一种盾构刀具磨损被困的脱困方法与流程

本发明属于盾构技术领域，涉及一种盾构刀具磨损被困的脱困方法。

背景技术：

盾构机是一种使用盾构法的隧道掘进机。盾构的施工法是掘进机在掘进的同时构建(铺设)隧道之“盾”(指支撑性管片)，它区别于敞开式施工法在我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为(狭义)盾构机，将用于岩石地层的称为(狭义)tbm。用盾构法的机械进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。

但是在掘进过程中，由于地下层的硬度无法确定，掘进时遇到刀盘扭矩过大，时常被卡，无法进行有效掘进。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种盾构刀具磨损被困的脱困方法，以应对因为刀具磨损盾构被困的情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构刀具磨损被困的脱困方法，包括以下步骤：

步骤一，降水井施工，在刀盘切口旁边，沿线路纵向方向设置降水井，并在降水井旁打设水位观测井；观测静水位以检查降水效果，水位降至隧道底以下≮1.0m；

步骤二，素桩加固，为保证刀盘周边土体稳固，在刀盘两侧采用混凝土桩形成挡墙加固，利用旋挖机成孔，采用混凝土浇筑；

步骤三，注浆加固，利用土仓加水系统以及刀盘加水系统、径向注浆孔向土仓内及盾体周边注入优质膨润土，盾尾后管片加注水性聚胺脂，对盾尾区域管片进行环箍注浆以封闭动水通道，保证开仓换刀安全；

步骤四，检查刀盘及换刀，扩挖刀盘的开挖直径，进行刀盘直径方向扩挖，盾构机启动后，操作刀盘旋转一周、停止刀盘转动，扩挖刀盘的直径5mm-10mm/次、再启动刀盘旋转，循环往复，逐步扩挖直至开挖直径和断面成型；按原边滚刀轨迹布置若干把焊接撕裂刀，以代替周边滚刀实施剩余里程的开挖；根据滚刀磨损情况，更换滚刀。

进一步，步骤一中，在纵向离刀盘切口旁1.5m，横向离连续墙1.8m处设置沿线路纵向方向设置两口降水井，深度为20m；纵向离刀盘切口旁3米，横向离连续墙1.8m处位置布置两口钻孔降水井，深度为26m。考虑到刀盘两侧对称布置，因此施工中布置4口降水井满足降水需求。

进一步，步骤二中，所述混凝土桩的桩径为800mm间距1000mm，桩间采用桩径600mm三重旋喷桩加固，刀盘侧上方素桩离刀盘50cm，两侧距刀盘50cm，刀盘两侧桩伸入隧道5m，钻机在就位时进行重新测量、定位，成孔垂直度控制在0.5％以内。

进一步，步骤二中，采用c15水下早强混凝土浇筑，旋挖机施工时采用跳孔钻进，先施工基数孔桩，待初凝后施工偶数孔桩。

进一步，步骤三中，膨润土泥浆粘度控制在30-40pa·s，泥浆注入完成后，加压缓慢转动刀盘使泥浆均匀的与外部土地接触，形成泥膜，对刀盘周围形成保护。为进一步提高刀盘周围以及盾尾止水效果，水性聚胺脂注浆压力控制在0.4mpa，聚胺脂注入24小时后，通过管片二次注浆孔检查注入。

进一步，步骤三中，注浆方式采用水泥-水玻璃双液浆，水玻璃浓度为35be’，配合比为，水泥浆∶水玻璃溶液＝1∶1，注浆顺序由拱底向拱顶注浆，全环注浆，注浆恒压控制在0.2mpa～0.3mpa，终压控制在0.4mpa。

进一步，步骤三中，为避免注浆造成盾体被抱死、刀盘密封受损、同步注浆管堵塞等后果，在注浆之前，通过盾体径向注浆孔向盾壳周围注入膨润土泥浆，防止盾体被浆液抱死，阻止盾尾后方来水，同时提高周围岩体稳定，泥浆采用膨润土∶水＝1∶3的比例拌制，注入量不小于6m³，注浆完成后通过盾体径向孔检查注入质量，在浆液储存罐内拌制膨润土泥浆，并通过同步注浆系统注入，防止盾尾被浆液抱死、同步注浆管路被浆液堵塞，注浆过程中每10cm转动刀盘，通过刀盘密封系统注入hbw油脂，防止刀盘主轴承密封受损。

进一步，步骤四中，通过一可伸缩的调节结构扩挖刀盘的开挖直径，可伸缩的调节结构包括内套和外套，该伸缩调节结构设置在刀盘主梁间的空隙处，将外套焊接固定在主梁外端部，内套可以伸出，内套总成前端焊接撕裂刀。

进一步，步骤四中，盾构机启动后，操作刀盘旋转一周、停止刀盘转动，起升可伸缩的调节结构5mm-10mm/次、再启动刀盘旋转，循环往复，逐步扩挖直至开挖直径和断面成型。

进一步，将已磨损的周边滚刀拆除，留下滚刀刀箱孔作为后续开挖的漏渣口。便于渣土顺利到土仓，减少对周边撕裂刀的模式。

本发明的有益效果在于：通过常压开仓换刀及维修后，按照低扭矩及低转速，慢速掘进，盾构顺利出洞。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为降水井平面布置图；

图2为降水井、盾构机及地质关系剖面图；

图3为咬合桩连续墙平面布置图；

图4为咬合桩与刀盘关系剖面图；

图5为液压千斤顶的位置示意图；

图6为周边撕裂刀轨迹图；

图7为刀盘周边结构焊接及周边撕裂刀焊接图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

说明书附图中的附图标记包括：

滚刀1、保径刀2、撕裂刀3、边缘刮刀4。

实施例：

南宁市轨道交通1号线土建12标新民路站～民族广场站左线盾构在推进至切口里程zsk18+384.849，对应刀盘里程zsk18+385.649(拼装479环后推进1250mm)处时，掘进时刀盘扭矩过大，时常被卡，无法进行有效掘进，并发现刀具脱落由螺旋输送机带出。此时，刀盘已进入加固区地下素连续墙20cm(素连续墙起点里程zsk18+385.438，设计厚度为60cm)。

1、原因分析，根据掘进参数和刀具脱落情况判断，刀具磨损情况严重，已无法继续掘进，必须开仓检查和更换刀具。

2、处理方案，综合考虑开仓点掌子面情况、地质条件、地面施工场地限制及工期要求，决定采取地面降水、旋挖桩挡土并置换加固切口上方及侧面土体，同时配合注浆加固等措施，进行常压开仓检查换刀。

2.1常压开仓加固措施

2.1.1降水井施工

在纵向离刀盘切口旁1.5m，横向离连续墙1.8m处设置沿线路纵向方向设置两口φ300mm降水井，深度20m；纵向3米，横向1.8m处位置布置两口钻孔φ800mm降水井，深度为26m(隧底下10m)，并在降水井旁打设水位观测井，观测静水位以检查降水效果，水位降至隧道底以下≮1.0m。降水井布置图如图1和图2所示：

(1)降水量计算

承压完整井公式：

承压井影响半径

管井的单井出水能力

q0＝120πrsl，

式中：q——出水量(m3/d)，

k——渗透系数(m/d)，

m——承压水层厚度(m)；

r0——降水井群所围面积等效圆半径，a为降水井群所围面积。降水井群取端头所布置的所有降水井。

s0——水位降深(m)，水位降深取8m。

m——承压含水层厚度(m)，根据详勘取最大3m。

r——降水影响半径(m)

sw——井水位降深；当井水位降深小于10m时，取sw＝10m，

rs——过滤器半径(m)；

l——过滤器长度(m)，取15m。

由上述公式计算得出：

其中k取65m/d，sw＝10。

降水井数量设置：n＝1.1*q/q0＝2008/3408＝0.7，取1。

考虑到刀盘两侧对称布置，因此施工中布置4口降水井满足降水需求。

2.1.2素桩加固

为保证刀盘周边土体稳固，在两侧采用咬合混凝土桩形成挡墙加固，利用旋挖机成孔，桩径800mm，咬合50mm，采用c15水下早强混凝土浇筑，刀盘侧上方素桩离刀盘50cm，两侧距刀盘50cm，刀盘两侧桩伸入隧道5m，旋挖机施工时采用跳孔钻进，先施工基数孔桩，待初凝后施工偶数孔桩。为确保桩体成孔精确度，钻机在就位时应重新测量、定位，成孔垂直度控制在0.5％以内。具体平面布置及剖面见图3和图4：

2.1.3注浆加固

(1)膨润土注入

利用土仓加水系统以及刀盘加水系统向土仓内注入优质膨润土，膨润土泥浆粘度控制在30-40pa·s，泥浆注入完成后，加压缓慢转动刀盘使泥浆均匀的与外部土地接触，形成泥膜，对刀盘周围形成保护。

(2)聚胺脂注入

为进一步提高盾尾止水效果，分别对盾尾后管片478环、477环加注水性聚胺脂，盾尾动水通道得到封闭，水性聚胺脂注浆压力控制在0.4mpa。聚胺脂注入24小时后，通过管片二次注浆孔检查注入。

(3)止水环箍

为防止地下水沿管片壁后串入开仓位置，因此对盾尾区域5环管片(473-477环)进行环箍注浆以封闭动水通道，保证开仓换刀安全。注浆方式采用水泥-水玻璃双液浆，水玻璃浓度为35be’，配合比为：水泥浆∶水玻璃溶液＝1∶1，实际施工中可根据注浆情况对水玻璃溶液作出调整。注浆顺序由拱底向拱顶注浆，全环注浆。注浆恒压控制在0.2mpa～0.3mpa，终压控制在0.4mpa。

(4)盾构机及刀盘保护

为避免注浆造成盾体被抱死、刀盘密封受损、同步注浆管堵塞等后果，在注浆之前应采取如下措施：

1)通过盾体径向注浆孔向盾壳周围注入膨润土泥浆，防止盾体被浆液抱死。泥浆采用膨润土∶水＝1∶3的比例拌制，注入量不小于6m³。注浆完成后应通过盾体径向孔检查注入质量。

2)在浆液储存罐内拌制膨润土泥浆，并通过同步注浆系统注入，防止盾尾被浆液抱死、同步注浆管路被浆液堵塞。

3)注浆过程中每10cm转动刀盘，通过刀盘密封系统注入一定量的hbw油脂，防止刀盘主轴承密封受损。

2.2刀具检查及换刀

经过实际查验刀盘在洞内的情况：刀盘在开挖直径方向磨损280-300mm；周边的耐磨条和大圆环均已全部磨损掉；保径刀2已全部损失，边缘刮刀4及其刀座已全部损失(个别剩余根部)；边滚刀1出现严重的偏磨现象，其中#33～#40滚刀已经脱落，刀箱靠外一侧仅剩余刀箱根部。

根据停留的状态，前方有混凝土连续墙、几环的非混凝土及洞门，尽可能的达到一次通过条件，拟按以下方案对刀盘进行修复：

(1)扩挖刀盘的开挖直径，以便于安装周边撕裂刀。

设计一种可伸缩的调节结构(由内外套组成，内套可以伸出约330mm，内套总成前端焊接撕裂刀)，计划在刀盘对称部位按轨迹排布2组。该伸缩调节结构在刀盘主梁间的空隙使用，将外套焊接固定在主梁外端部，安装已焊好的内套(含刀具)；该结构的伸缩调节功能是由底部的液压千斤顶(含自锁功能)来实现的，如图5所示为液压千斤顶的安装示意图。

刀盘扩挖调节结构制作完成后，进行刀盘直径方向扩挖。盾构机启动后，操作刀盘旋转一周、停止刀盘转动，起升千斤顶5mm-10mm/次、再启动刀盘旋转。循环往复，逐步扩挖直至开挖直径和断面成型。

(2)补充焊接撕裂刀。

因刀盘正面板和盾体切刀环圆弧过渡处的间隙已达300mm，此区域所有刀具均已损失，须按原边滚刀1轨迹布置20把焊接撕裂刀，以代替周边滚刀1实施剩余里程的开挖。同时，扩挖的两个伸缩结构调节到开挖直径后，将内外套焊接在一起，作为刀盘周边撕裂刀进行开挖。如图6和7所示，刀盘正面板和盾体切刀环圆弧过渡处的间隙(即刀盘与盾体间隙)见图6。

设计采用60mm钢板拼焊成六个半封闭箱形基体，该基体用于承载撕裂刀的焊接，且能在刀梁间隙处牢固焊接。每个基体上按轨迹布置2～3把撕裂刀3。该基体还有承接各主梁间连接的功能，提高刀盘外周因大圆环磨损而降低的结构强度。

注意：该基体上的撕裂刀需要提前焊接完成，与半封闭箱型基体整体进洞，安装在主梁间隙处。将干涉的格栅、环筋及废刀座等割除。

(3)补充滚刀及刀箱配置。

已知部分滚刀已磨损且脱落(或即将脱落)，若前方隧道存在未知的地质条件，则需要至少补充4把滚刀，根据实际情况，更换28-32#滚刀。

可采用加高垫块，调提升滚刀刀具的相对高度。

(4)因周边滚刀刀箱已磨损，刀盘周边开口已焊接了撕裂刀和扩挖的伸缩结构。将已磨损的周边滚刀拆除，留下滚刀刀箱孔作为后续开挖的漏渣口，便于渣土顺利到土仓，减少对周边撕裂刀的模式。

(5)确认维修部分内容已完成，向前推进。采取低扭矩低转速慢速掘进。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。