盾构隧道刀具更换技术综述

盾构穿越复杂水文地质地层时,常因刀盘刀具过量磨损而导致盾构被迫停机,这已成为困扰盾构施工的重要难题之一,进行刀具更换是目前解决这一难题,恢复盾构掘进的主要方法。然而,工程界尚未形成系统的盾构换刀技术体系。针对这一问题,在对已有技术研究理解和总结的基础上,阐述了盾构刀具更换技术的内涵和主要分类,并结合典型盾构工程换刀作业实例和笔者所在课题组的研究成果,对加固地层-常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统的分析和总结。最后介绍了日本最新的刀具更换技术,并对中国盾构隧道刀具更换技术进行了展望。结果表明：地层加固-常压换刀技术和带压换刀技术都是在常规刀盘设计条件下形成的,其关键都是保障开挖面地层的稳定性;差别在于,前者是使加固开挖面地层达到自稳后,在常压条件下实施的,而后者则是通过泥浆渗透成膜等辅助工艺提高开挖面地层的闭气性后,在气压支护条件下实施的;对于基于常压可更换刀盘设计的换刀技术来说,开挖面地层的稳定性不需要重点考虑,盾构机特殊的中空刀盘辐臂和常压可更换刀具设计才是该技术的关键。     

南京纬三路过江通道工程技术难点分析

结合南京纬三路过江通道工程特点和地质条件,分析长距离穿越高渗透、高水压的砂卵石复合地层所面临的开挖面稳定性控制、泥浆成膜、刀盘刀具磨损严重、带压换刀等工程难题,并针对这些难题提出需要开展的高渗透性地层中泥膜的形成、盾构带压开舱方案、泥膜形成机制、高压下泥膜的稳定性和气密性等关键科研课题,为高水压和特长水下隧道的建设提供借鉴。     

盾构法施工超高水压换刀技术研究

为适应水底隧道盾构法技术的大深度化施工需求,通过研究带压换刀装置、超高水压条件下常压进入刀盘轮幅的常压换刀装置、超高水压作业设备的配置、超高水压进舱换刀开挖面透气控制标准与降低开挖面透气性的措施、超高水压作业程序、超高水压换刀压缩气体压力确定及超高水压作业模式的确定等,以解决超高水压条件下刀具检查与更换的技术难题。得出饱和气体盾构进舱换刀的作业原理与饱和气体潜水作业基本相同,具有实施的可能性。     

盾构带压进舱开挖面稳定性分析及合理进舱换刀区间判断研究

为探究盾构隧道施工中带压进舱换刀作业的合理区段，分析带压进舱过程中开挖面的失稳规律，依托佛莞城际铁路狮子洋隧道工程，对隧道穿越不同地层进行开挖面稳定性计算分析，得到不同地层环境下的最高带压进舱埋深；提出选取适合盾构带压换刀作业断面的判别方法，并针对依托工程给出合理换刀位置选择的建议。研究得出： 1）针对狮子洋隧道工程圆砾土、强风化泥质砂岩及中风化泥质砂岩3种地层，围岩自身稳定性越强，进舱时所能承受的上覆土越高，开挖面变形越小，越适合进舱作业； 2）对于淤泥地层而言，由于自身流动性较强、稳定性差，不适合带压进舱作业; 3）对比实际施工进舱换刀作业时施加的支护力，楔形滑块模型计算方法所得最小支护压力偏大，数值计算方法所得结果偏小，但更接近实际极限情况; 4）结合现场带压进舱作业验证，本文提出的方法可以较为准确地判断隧道全区段带压进舱的可行性，可初步给出适合带压进舱工作的盾构隧道施工区间，为实际工程选择进舱作业位置给出建议。     

压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术

针对目前大直径盾构在水文地质条件复杂、江河湖海底部等不利环境下,排除盾构故障、清理障碍开舱方法的缺陷,提出盾构压气条件下饱和法开舱作业技术。先根据地质勘查报告了解本次盾构停机区域的地质情况,再在介绍饱和法开舱作业原理的基础上介绍掌子面压力计算、闭气泥膜的形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等。通过工程实际应用可以得出:饱和法开舱作业可成功处理施工中遇到无法采用常规方式进行的停机检查或刀具更换等作业的施工难题,提高盾构对复杂地层的适应性,并拓宽盾构的应用范畴。     

盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

为解决盾构穿越孤石群地层的难题,对花岗岩风化孤石的形成机制及盾构穿越孤石群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行研究,并分析传统孤石处理方法在孤石群地层中运用的局限性。主要结论如下:1)盾构穿越孤石群施工应系统考虑孤石预处理、掘进和开舱换刀方案;2)采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破破碎后能降低盾构掘进风险,并且盾构通过期间须严格控制掘进参数;3)采用压密注浆改良刀盘周边地层,盾尾止水和舱内制作泥膜措施辅助带压进舱,能提高开舱成功率,解决刀具更换的问题。     

泥水盾构带压开舱时泥浆配制及泥膜形成实验研究

在水下盾构隧道的建设中难免会出现盾构停机进行开舱检修的情况,带压开舱是目前水下隧道开舱常用的方法之一。然而,如何调整泥浆使其在开挖面上形成泥膜对开挖面稳定更有利,是工程界极为关注的问题。结合南京长江隧道工程在砾砂地层中的带压开舱作业,开展泥浆配制及成膜实验研究。提出先以低密度、低黏度的泥浆形成渗透带,再以较高密度、高黏度的泥浆形成泥皮型泥膜的2步调整的泥浆方案,并在现场带压开舱作业中进行了应用,形成了气密性良好的泥膜,保障了开挖面的稳定,对今后类似的泥水盾构开舱时的泥浆配制有重要参考意义。     

西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀技术

为了解决西安地铁土压平衡盾构在富水密实性砂层中带压换刀所面临的土舱不易保压、作业人员进出舱气压控制难和舱内换刀安全风险高等技术难题,对带压进舱换刀技术开展了研究,通过工程实践总结出如下操作要点:1)通过工作压力计算,采取掌子面封闭、保压试验等技术措施使土舱压力趋于稳定,保证土舱压力满足要求;2)人员进舱后以10 kPa/min速率进行加压,人员出舱前以10 kPa/min速率分4个阶段逐渐减压;3)舱内换刀应制定周密的施工计划,刀盘分3次转动完成刀具更换。结果表明,通过以上控制技术,可以满足西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀施工要求。     

基于硬化泥膜的填舱换刀技术研究

为了解决砂土地层盾构刀盘换刀作业面易涌水、涌砂进而导致作业面失稳坍塌问题,采用水泥砂浆和膨润土浆液组成的混合浆液在土舱压力作用下,通过刀盘开口向砂土地层渗透,经固化后在原有稳定泥膜的基础上形成新型混合泥膜,在利用风镐清除土舱内硬化混合浆液的同时,保留刀盘前段形成的混合泥膜,即可进行盾构刀盘换刀作业。通过在广州某地铁盾构施工项目中的应用,表明本施工技术能为砂土地层盾构换刀提供高效且安全的解决方案。     

大直径泥水盾构停机点地层加固措施及开挖舱密封技术探讨

保证地层稳定和舱内密封是盾构停机带压进舱作业的关键。通过对北京铁路地下直径线工程大直径泥水平衡盾构施工带压进舱换刀工程实例的研究,解决了城市中泥水平衡盾构停机换刀点的地层加固和刀盘舱内的气密性问题,希望对类似工程有借鉴作用。     

高水压大直径盾构隧道刀盘配置与刀具更换关键技术

为系统总结大直径水下盾构刀盘配置与刀具更换先进技术，结合典型的水下大直径盾构隧道施工案例，分析不同地层刀具切削机制，阐述不同高水压复杂地层大直径盾构刀具配置技术。针对江底高水压、强透水、不稳定等特点，介绍常压刀盘刀具更换和带压开舱技术等。最后，提出在建及拟建的大直径盾构隧道工程中需要深入研究及探索的技术难题。     

海底隧道盾构异常磨损开舱辅助工法应用分析——以厦门地铁过海区间隧道工程为例

由于海底隧道穿越复杂地层且承受高水头作用,盾构开舱的风险较一般陆域盾构隧道更高,选择一种安全、高效、经济的开舱辅助工法极其重要。依托厦门地铁3号线及2号线过海区间隧道工程实例,介绍冻结法、注浆加固结合衡盾泥护壁法在海底隧道盾构开舱中的应用;基于场区水文地质特性及既往应用效果,对2种工法的地层适应性和安全性进行比较;将开舱的工期及费用按照地层加固、刀具修复2个阶段进行划分,并分析其分布比例,建立单位修复耗时(耗资)与工作量之间的关系表达式。分析认为:1)对于海底砂质土地层而言,既有注浆工艺的质量可靠性不满足常压开舱的要求,当地层稳定性不佳且开舱时间较长时,建议借助衡盾泥泥膜进行带压作业;冻结法的地层适应性强,封水性好,在严密监控的条件下满足常压开舱要求。2)冻结法在地层加固及解冻阶段的工期和费用较高,达到注浆加固法的1.6倍以上,但是舱内常压动火作业的效率为带压工况的7.1倍,综合比较,当刀具修复工作量较大时冻结法更具优势。     

滚刀常压换刀技术研究

针对大直径高水压条件下盾构施工刀具更换难度高、风险大的问题,结合大直径盾构刀盘结构,通过开发滚刀常压换刀装置,实现在刀盘保压的情况下,常压更换部分滚刀,不但降低了带压条件下滚刀更换成本,而且降低了换刀风险。     

繁华城区富水砂卵石地层大直径泥水盾构隧道施工关键技术

以北京铁路地下直径线双线大直径泥水盾构隧道施工为背景,针对施工中的重难点,总结分析该盾构隧道的选型、进洞加固、掘进参数控制、泥水处理、进仓换刀等关键技术,主要有以下结果：1)对掘进参数及刀盘刀具配置进行了优化改造研究,确定了合理的施工参数及刀具配置方式,有效地减少了刀盘刀具磨损,降低了施工对周边环境的影响程度,确保了施工安全。2)多种方法的综合运用,对施工过程进行多方面多角度的沉降监测,及时进行反馈,确保了施工安全。3)较好地解决了砂卵石地层中带压换刀技术的气密性难题,最大限度减小了对周边环境和居民正常生活的干扰;复打空心桩替代常规竖井带压进仓技术,克服了带压进仓动火作业的风险。4)采用大合金块的刀具设置,增强了切刀及周边刮刀的抗冲击性和耐磨性;滚刀作为先行刀有效地松动了地层,减少了刀具的非正常损坏,确保掘进工作顺利进行。     

大直径盾构刀盘刀具选型及常压换刀技术研究

由于盾构在软土地层和岩石地层的刀具切削原理和配置形式不同,对于不同地质,尤其复合地质刀盘刀具的适应性配置与磨损刀具的安全更换一直是当前大型盾构施工中遇到的技术难题。针对武汉地铁8号线越江隧道工程及其特殊的水文地质,分析大直径泥水盾构在软土和硬岩复合地层中刀盘刀具的选型配置,创新采用复合刀盘设计理念,并开发应用常压条件下滚刀齿刀互换技术,最后针对不同地质条件给出了刀具配置方案。通过采取以上措施,延长了刀具使用寿命,提高了刀具更换效率,降低了施工风险,实现了在复杂地层隧道的顺利穿越。     

国内盾构开舱技术现状与风险管控

盾构在长距离掘进后,由于隧道地质的复杂性和工程的特殊性,不可避免地发生刀具磨损和刀盘损坏等现象,此时必须停机进行开舱检修,因此对盾构开舱技术以及刀盘、刀具的修复技术进行研究和总结至关重要。针对盾构开舱以及刀盘、刀具修复难题,通过实践经验对国内盾构开舱技术现状、开舱的目的和风险进行总结; 并以南京扬子江隧道饱和带压换刀作业和地铁盾构开舱为例,分别从两大盾构类型（泥水盾构和土压盾构）对常压开舱和带压开舱技术以及盾构开舱的辅助措施进行分析,详细介绍常压开舱和带压开舱的适用范围、开舱条件、工作原理、作业流程以及开舱的关键技术等。最后,分别以某地铁盾构隧道和南京扬子江隧道的动火修复作业为例,对常压和高压状态下的刀盘动火修复技术进行详细介绍。经过实践总结与分析可知： 1）目前国内关于盾构开舱高压下作业的培训及认证体系还不完善,专业队伍比较缺乏,安全生产许可证和业绩评定体系尚不够健全,带压换刀作业手册和管理尚不规范成熟,盾构动火作业的安全形势依然很严峻; 2）盾构开舱风险较大,因此应严格加强盾构开舱的风险防范,并应根据具体施工情况尽量做到主动开舱,避免被动开舱; 3）目前虽然已成功地在某些工程完成了盾构开舱及刀盘、刀具修复作业,但盾构开舱技术的相关管理体系亟需构建,新技术的开发异常紧迫,因此加强技术交流、加快新技术的研发是一项长期的工作。     

武汉轨道交通7号线三阳路越江隧道施工关键技术

为解决三阳路隧道在施工过程中掘进低效、刀具磨损、正面失稳、泥饼淤积等问题,提出新的关键技术:1)引进的盾构设备采用常压换刀技术,提高刀具的更换效率,同时,降低在高压条件下更换刀具的安全风险;2)针对刀具磨损、刀盘结泥饼等问题,研究提出刀具形式与配置优化、中心冲刷系统改制、化学除泥饼等技术方案。研究表明,通过采用上述关键技术,可以有效提高掘进效率,降低换刀频率,减少停机风险。武汉三阳路隧道建设所取得的技术成果,可为未来复合地层大直径盾构施工提供技术参考。     

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下： 1）目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究; 2）受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验; 3）离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。     

砂卵石地层盾构隧道刀具更换方案研究

砂卵石地层盾构隧道更换刀具技术始终是困扰工程的一大难题。通过对砂卵石地层盾构更换刀具时地层坍塌机理的研究,提出了采用AB液填充注浆的方式。工程实例表明,采用AB液新型注浆技术方案比较适合在该地层的换刀加固。     

厦门轨道交通2号线跨海段盾构滚刀磨损与更换预测

对盾构法施工跨海隧道,有效降低由于滚刀磨损所带来的作业风险并有计划地进行滚刀更换十分重要,针对厦门轨道交通2号线跨海段地质条件,基于理论预测模型和实验预测模型对几类岩石条件下滚刀的换刀距离进行了预测。通过分析刀具更换工法的适应性,提出对厦门轨道交通2号线跨海段换刀位置与换刀工法的建议： 1）淤泥段采用切削类刀具,换刀方式采用常压开舱换刀,换刀位置在1#联络通道附近; 2）全强风化低压段采用盘形滚刀,换刀方式以带压进舱换刀为主,在该掘进段需要换刀4次,其中第3次在大兔屿1#中间风井处更换,其余3次均在海底更换; 3）全强风化高压段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀4次,换刀方式以饱和气体带压进舱换刀为主; 4）中微风化硬岩段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀3次,换刀方式以减压限排换刀为主。