀盘的脱困与修复，规避了江水倒灌隧道的风险，使盾构快速恢复正常掘进，取得了良好的经济效益和社会效益。
具体实施例方式一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，包括以下步骤 步骤一、塌方体注浆固结
(1)刀盘前方塌方体加固①在刀盘前方塌方体内插入细小刚性可弯曲的注浆铁管； ②从下往上开始注入化学浆液，并派人员监控是否有浆液由刀盘间孔洞流入开挖仓，一但发现立即通知灌浆人员停止灌浆，并用棉布进行封堵，待浆液凝结后再继续灌浆；③采用低压或无压灌浆技术，压力控制在O 10 kg/cm2 ；
(2)刀盘上方塌方体加固①从盾构机超前钻孔中钻孔，要求钻到塌方体顶部；②从左侧逐步向右注入化学浆液，加固刀盘上方坍塌方体；③注浆压力控制在0. IMPa以下，当注浆开始有压力时结束注浆；
(3)盾尾上方塌方体加固①用电钻在盾壳尾部起拱线每an钻Φ10孔，并焊接注浆管接头；②采用左右两侧同时对称逐步灌入化学浆液，加固盾尾上方塌方体；③注浆压力慢慢增大，同时对盾尾进行沉降监测，当盾尾出现下移时停止注浆；
(4)锚索塌方加固体①利用刀盘辐条之间空隙，向开挖面梅花型打入5m长纤维注浆锚杆；②从纤维锚杆里注入化学浆液，使塌方加固体与前方基岩锚固成一体；③注浆压力控制在0. IMPa以内，当塌方体开始挤出化学浆液反应物时停止注浆；
(5)注浆效果检查通过雷达加固体探测是否还存在空洞，在注浆薄弱位置采用钻孔抽芯检查注浆固结程度。如果检查塌方体无空洞、固结率高，结束注浆加固工作，否则，继续补强注浆。
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步骤二、盾构机脱困
(1)建立切口水压注浆结束后关闭土仓门，然后向开挖仓内注入泥浆，在开挖面建立切口水压，该水压等于开挖面土层侧压；
(2)消除掘进反力当切口水压大于开挖面水土压力时，用工字钢把盾尾后面10环管片连接成一体，同时从底部顺时针慢慢缩回掘进油缸，消除盾构掘进反力；
(3)盾体后退通过逐步增大切口水压，当作用在切口环反力大于盾体与土体摩擦力时，盾体慢慢倒退IOcm后伸出油缸，并增加掘进油缸压力顶住隧道管片；
(4)刀盘脱困采用空转刀盘掘进模式，运用逐步增大扭矩直到刀盘能空转几圈后，当刀盘扭矩减小到正常为止，然后降低开挖仓水位，完成盾体及刀盘脱困；
步骤三、刀盘修复的准备工作
(1)钻爆修复洞室
在刀盘拱部利用刀盘辐条间隙向前方钻孔爆破后，转动刀盘再钻孔爆破，直到开挖出直径2000mm、深度600mm的半球形洞为止，如果岩体稳定性差，采用工字钢临时支撑；
(2)清理开挖仓运用滑轮把开挖仓内大石块清除出仓，杂物和小石块装入编制袋吊到仓外；
在上述两个步骤之前，可先进行刀盘结构检查及修复方案确定，具体为
一是检查刀盘，主要包括①刀盘内部结构检查检查刀盘中心旋转体密封是否失效、 冲刷系统是否堵塞、搅拌棒是否脱落；②刀盘本体结构检查用卡尺检查刀盘切口环磨损情况，通过PT检测和放大镜检查刀盘V面盘焊缝开裂情况；③刀盘附属结构检查通过测量和磨损检查周边滚刀刀箱变形和磨损程度，检查中心刀刀座变形情况。二是确定刀盘修复方案刀盘内部结构采取在开挖仓内进行修复，刀盘本体结构通过增加楔块加焊和堆焊耐磨网进行加固。刀盘附属结构采取在刀盘前方开挖一个洞进行更换修复。步骤四、刀盘修复
(1)刀盘内部结构修复采取在开挖仓内进行修复，具体步骤为
①对磨损严重或已脱落的搅拌棒进行重新焊接；
②对冲刷系统管路进行清理，同时利用高压水进行疏通；
③对于主轴承与刀盘旋转体之间的密封采用先切除刀具磨损检测系统，然后用钢板将两者焊接成一体，把刀盘旋转接头改为固定接头，使旋转体接头不再随着刀盘旋转而旋转， 解决旋转接头密封失效技术难题。(2)刀盘本体结构修复，具体步骤为
①V型面板焊缝处理a.工人进舱先对刀盘进行清洗，然后对焊缝进行探伤检查，并对裂纹进行标识记录；b.在V型面板裂纹的端部分别钻一个5mm的小孔；c.在V型面板舱体前部割小口排空从裂纹渗透进去的泥水后，用水冲洗干净；d.采用碳弧气刨将裂缝进行清根并进行打磨；e.将已打磨的裂纹缺口进行预热到250°C时开始采用分层堆焊填平焊缝。 f.采用渗透探伤和超声波探伤双重检验，每道焊缝连焊三层就作第一次渗透检验，当焊缝完成一半后再作第二次渗透检验，焊完再进行超声波探伤检验，发现焊缝瑕疵立即返工，直到检验合格为止；
②V型面板旋转体增加肋板在辐条侧向与旋转体相连处增加三角形肋板(st52-3号钢)，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；③V型面板增加筋板在辐条面板与轴体面相连处增加梯形筋板(st52-3号钢)，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；
④堆焊网状耐磨在辐条与切口环相连周边20cm范围内采用cr-ni-si-mn-mo耐磨焊丝进行网状耐磨堆积焊接；
⑤切口环修复a.采用加热方法对辐条间变形切口环矫正或切割；b.在辐条间切口环内部加设钢板并焊接成一体；c.在切口环外部磨损严重的地方焊接耐磨板。(3)刀盘附属结构的修复采取在刀盘修复洞室内进行更换修复，具体步骤为 ①周边滚刀刀箱更换a.按照盾构设计图纸对更换的刀箱在工厂进行加工制作，并做
好标识运到工地；b.利用刀盘前方洞室，采用氧焊切除变形或磨损刀箱后进行打磨处理； c.按照图纸定位尺寸安装新刀箱，采用测量手段和通过对称点焊措施进行精确定位；d.采用交叉分层对称堆焊焊接新刀箱，确保焊接件受热均勻，避免工件由于受热不均而导致位移；e.焊接验收后立即安装新刀具，并通过转动刀盘进行下一个刀箱的更换。②周边保护刀更换a.采用碳弧气刨清除损坏的周边保护刀后按图纸定位尺寸焊接新的周边保护刀；b.在周边保护刀四周加焊耐磨网。工程实例
狮子洋隧道新建于广深港高速铁路专线广州至深圳段位于广东省中南部，是内地联接香港的快速通路。位于广州市南沙区的狮子洋隧道，左、右线各长10. 8公里，隧道穿越小虎浙、沙仔浙和狮子洋三条水道，是目前国内里程最长、建设标准最高的第一座水下铁路隧道。狮子洋隧道全长10.8千米，时速目标值350公里，三次穿江越洋。其中狮子洋水面宽 3300米，水深达26. 6米，为珠江航运的主航道，设计水压达0. 67MPa,是国内首次在软硬不均的岩层中采用大直径泥水盾构长距离掘进。2010年9月，狮子洋隧道进口左右线盾构机在风化槽掘进中由于刀盘泥饼而磨损开裂、刀箱变形，塌方抱死刀盘而无法掘进，邀请国内外知名专家到现场，被专家认为无法脱困与修复，建议拆机改为矿山法，采用多种方案试图脱困都遭到失败，通过采用本发明所述的低压分步加固与采用切口水压进行盾体脱困技术，同时采用洞室修复刀盘的方法，并且在刀盘辐条之间加焊格栅技术使左右线盾构机起死回生，恢复到正常掘进，确保长距离过江盾构隧道左右线顺利贯通，而且恢复掘进前，切除刀盘磨损检测系统后，把刀盘旋转接头改为固定接头，解决了主轴承密封失效世界性难题，延长了盾构机主轴承使用寿命，成功地完成了左右线刀盘的脱困与修复，规避了江水倒灌隧道的风险，使两台盾构恢复正常掘进，取得了良好的经济效益和社会效益，在国内外创造了一个奇迹，充分证明该工法技术先进，适用性强，推广前景好。
权利要求
1.一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，其特征是包括以下步骤步骤一、塌方体注浆固结(1)刀盘前方塌方体加固①在刀盘前方塌方体内插入细小刚性可弯曲的注浆铁管； ②从下往上开始注入化学浆液；③采用低压或无压灌浆技术，压力控制在0 10 kg/cm2 ；(2)刀盘上方塌方体加固①从盾构机超前钻孔中钻孔，要求钻到塌方体顶部；②从左侧逐步向右注入化学浆液，加固刀盘上方坍塌方体；③注浆压力控制在0. IMPa以下，当注浆开始有压力时结束注浆；(3 )盾尾上方塌方体加固①用电钻在盾壳尾部起拱线以上间隔钻孔，并焊接注浆管接头；②采用左右两侧同时对称逐步灌入化学浆液，加固盾尾上方塌方体；③注浆压力慢慢增大，同时对盾尾进行沉降监测，当盾尾出现下移时停止注浆；(4)锚索塌方加固体①利用刀盘辐条之间空隙，向开挖面梅花型打入长纤维注浆锚杆；②从纤维锚杆里注入化学浆液，使塌方加固体与前方基岩锚固成一体；③注浆压力控制在0. IMPa以内，当塌方体开始挤出化学浆液反应物时停止注浆；(5)注浆效果检查；步骤二、盾构机脱困(1)建立切口水压注浆结束后关闭土仓门，然后向开挖仓内注入泥浆，在开挖面建立切口水压，该水压等于开挖面土层侧压；(2)消除掘进反力当切口水压大于开挖面水土压力时，用工字钢把盾尾后面管片连接成一体，同时从底部顺时针慢慢缩回掘进油缸，消除盾构掘进反力；(3)盾体后退通过逐步增大切口水压，当作用在切口环反力大于盾体与土体摩擦力时，盾体慢慢倒退后伸出油缸，并增加掘进油缸压力顶住隧道管片；(4)刀盘脱困采用空转刀盘掘进模式，运用逐步增大扭矩直到刀盘能空转几圈后，当刀盘扭矩减小到正常为止，然后降低开挖仓水位，完成盾体及刀盘脱困；步骤三、刀盘修复的准备工作(1)钻爆修复洞室在刀盘拱部利用刀盘辐条间隙向前方钻孔爆破后，转动刀盘再钻孔爆破，直到开挖出半球形洞为止；(2)清理开挖仓；步骤四、刀盘修复(1)刀盘内部结构修复采取在开挖仓内进行修复；(2)刀盘本体结构修复；(3)刀盘附属结构的修复采取在刀盘修复洞室内进行更换修复。
2.根据权利要求1所述的一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，其特征是所述刀盘本体结构修复包括以下步骤(I)V型面板焊缝处理a.工人进舱先对刀盘进行清洗，然后对焊缝进行探伤检查，并对裂纹进行标识记录；b.在V型面板裂纹的端部分别钻一个5mm的小孔；c.在V型面板舱体前部割小口排空从裂纹渗透进去的泥水后，用水冲洗干净；d.采用碳弧气刨将裂缝进行清根并进行打磨；e.将已打磨的裂纹缺口进行预热到250°C时开始采用分层堆焊填平焊缝；f.采用渗透探伤和超声波探伤双重检验，每道焊缝连焊三层就作第一次渗透检验，当焊缝完成一半后再作第二次渗透检验，焊完再进行超声波探伤检验，发现焊缝瑕疵立即返工，直到检验合格为止；(2)V型面板旋转体增加肋板在辐条侧向与旋转体相连处增加三角形肋板，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；(3)V型面板增加筋板在辐条面板与轴体面相连处增加梯形筋板，采用裂缝焊接方法使三者焊接成一体；(4)堆焊网状耐磨在辐条与切口环相连周边20cm范围内采用耐磨焊丝进行网状耐磨堆积焊接；(5)切口环修复a.采用加热方法对辐条间变形切口环矫正或切割；b.在辐条间切口环内部加设钢板并焊接成一体；c.在切口环外部磨损严重的地方焊接耐磨板。
3.根据权利要求1或2所述的一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，其特征是刀盘修复时，对于主轴承与刀盘旋转体之间的密封采用先切除刀具磨损检测系统，然后用钢板将两者焊接成一体，把刀盘旋转接头改为固定接头，使旋转体接头不再随着刀盘旋转而旋转。
4.根据权利要求1或2所述的一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，其特征是刀盘修复时，在刀盘上相邻两辐条之间的空隙用工字钢焊接成格栅状。
全文摘要
本发明涉及隧道盾构施工技术领域，具体为一种盾构机在风化槽中脱困及刀盘修复的方法，解决现有施工中盾体脱困和刀盘修复时工艺复杂、工期长、成本高等问题，包括对刀盘前方塌方体、刀盘上方塌方体、盾尾上方塌方体、锚索塌方进行注浆加固；建立切口水压、消除掘进反力、盾体后退、刀盘脱困；钻爆修复洞室、清理开挖仓，进行刀盘内部结构、刀盘本体结构、刀盘附属结构修复，使盾体回复掘进。具有工艺简单、施工工期短、施工成本低、适用性强等优点，成功地完成了隧道左右线刀盘的脱困与修复，规避了江水倒灌隧道的风险，使盾构快速恢复正常掘进，取得了良好的经济效益和社会效益。
文档编号E21D9/08GK102305082SQ20111020709
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月23日 优先权日2011年7月23日
发明者刘广钧, 李有兵, 王宗勇, 赵香萍, 雷军 申请人:中铁十二局集团有限公司, 中铁十二局集团第二工程有限公司