大直径泥水盾构常压刀盘应用与管理技术

勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越目 录一、引言一、引言二、常压刀盘概况二、常压刀盘概况三、常压换刀三、常压换刀四、常压换刀应用与管理四、常压换刀应用与管理五、五、问题及应对措施问题及应对措施六、结语六、结语勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越第一代国内最早应用仅适用于切刀及刮刀更换。第二代在第一代基础上对刀具取出、安装及刀头固定等设计方面进行了改进。第三代在前两代的基础上，实现了滚刀更换。第四代完善了液压油缸系统插拔油缸、机械保护等工装配置；增加了多道密封等防护措施，使换刀作业更加的便捷、安全。01020304发展历程近年来，大直径盾构已广泛应用于我国各大、中型城市的隧道建设中，为应对复杂地层和复杂工况下的施工要求，常压刀盘的应用也越来越多，其研发、应用与管理技术也趋于成熟。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越由中铁隧道局集团承建的佛莞城际FGZH-3标位于广州市番禺区石楼镇及东莞市麻涌镇内。线路始于番禺区茭塘东村，下穿珠江狮子洋后至东岸新沙港码头，沿西部干道前行，在中纺粮油公司前线路向南偏离西部干道，过中纺粮油公司后出地面，至本标段设计终点。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越佛莞城际FGZH-3标盾构隧道长4900m，由一台盾构独头掘进；隧道最大埋深64m，最大水深17m（所要承受的最大压力近10bar）；区间地层主要为软硬不均地层、全断面硬岩地层及破碎带复合地层；地层之间相互交错，且地层石英含量达70%80%；在过江段存在三段总长424m破碎带，地层透水性强、水压高，且地表环境主要为狮子洋江面及运输干道。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越综合线路、水文、地质等情况，考虑普通刀盘可能要面对频繁的高压进仓换刀作业，其风险大、成本高、耗时长；而采用常压换刀刀盘可以实现全地层中的刀具检查更换，刀具配置方案也可以满足地层掘进需要，且刀具检查和更换便捷、风险可控、成本较低，方案最为经济合理。8常压刀盘普通刀盘勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越项目采用的具备常压换刀刀盘的大直径气垫式泥水平衡盾构机，开挖直径13.61m；整机长137m，主机长度14.4m（含刀盘）；主机重量约2500T，整机重量约3500T；主驱动总功率4900Kw，整机总功率10220KW；最大掘进速度40mm/min；最大推力约22432t，主驱动额定扭矩23289KN.m，脱困扭矩37262KN.m；最大进/排浆流量为3000m/h，采用DN500mm泥浆管路。盾构机构造图整机长度整机长度137m137m主驱动总功率主驱动总功率4900kw4900kw最大掘进速度最大掘进速度40mm/min40mm/min刀盘重量刀盘重量430T430T勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越盾构机构造图中心中心滚刀刀边滚刀刀正正滚刀刀刮刀刮刀边刮刀刮刀刀盘参数一览表刀盘参数一览表项目名称项目名称单位单位参参 数数备备 注注开挖直径开挖直径m m13.6113.61开口率开口率31%31%重量重量t t约约430430t t常压可更换中心滚刀数常压可更换中心滚刀数量量/直径直径/刀高刀高把把/6 6把双刃滚刀把双刃滚刀/19/19撕撕裂刀互换裂刀互换/225/2251#1#12#12#常压可更换正滚刀数量常压可更换正滚刀数量/直径直径/刀高刀高把把/2323把双刃滚刀把双刃滚刀/19/19撕撕裂刀互换裂刀互换/225/22513#-58#13#-58#常压可更换边滚刀数量常压可更换边滚刀数量/直径直径/刀高刀高把把/6 6把双刃滚刀把双刃滚刀/19/19撕撕裂刀互换裂刀互换/225/22559#-68#59#-68#常压可更换边刮刀数量常压可更换边刮刀数量/刀高刀高把把4848把把/185/185刮刀数量刮刀数量把把144144把刮刀把刮刀边刮刀数量边刮刀数量把把1212把边刮刀把边刮刀正滚刀刀间距正滚刀刀间距mmmm100100边滚刀刀间距边滚刀刀间距mmmm120120滚刀液压磨损监测滚刀液压磨损监测个个3535个液压式磨损探个液压式磨损探测装置测装置刀盘周边液压磨损监测刀盘周边液压磨损监测个个1 1刀盘背部液压磨损监测刀盘背部液压磨损监测个个2 2刀盘冲刷口刀盘冲刷口路路2121中心中心6 6路刀臂面路刀臂面板板3 3路刀臂间横路刀臂间横向向6 6路刀臂间中路刀臂间中心向外心向外6 6路路勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越刀盘直径为13.61米，配置可常压更换刀箱需要，开口率仅为31%；配置刀具以滚刀（撕裂刀互换）和刮刀为主；配备了伸缩摆动球轴承，且具备伸缩功能（可回缩量为400mm，最大扩挖量25mm）;刀盘正面和背面钢结构、滚刀、刮刀、及相关的刀箱、刀座均配置了耐磨材料；在沿刀盘主臂上配置磨损检测条以监测刀盘结构磨损情况；滚刀DCRM监测（旋转情况、刀温等）。在面板、主臂、卸渣槽位置共布置21个冲刷孔（其中刀盘正面有9路，6路平行，6路径向，最大冲洗流量达1100m3/h）；同时在每把滚刀刀箱上也都布置有冲刷点刀盘刀具配置防磨损设计刀盘冲刷勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越滚刀刀筒初始状态刮刀刀筒初始状态正常掘进状态，刀具伸出刀盘面板切削岩石和土体，当需要检查刀具磨损或换刀时，作业人员首先将待更换刀具所在刀臂旋转至刀盘中心正下方位置，通过配套的工装，将整个刀筒从刀箱内拉出约2/3，后关闭闸门，隔绝泥水仓，再将刀筒整个抽出，实现刀具常压下检查更换。刀筒作为整个闭合单元抽出，常压换刀系统包括刀筒、闸门装置、拆装工装、吊运工具等。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越施工人员不用进入泥水仓内，在常压大气状态下即可实现刀具更换，降低了施工安全风险；安全性高成本低效率高影响小特点一特点四特点二特点三每次换刀无需制备高粘度泥浆，不用增加其他辅助设备，同常规带压进仓及饱和气体进仓相比，施工成本最为低廉。平均更换一把刀只需3h，相比带压进仓、饱和气体进仓等，无需进行加减压作业，在换刀效率方面提高了24倍。无需对地层进行加固，不会对地面交通及周围环境造成影响，减少对外沟通压力。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越换刀换刀工装工装刮刀刀筒构造换刀工具滚刀刀筒构造刀筒底部支撑；底部支撑螺栓；刀筒夹；伸缩油缸；伸缩油缸的油缸夹；液压阀块（一个为伸缩油缸的/一个为可更换刀箱闸门的）；带压力表的三通；伸缩油缸尾夹；刀盘上伸缩油缸托架。含有2个叉脚的闸门油缸；伸缩油缸；摆钟型套筒；液压阀块。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越传感器拆除伸缩油缸安装油缸与刀筒连接刀筒螺栓拆除刀筒回缩安装刀筒夹及底部支撑刀箱闸门关闭刀筒再次回缩移出刀筒勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越刀具安装压块放置刀具上螺栓风动扳手紧固拧紧力矩测量制动环及制动块焊接加固传感器安装端盖安放油管连接油管试压刀筒螺栓紧固勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越刀筒吊运到位刀筒缓慢推进伸缩油缸安装刀筒注水加压打开刀箱闸门刀筒逐步顶进刀筒插入到位螺栓紧固传感器安装勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越拆卸刀筒盖伸缩油缸装入刀筒摆钟型套筒安装刀筒缩回、拆除勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越刀头更换刀筒及摆钟型套筒准备刀筒冲压、闸门打开、插入刀筒刀筒及摆钟型套筒插入刀箱勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越释放压力、刀桶托架安装、抽刀伸缩油缸拆除、吊刀、检修更换专人指挥、统一协调，步步签认仓内循环、刀箱及结构腔体冲洗磨损监测装置及线路拆除油缸顶伸、螺栓拆除、闸板控制安装为拆除的逆操作，主要区别为拆刀时泄压，而装刀时为加水冲压，其他操作基本相同。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越一、掘进参数管理以刀盘挤压力和扭矩波动控制作为基准参数，确保整体参数的相互匹配，做到有效掘进。同时建立参数报警制度，严格落实执行。二、泥水仓管理合理分配冲刷流量分配，注重刀盘中心及面板冲刷，泥水仓底部冲刷。三、刀具管理密切关注滚刀监测系统，根据地层进行刀具磨损分析，预判刀具检查更换时间。同时做好滚刀装配和安装。四、检测分析以渣样分析、泥浆性能检测、颗粒分析等管理为有效手段，指导掘进施工。五、管路维护专职人员和班组定期对冲刷管路、泥浆管路壁厚进行检测、分析、保养，未雨绸缪，提前处理，提高设备利用率。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越1）盾构主司机严格执行掘进参数报警制度，掘进参数的合理性是通过不同地层段来 设定，而非一成不变，通过掘进不断优化如刀盘转速、刀盘挤压力、刀盘扭矩、推力、泥水压力、中心冲刷、泥水仓和气垫仓底部冲刷等参数，做到有效掘进，提高掘进效率；2）盾构主司机还要做好“盾构主司机开机准备检查”和“刀盘刀具及冲刷口检查”，开机前的注意事项，以及对刀盘液压磨损、刀具液压磨损监测检查及冲刷口开启及堵塞检查等；勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越3）滚刀旋转监测：盾构主司机严格“滚刀旋转监测系统报警”，通过实时滚刀旋转监测系统，主司机时刻关注滚刀旋转次数和温度，如有问题做到排除故障才可掘进；不可蛮干。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越4）滚刀旋转监测：盾构主司机严格“滚刀旋转监测系统报警”，如出现滚刀旋转监测系统完好，而旋转或温度异常，必须停止掘进抽刀检查，这是因为刀盘特殊性，刀间距及地层需要。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越 1)滚刀磨损值计算指导检查换刀 通过各刀刃旋转半径等参数，结合各地层段的磨损系数，推算出滚刀的磨损值，通过磨损值可以计算出各刀刃磨损速率，主要有两个参数（单位毫米掘进米数m/mm和单位毫米掘进渣土方量m/mm）勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越2）自掘进参数的变化（扭矩、挤压力、推进速度结合判断）刀具磨损情况。4514544574604634664694724754784814844874904934964995025055085115145175205235265295325355385415445475500100020003000400050006000700080009000速度推力扭矩转速总挤压力（KN）10勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越3）对特殊刀位滚刀的关注因常压刀盘特殊刀位有刀具磨损过快情况，具体原因有可能是因为常压刀盘中心部位无开口，造成滚刀的二次磨损或撞击；有可能是刀盘刀具设计原因，刀盘偏心距过大；有可能是局部为冲刷所限，造成二次磨损等原因。比如：15/16、17/18、19/20、61/62刀位。4）滚刀温度变化根据此前的经验总结，滚刀旋转监测系统同时在监测滚刀旋转和近似刀面的温度，经过总结，在全断面硬岩地层，滚刀磨损增加，破岩能力降低，监测温度会普遍升高。5）刀具装配和安装质量要求通过对刀具进场检查、刀具维修质量、安装的卡控，保证刀具本身质量。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越常压刀盘面板、周边及背部设计有液压磨损检测装置，每把滚刀刀筒设计有液压磨损检测装置，也是刀盘磨损的最后一道防线。但是为了确保常压刀盘的安全使用，刀盘壁厚检查必不可少（超声波测厚仪）。面板和周边检查背部检查勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越常压换刀刀盘在前舱（泥水仓）隔板顶部和侧部安装了摄像头，通过摄像头可直观反映刀盘周边及背部部分磨损情况，刀臂间卸渣槽情况勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越常压换刀刀盘盾构配备了完备的带压舱（双仓设计），同时预留饱和气体进仓接口，在有条件的情况下可以压力平衡带压进仓和减压限排带压进仓情况下进行针对性的刀盘刀具检查勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越问题描述：刀具在拆卸过程中，刀箱闸门关闭不严漏浆；解决措施：反复对闸门处清洗，若遇渣土卡住可重新插入刀筒，多次仓内循环，再进行换刀工作。漏浆漏浆卡刀卡刀精度精度问题描述：刀具在刀箱内卡住，无法将刀筒拔出。解决措施：在适当增加油缸压力；手动收缩刀盘将，同时原刀装回，拆除工装，转动刀盘，改善开挖舱底部渣土。问题描述：部分滚刀安装时刀筒无法顶伸到位解决措施：采取措施为抽出刀筒，缩回刀盘，同时加强仓内循环，减少积渣。勇于跨越勇于跨越 追求卓越追求卓越问题描述：刀筒集渣，造成刀具二次磨损和监测传感器线路磨损、断线，误报刀具信息等现象。应对措施：增加刀筒冲刷；并将传