复合地层超大直径泥水气压平衡盾构施工第四代常压换刀技术应用研究

复合地层超大直径泥水气压平衡盾构施工第四代常压换刀技术应用研究

王昊宇

（上海隧道工程有限公司，上海 200032）

摘要：为了提高超大直径盾构在长距离复杂地层掘进过程中刀具更换的安全性和经济性，本文结合武汉轨道交通7号线三阳路长江隧道工程，通过对第四代常压换刀技术在复合地层盾构施工中的应用研究，总结出刀具检查与更换可遵循的一般规律，并针对换刀工法提出风险应对与优化改进措施。

关键词：泥水气压平衡盾构；第四代常压换刀；复合地层；刀盘布置；换刀装置

0 引言

近年来，超大直径泥水气压平衡盾构已经广泛应用于世界各大、中型城市的隧道建设中。由于我国地域辽阔、地质条件复杂，单一的刀具设置形式已经不能满足盾构掘进所遇到的各种复杂土层的切削要求［1－2］；同时，随着穿越江河湖海的水底隧道单次盾构掘进里程不断加长、埋深和盾构直径不断加大，刀具的磨损速率和损坏程度相应大幅升高，各种刀具的更换施工必然成为一种常态［3－5］。传统的带压换刀工法由于工期长、风险大、成本高，已经不能满足经常性换刀的施工需求，而目前我国大多数的常压换刀技术，也仅局限于单一形式的刮刀或滚刀，施工工艺局限性大［6－8］。因此，针对复合地层尤其是对刀具磨损相对较大的砂卵石地层中盾构切削刀具常压更换工艺的研究显得十分必要［9－12］。

本文依托武汉市轨道交通7号线三阳路长江隧道工程实例，针对高水头复合地层的工程特性，基于超大直径盾构刀盘及刀具的设计特点，重点介绍了最新的第四代常压换刀技术在工程施工中的应用，结合实际效果总结并提出了优化改进方案。

1 工程概况

武汉市三阳路长江隧道工程规划定位为城市道路与轨道交通7号线共用的过江通道，是长江中游首条超大直径盾构法隧道，是国内首条公铁合建的超大型盾构法隧道，也是国内最大直径的盾构法隧道。过江通道分为左右2线，盾构段单线长度为2 590 m，分别由2台直径15．76 m的超大直径泥水气压平衡盾构同向掘进施工。切削断面达195 m2，每环掘进距离为2 m，周边刀每环切削线性距离约50 km。

盾构在高水头复合地层环境中掘进，切口中心最大覆土深度达到49 m。所处地层“上软下硬”，地质条件复杂，穿越土层如图1所示，主要有：〈3－2〉粉质黏土、〈4－2〉粉细砂、〈4－3〉中粗砂、〈15a－1〉强风化粉砂质泥岩、〈15b－1〉弱胶结砾岩、〈15a－2〉弱风化粉砂质泥岩。弱风化粉砂质泥岩单轴抗压强度为0．6～5．4MPa，平均为3．06 MPa；弱胶结砾岩单轴抗压强度为0．1～12．2 MPa，平均为6．15 MPa。盾构主要切削土层为中密－密实粉细砂层，局部下切强风化粉砂质泥岩、弱风化粉砂质泥岩以及弱胶结砾岩。切入基岩段总长约1 200m，切入基岩最大深度达12．6m，其中约500m长度范围内盾构1／2以上截面切入基岩（基岩占隧道断面最大为83%），640m长度范围内盾构1／3截面切入基岩。

图1 隧道地质纵剖面图
Fig.1 Geological profile of tunnel

由工程项目特点可知，该工程换刀次数多、水土压力高，如果采用常规的带压进舱换刀，则换刀风险大、周期长、成本高，无法满足工期要求。而相比于带压进舱换刀，常压换刀风险小、成本低、准备时间短、施工速度快、刀具形式选择灵活的优势非常明显，因此，该工程采用常压换刀技术显得尤为必要。

2 常压刀具更换

2．1 常压换刀原理与应用

常压换刀原理为在法兰罐内（一个与外界联通的独立区域，与刀盘泥水舱高压区域隔离）作业人员对高压区域的刀具进行更换。在正常掘进状态，刀具伸出刀盘面板切削土体，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转至刀盘中心正下方位置，通过配套的工装，将整个刀桶先抽离至闸板阀后面，然后关闭闸板阀，隔绝泥水舱高压区域，再将刀桶整个抽出，进行刀具检查更换。

第一代常压换刀技术在国内最早应用于南京长江隧道，后在南京地铁十号线过江段施工中通过对刀具取出、安装及刀头固定方式等进行优化改进形成第二代常压换刀技术。前两代常压换刀大多是针对切刀或刮刀更换，而第三代常压换刀技术则加入了适用于复合地层的滚刀更换。

相较于前三代常压换刀技术，第四代常压换刀技术可更换的刀具种类更加丰富，配备液压油缸系统插拔刀具，并设置了机械保护装置，提升了闸门密封性能，使得换刀操作更加安全便捷。第四代常压换刀技术最早应用于土耳其伊斯坦布尔博斯普鲁斯海峡海底隧道，武汉三阳路长江隧道则为该技术在国内的首次应用。

2．2 刀盘设计特点

2．2．1 刀盘刀具配置

刀盘直径为15．76 m，为设置可常压更换刀箱需要，开口率仅为29%。

刀盘及刀具的配置形式如图2和表1所示，刀盘6个刀臂上配置38个直径为43．13 cm（17英寸）的常压可更换刀桶（76把刀：羊角刀、贝壳刀、滚刀可互换），最外圈3个切削轨迹上配置3个直径为48．26 cm（19英寸）的刀桶，在刀盘开口边缘布置52个常压可更换软土刮刀刀桶以及160把可带压更换的固定刮刀和12组周边铲刀。

2．2．2 刀具磨损检测装置

为防止刀具磨损后继续磨穿刀座，在每个可更换刀箱正面设置刀具磨损检测装置，如图3所示。磨损检测装置由传感器销和液压管路组成。传感器销突出刀盘面板15 mm，正常工作时液压管路充入一定压力，当刀具磨损一定量后开始磨损传感器销，传感器销表层磨穿后则液体会向前泄漏，测量值换算器可识别到系统中的压力下降，从而发出一个报警信号，起到保护刀座和刀盘结构的作用。该磨损检测装置在常压换刀时可进行更换维修。

图2 常压可更换刀具布置
Fig.2 Layout of replaceable cutters under atmospheric pressure

2．2．3 刀盘冲洗系统

为防止在泥岩段掘进过程中刀盘和刀具结积泥饼，刀盘正面设置12路DN100冲洗管，6路中心冲洗管平行于刀盘面板向刀盘中心冲洗，6路径向冲洗管沿刀臂开口向周边冲洗。刀盘冲洗系统由独立的P0．1泵系统供水，最大总冲洗流量可达1 000 m3／h。2．2．4 伸缩驱动系统

盾构具备刀盘伸缩功能，配备24组伸缩油缸，并带有压力传感器，可实时监测刀盘中心挤压应力。伸缩油缸可由初始0位伸出至400 mm，在推进过程中设置伸出量为300 mm，换刀时回缩至250 mm，从而在开挖面可为换刀操作留出适当的作业空间。

2．3 常压换刀系统

基于常压换刀原理，刀桶作为整个闭合单元抽出，常压换刀系统包括刀桶结构、隔板闸阀装置、润滑及密封装置、拆装工具等。

表1 常压可更换刀具形式
Table 1 Mode of replaceable cutters under atmospheric pressure

刀具名称尺寸数量外观样式中心羊角刀刀桶直径43．13 cm（17英寸）12正面贝壳刀（可与43．13 cm（17英寸）滚刀互换）刀桶直径43．13 cm（17英寸）64周边滚刀刀桶直径48．26 cm（19英寸）3刮刀 刀宽200 mm 52

图3 刀具磨损检测装置
Fig.3 Detection device of wear of cutter

2．4 常压换刀工法

常压换刀操作步骤：1）测量掌子面压力，通过冲洗球阀以略大于掌子面压力的工业水不断冲洗刀箱结构腔体，防止渣土淤积；2）拆除磨损检测系统传感器线缆；3）安装伸缩油缸，拆除刀桶螺栓，收回刀桶至闸板阀后（阶段1，见图4（a）），关闭闸板阀；4）释放刀桶内压力，安装刀桶托架后，收回刀桶至即将脱离刀箱（阶段2，见图4（b））；5）拆除伸缩油缸，吊出刀桶（见图4（c）），进行刀具检查及更换。刀具更换完成后按照反顺序进行安装。

图4 刀桶插拔阶段位置示意图
Fig.4 Insertion and pulling of cutter barrel

3 刀具检查更换原则与换刀优化改进措施

3．1 刀具检查更换原则

本工程穿越土层主要为全断面砂性土地层以及由砂性土、弱胶结砾岩和强风化泥岩组成的上软下硬复合地层，在不同地层条件下，刀具的磨损速率和破坏程度也不同。

通常在砂性土地层中，配置以贝壳刀和刮刀为主的刀具形式，贝壳刀切削面高出刮刀切削面，在推进过程中，贝壳刀先于刮刀接触开挖面，是主要掘进切削工具。同时，由于刀盘直径大，周边刀具在相同刀盘转速的情况下线速度更大，周边刀每环推进的最大切削线距离达到50 km，远大于正面中心刀具切削线距离，因此，应优先考虑检查更换周边刀具。

在砂性土、弱胶结砾岩和强风化泥岩组成的上软下硬复合地层中，刀具配置中应加入双刃滚刀作为破岩切削刀具。由于滚刀耐磨程度远低于贝壳刀，且在强度相对较弱的砂性土及泥岩中无法达到双刃滚刀启动扭矩，易造成偏磨现象，因此，在复合地层刀具检查时，应重点检查滚刀偏磨情况。

在掘进施工过程中，刀具磨损会造成施工参数指标逐渐下降，往往刀盘扭矩会产生大幅升高，而推进速度大幅降低。图5示出盾构掘进参数变化曲线。由图可知，在复合地层中每次换刀完成（掘进参数指标恢复正常范围）后掘进30环左右时，刀具即发生磨损，随着扭矩的逐渐升高，推进速度明显下降。所以，刀盘扭矩和推进速度的变化是刀具磨损的重要指标信号。

图5 盾构掘进参数变化曲线
Fig.5 Variation curves of shield boring parameters

通常情况下，总推力和刀盘挤压力应随着盾构覆土深度和入岩面积的增大而逐渐缓慢升高。在连续几环土层和覆土埋深变化不大的情况下，如果出现总推力的突然升高，应考虑周边保证开挖直径的刀具产生磨损的可能，可优先对周边刀具进行检查；如果中心挤压应力大幅上升，结合刀盘面板温度急剧上升，则应考虑正面刀具或刀盘中心面板结积泥饼的可能性，优先对中心刀具进行检查。

为提高掘进效率，刀具的磨损消耗应尽可能集中在常压可更换刀具上，因此，常压可更换刀具的切削面应高于只能采取进舱带压更换的固定刀具。按本工程施工经验，刀盘正面常压可更换刀具与带压更换刀具的高度差为40 mm，在刀盘边缘弧形区域该高度差为15～25 mm，因此，刀盘正面常压可更换刀具磨损量达到25 mm，刀盘边缘圆弧面区域的刀具磨损量达到10～15 mm，即考虑进行刀具更换。如未达到此磨损量且不存在明显的偏磨和崩齿现象，可清理保养后装回继续使用，提高使用效率，降低经济成本。

3．2 刀具更换风险应对与优化改进措施

在常压换刀过程中，可能遇到如刀桶卡死、密封圈损坏、刀桶无法安装到位等问题，根据三阳路长江隧道的施工经验，刀具更换时需注意以下问题。

1）准备停机换刀前，需利用刀盘伸缩驱动前后移动刀盘面板，同时开启泥水大循环，尽可能将掘进过程中淤积在开挖舱底部的渣土带出。清舱完成后需将刀盘与切削面之间留出10 cm的距离，方便刀桶插拔操作。

2）如遇刀桶卡住，液压油缸在常用压力下无法继续将刀桶拔出或插入时，可在允许范围内适当增加液动油压；可适当收缩刀盘，在此基础上，拧紧螺栓，拆除工装，将刀盘在左右30°范围内摆动数次，改善开挖舱底部淤积情况；可在刀桶固定的基础上，将刀盘转动一定角度，将换刀工作由刀盘正下方移至左下或右下位置进行，避开底部淤积区。如果刀桶装回时始终相差几cm无法到位，可以用磨光机打磨刀桶前部，形成45°倒角，防止插回时砂石进入刀桶与刀箱缝隙，卡住刀桶导致无法安装到位。

3）如遇闸门无法正常关闭时，应反复对闸门处进行冲洗清理，直到确认闸门已经关紧。若遇卵、砾石较多，简单冲洗无法清理时，可将刀箱重新插入，进行清舱操作后，再继续换刀工作。

4）在抽刀过程中遇到液压油管破损、爆裂时，应立即关闭油缸处球阀，更换液压油管；若无球阀，则应采取紧急固定措施，避免由泄压引起的刀箱回退。

5）插拔刀桶过程中，如果刀箱和刀桶同心度不佳，容易造成密封圈脱出卡槽、挤坏密封圈，导致刀桶无法插拔到位。此种情况应更换密封圈，并增加刀箱与刀桶间隙处的润滑油注入量。

4 结论与讨论

第四代常压换刀技术适用于超大直径盾构在复杂地层中掘进时对不同形式刀具频繁检查更换的需求。区别于前三代常压换刀技术，第四代换刀技术优化了中心换刀法兰罐和可更换刀桶的设计，操作更为安全简便，实现了刀具配置的灵活多变；但同时，中心换刀法兰罐和大量可更换刀桶的设置，必然需要占据较大的刀盘空间，降低了刀盘开口率，尤其是中心部位开口率不足容易造成切削的渣土不能及时进入泥水开挖舱而积结于刀盘中心面板形成泥饼，泥饼又反过来造成刀具的多次反复磨损和刀盘面板温度升高，从而损坏刀盘和刀桶密封。此外，中心换刀法兰罐空间十分有限，仅能设置1组垂直电动葫芦用于刀桶和换刀工装的吊运，不能实现多换刀点同时操作。因此，如何最大限度地拓展常压换刀工作空间，且保证足够的刀盘开口率，是今后常压换刀技术需进一步研究的重要课题。

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Research on 4th Generation Cutter Rep lacing Technology under Atmospheric Pressure for Ultra large Diameter Air slurry Balance Shield Boring in Com p lex Strata

WANG Haoyu
（Shanghai Tunnel Engineering Co．，Ltd．，Shanghai200032，China）

Abstract：In order to improve the safety and economical benefit of cutter replacement of ultra large diameter air slurry balance shied boring in complex strata，the application of the 4th generation cutter replacing technology of shield used in Yangtze River crossing Tunnel on Sanyang Road in Wuhan is studied；common rules for cutter inspection and replacement are summarized；and improvingmethods risk controlmethods for cutter replacement are proposed．

Keywords：air slurry balance shield；the 4th generation cutter replacementunder atmospheric pressure；complex strata；layout of cutterhead；cutter replacing device

DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．024

中图分类号：U 455．3

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2017）S1－0143－06

收稿日期：2017－02－27；

修回日期：2017－03－30

作者简介：王昊宇（1984—），男，河南洛阳人，2006年毕业于东华大学，电气工程及其自动化专业，本科，工程师，主要从事城市轨道交通与越江隧道工程管理工作。E mail：[e-mail]。