盾构隧道开舱及维护技术.docx

钱七虎 | 盾构隧道开舱及维护技术2016-02-17钱七虎（1.解放军理工大学国防工程学院,江苏 南京 210007;2.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室,江苏 南京 210007）摘 要：盾构在复杂多变地质条件下掘进时，经常会出现刀盘刀具异常磨损、碎石机损坏、刀盘结泥饼等故障现象，此时需要及时进舱检查，并对故障现象进行处理，盾构开舱及维护技术已经成为确保越江隧道及城市地铁隧道等工程顺 利施工的关键技术之一但由于在高水压、高渗透性及复杂地质条件下进行盾构开舱作业具有高难度性和高风险性，处 理不当往往会引起开挖面坍塌、地下水击穿等不良后果，更有甚者会造成人员伤亡或者整个隧道报废盾构开舱及维护 技术发展尚不成熟，本文从开舱检查、开舱维护方案制定及维护结果等方面，对南水北调中线穿黄隧道及南京长江纬七 路隧道施工过程中所分别使用的常压开舱及带压开舱维护技术进行了详细分析论述，并对两种开舱维护技术的优缺点及 使用条件进行了分析对比，以期为类似工程施工提供参考关键词：盾构；隧道施工；常压开舱；带压开舱；维护1 引言越江隧道一般都具有掘进距离长、地下水压大的特点，而且由于其穿越地层的地质条件及水文条件比较复杂，围岩 条件变化多端。

在这样复杂的施工环境条件下盾构经常会出现一些故障，像刀盘刀具异常磨损、碎石机故障等，这时需 要对盾构进行开舱检查、更换部件、严重时要进行较大范围的维修，如南京长江纬七路隧道［1］、南京长江纬三路隧道［2］、 西气东输穿越长江三江口隧道［3］、南水北调中线穿黄隧道［4］、广州狮子洋海底隧道［5］等工程施工过程中均进行了盾构开舱 同时，由于城市地下地质条件各异且复杂多变，国内在建的各种地下隧道工程也需要进行频繁的开舱检修作业，如成都 地铁 1 号线［6］、广州市珠江新城盾构隧道、广州市轨道交通三号线盾构隧道［7］等工程施工过程中，都由于各种不同的原因 出现了盾构掘进异常现象，而不得不停机进行开舱检查或检修设备盾构隧道开舱及维护技术已逐步成为越江隧道施工 的关键技术之一，且受到了越来越广泛的重视由于盾构隧道开舱具有极大的工程风险，且该技术尚处于初期发展阶段 我们有必要对以往的盾构隧道开舱案例进行总结分析2 国内外研究现状分析2.1 国内现状目前，国内土压、泥水平衡盾构施工过程中，进行刀盘刀具检查维修的方法主要分为三种：（1）从地面向下开挖竖井到刀盘前方，从而实现对盾构刀具的检查和维修；（2）对前方土体进行加固后，在常压情况下进舱检查；（3）带压进舱对刀具进行检查和维修。

国内各类典型工程盾构开舱维护作业情况，统计分析如下表1 所示表 1 国内典型盾构开舱作业情况对比Table1 Comparison of chamber-entering operations in China项目名称开舱原因停机处的地质情况采用方法盾构类型成都地铁1号线土压平衡盾构检查和更换刀具砂卵石地层，石英含量咼；其中漂 石较多、分布性强、粒径大、强度 高；地层含水丰富，气密性差注浆封堵，带压进舱广州市珠江新城泥水平衡盾检查和更换刀上软下硬地层，岩层完整性好、强注浆封堵，带压进盾构隧道构具度咼舱泥水平衡盾广州市轨道交通 构三号线盾构隧道 土压平衡盾构检查和更换刀具复合地层，以各种风化程度的粉砂 岩和砂砾岩为主；岩层强度高，易 造成刀头磨损；石英含量咼带压进舱南水北调中线穿 泥水平衡盾黄隧道 构刀具更换、枯树 和孤石处理、刀 盘粘附泥饼处 理粉质壤土渗透系数较小，强度较 高；其中夹有数层钙质结核层；不 排除较大卵石（直径15-20cm左右） 和树木的可能加固地层开舱换刀及常压进舱检查检查、更换刀粉细砂、砾砂和卵石混合地层，呈泥水平衡盾具；加固刀盘; 南京长江隧道松散、流塑状态，稳定性差；上软 以优质泥膜支护检查地层，排除F硬，石英含量高；工作水压高， 地层，带压进舱障碍物地层透水性强。

注：注浆封堵是指为了保证带压进舱时刀盘前方周围地层和土舱的气密性要求，利用盾构中体、前体上四周的润滑孔对盾构主机周围进行注浆封堵，同时，利用盾构上的加泥系统对开挖面进行注浆封堵2.2 国外现状在国外，带压换刀技术已被广泛应用于土压、泥水平衡盾构施工过程中，且多采用气压换刀同时，国外还出台了一系列盾构带压进舱作业标准，如澳大利亚国家标准、英国隧道工程协会标准，通过这些标准表明，国外目前最高能在0.6MPa 的空气压力下进行开舱作业国外各类典型工程盾构开舱维护作业情况如下表2 所示表 2 国外典型盾构开舱作业情况对比Table2 Comparison of chamber-entering operations overseas项目名称盾构类型开舱原因所处的地质情况带压工作压力波尔图地铁S线和C线盾构区间土压平衡盾构检查和更换刀具风化的花岗岩层和沉积岩层，花岗 岩的风化程度不同，状态的差异很 大；地下水位在隧道以上10cm~25 cm，水循环复杂0.15MPa 〜0.20MPa上新世泥岩；含有砂砾；粘土以及巴塞罗那地铁9号线土压平衡盾构检查和更换刀具大量水平分层的淤泥；地下水位极高0.05MPa 〜0.25MPa俄罗斯圣彼得堡红线地铁泥水平衡盾构检查和更换刀具松软低塑性的粘土、粉土、砂和带着块石的砾石；工作水压高0.55MPa德国Elbe4号隧道泥水平衡盾构河底最深处需要进舱更换中心刀进行修复砂、泥灰岩和漂石醉成的第四系冰债层，深水（水头最大达0.42MPa）0.40MPa 〜0.45MPa德国Weser隧道泥水平衡盾构破碎机和刀盘维护地层复杂，带沙的松弛砾石、粉土、块石和硬性砾岩；隧道在含水层以0.45MPa 〜0.5MPa上。

3 南水北调中线穿黄隧道盾构开舱实例分析3.1 工程概况穿黄隧道总长4250m,主要由3450m河隧道段与800m邙山斜洞构成，采用双洞布置，隧道间距28m，采用两台泥 水平衡盾构自北向南推进隧道的最大埋深35m，最小埋深23m，最高水压0.45MPa穿黄隧道为圆形断面，内径7.0m、 外径8.7m外层为管片结构，内层为现浇预应力钢筋混凝土整体结构，内外层由弹性防、排水垫层相隔隧道穿越地层 主要为冲积砂层、粉质壤土和砂砾石层、钙质结核层等砂砾石含量普遍较高，一般为30-50%，钙质结核粒径2-8cm， 最大可达15cm河床枯水期水位一般在100-102m，河床底高98-100m3.2 盾构参数配置及针对性设计3.2.1 刀盘刀具配置盾构刀盘刀具基本配置参数如下表3所示：表 3 盾构刀盘刀具配置参数Table3 Configuration and parameters of shield cutter-head and cutting tools细目部件名称参 数开挖直径9000mm （新滚刀：9030mm）类型中间支撑、闭式旋转接头1个，用于膨胀土、液压管、电气线路中心冲刷装置1 个，200m3/h开口率36%先行刀24把，与刮刀高度差为30mm齿刀6把，与刮刀高度差为30mm刮刀90把（多个钨质嵌刃）铲刀16把仿形刀1把，带软土刀具滚刀2把，双刃，17”刮刀磨损监测装置3个换刀方式背装3.2.2 针对性设计1）刀具：为更好适应砾石地质状况，设计了大尺寸耐用刮刀，同时配备先行刀具以降低对刮刀的直接磨损；（2）冲刷系统：为降低粘性地质条件下刀盘出现阻塞现象的风险，刀盘中心配置了冲刷系统；（3）磨损检测装置：为便于及时发现刀具的磨损状态，特装配了磨损检测装置；（4）格栅：根据泥水管路可以接受的碴土尺寸，来设计格栅的尺寸，以阻止大块渣土进入泥浆管路；（5）盾尾：设计了专用于高工作压力的密封系统，包括4 排钢丝刷和1道应急密封；（6）泥水循环系统：为降低在刀盘中间区域、开挖舱和吸浆管附近出现堵塞和物料堆积的风险，特对泥水循环系 统进行了优化设计。

3.3 开舱检查及结果分析盾构于2007年7月8日顺利始发，截止2008年9月2日推进849环1360m9月2日，驱动扭矩增大至6.5MNm, 掘进速度降到3mm/min（如下图1），盾构无法正常掘进同时从排出泥浆中发现滚刀刀圈、铲刀耐磨块、螺栓等部件, 经过分析，决定停机进舱检查图1 停机前盾构推进速度和刀盘扭矩的变化关系Fig.1 Relation between advance rate and cutter-head torque before stoppage3.3.1 带压进舱检查（1）将优质泥浆泵入开挖面，形成优质泥膜，保证开挖面稳定性；（2）检查设备运行状态，并进行人闸舱、气垫舱、工作舱保压试验，确保各舱的气密性良好、无泄流现象；（3） 利用气压置换泥浆，降低泥浆液位，气压保持在0.3MPa；（4） 3 名工作人员依次进入人闸舱、气垫舱、工作舱，最长可带压工作时间2.5 小时从 2008 年 9 月 18 日至 2009 年 9 月 25 日，共进舱检查17 次检查结果为：16 把边缘铲刀损坏严重； 24 把先行刀 全部损坏；部分滚刀刀圈及转轴损坏、楔形块掉落、刀箱损坏； 66 把刮刀未受严重损坏，仅部分刀具耐磨块掉落；刀盘 正面未遭破坏，部分刀具外缘钢结构损坏；卵砾石冲击引起刀刃硬质合金崩裂现象非常严重。

3.3.2 检查结果分析（ 1）通过对排放渣土的检查分析、带压进舱检查刀盘刀具，发现有滚刀刀圈、铲刀耐磨块、螺栓的部件随泥浆排 出，铲刀、滚刀、刮刀、先行刀及刀盘边缘均受到损坏初步判断，滚刀、边缘铲刀已有部分损坏，刀盘刀具磨损非常 严重，原因是刀盘刀具设计与地层不匹配2）刀盘刀具外边缘非正常磨损（崩裂）加剧，刀盘刀具切削能力显著下降，外边缘基本无切削能力通过对停 机位置地质进行补充勘察发现，盾构所处壤土层含有很多钙质结核和卵石，即钙质结核和卵石造成了刀盘刀具的非正常 磨损3）刀盘上安装了3 把正面标准刮刀，携带磨损检测预警装置，检测装置利用埋在刀体内部的导线，通过监测导 线磨损时的电流变化，在常压下即可确定刀具的磨损高度由于刮刀的布置均在刀盘面板正面半径外缘偏内，在正面刮 刀没有大量磨损的情况下，不能检测出刮刀外侧的磨损，因此检测装置未能起到预警作用；（4）由于海瑞克承诺盾构刀具的设计是完全满足长距离掘进要求，而无需短距离内更换刀具，这在一定程度上给 工程单位造成了误导，在掘进过程中没有及时对刀具磨损情况进行检查，最终导致刀盘刀具的严重磨损3.4 常压开舱维护3.4.1 常压开舱维护方案制定保障开挖面稳定的办法大致可分为两类：常压下预先加固围岩、气压支护带压进舱。

由于刀盘修复及改造需动火作 业，而目前在高压下动火作业非常危险且不易操作，因此带压进舱作业具有较大的风险性另一方面，盾构停机位置地 表为黄河滩地，较为开阔，其上方覆土深度约为29m，在加固允许的范围内，且没有地表水，具备预先加固的条件；地 面施工不会对周围的生活、生产造成影响综合考虑以上情况，决定采用常压预先加固围岩的方法来保障开挖面的稳定 （表 4）表 4 围岩加固方案对比Table4 Comparison of rock reinforcement plans方案优点缺。