盾构机刀盘开裂后的洞内修复加强技术.pdf

・设备／仪器・盾构机刀盘开裂后的洞内修复加强技术胡俊楠（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司广东深圳５１８１０１）摘要刀盘是盾构机的重要组成部件，它是盾构的掘削机构，在不同的地层中，刀盘的受力载荷复杂多变，加之刀盘配置和掘进参数的不尽合理，就会导致刀盘的结构发生变化，出现开裂。结合工程实例，介绍了刀盘开裂后洞内修复加强的技术。关键词盾构刀盘开裂修复加强中图分类号Ｕ４５５．４３；７Ｉ＇Ｈ１７文献标识码Ｂ———文章编号１００９４５３９（２０１４）０１０１０３０５ＲｅｐａｉｒｉｎｇａｎｄＳｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｔｈｅＣｒａｃｋｅｄＣｕｔｔｅｒｈｅａｄｏｎＳＫｅｌｄＭａｃｈｉｎｅｉｎｔｈｅＴｕｎｎｅｌＨＵＪｕｎｎａｎ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１５山ＢｕｍａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８１０１，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｕｔｔｅｒｈｅａｄｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ．Ｉｔｉｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘａｎｄｃｈａｎｇｅａｂｌｅｓｔｒｅｓｓｌｏａｄｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ，ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎｔｏｔｈｅｕｎｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｔｕｍ，ｏｆｔｅｎｃａｕｓｅｓｃｈａｎｇｅｓｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄａｎｄｃｒａｃｋｓｔｏｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｒｅｐａｉｒｉｎｇａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｔｅｃｈｎｄｏｇｙｉｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｂａｓｅｄｏｎａｐｒｏｊｅｃｔ—ｅｘａ／ｎｐｉｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃｕｔｔｅｒｈｅａｄｏｆｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅ；ｃｒａｃｋｓ；ｒｅｐａｉｒｉｎｇａｎｄｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ。，。一最重要的部件之一，它的选型和使用也是盾构隧道。“９工程的重要课题。而盾构在地下开挖中常常会遇盾构机在如今地铁和穿越江河湖海的隧道施到各种不同的地层，从淤泥、黏土、砂砾到岩石等，工中被广泛应用，施工时在盾构前端切口环的掩护刀盘的受力载荷复杂多变，加之刀盘配置和掘进参下靠刀盘掘削、开挖土体，在盾尾的掩护下拼装衬数的不尽合理雎］，就会导致刀盘的结构发生变化，砌（管片或砌块）。在挖去盾构前面土体后，用盾构出现开裂，最后影响到施工生产，甚至工程成败。千斤顶顶住拼装好的衬砌，将盾构推进到挖去土体在此情况下需要对刀盘进行有效评估论证，在修复空间内，在盾构推进距离达到一环衬砌宽度后，缩加强可行的情况下，对开裂刀盘进行维修。下面通回盾构千斤顶活塞杆，然后进行衬砌拼装，再将开过工程实例，介绍一种盾构刀盘洞内修复加强的挖面挖至新的进程，如此循环交替，逐步延伸而建技术。成隧道，这样的隧道掘进施工方法，被称之为盾构法。盾构由盾体、刀盘、刀盘驱动、气闸、管片拼装２工程概况机、排土机构、后配套装置、电气系统、液压系统和南京至高淳城际快速轨道南京南站至禄口机…辅助设备组成。场段工程７ＦＡ０４标合同段４＃盾构井～胜太路站区由此可见，盾构刀盘首当其冲地成为了盾构机间，盾构法隧道左线里程为ＺＤＫ３１＋１５５．９２８～—收稿日期：２０１３～１１０７ＺＤＫ３２＋６４９．３３３，左线全长１４９３．４０５，计１２４３环；铁道建簏技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆｆＪ１０３万方数据・设备／仪器・右线里程为ＹＤＫ３１＋１５５．９２８～ＹＤＫ３２＋６４２．７０９．右线全长１４８６．７８１ｍ，计１２３７环。区间隧道纵坡为上坡，左右线最大坡度均为２７．４４３％。，隧道拱顶—覆土在１１．５２５．６ｍ之间。隧道前段地层主要为中风化、强风化粉细砂岩；后段有２００ｉｎ左右上软下硬地层，上部为含砾粉质黏土和粉质黏土，下部为中风化粉细砂岩，地质整体情况较好。本区间采用２台某公司制造的土压平衡式盾构机，刀盘设计为复合型刀盘。然而在长距离的风化岩掘进中，两台盾构的刀盘在支撑扭腿与大辐条交接处均出现了长短不同的裂缝，虽然进行过几次焊接修补，但在随后的掘进中同样的地方还是出现了裂纹，可见简单的修补已无法满足施工生产了。为了应对后期的上软下硬地层，必须采取刀盘加强措施。３刀盘结构及开裂分析３．１刀盘结构本刀盘结构为半弧拱辐条面板式＋中间支撑的形式，便于刀具的布置及受力，结构坚固、强度高、刚性大、耐磨程度高，且具有较大的刀盘开口率４０％，既能适应黏性土地层中土压平衡掘进时大扭矩切削排土要求工况，又能适应在岩石地层较大单轴抗压强度和受力不均匀复合地层的大推力工况。刀盘主体结构由面板、侧板、筋板、外缘板、后盖板、滚刀座、耐磨合金条和支撑梁焊接而成，整体性强，采用高张力钢。面板所用的钢板厚度为４０ｍｍ、辐条侧板８０ｍｍ、筋板为４０ｍｍ、外缘板为７０ｍｍ钢板卷制，辐条为箱形结构，辐条与面板之间用厚度为８０ｍｍ的弧形钢板相连，大大增强了刀盘的刚度；支撑旋转臂６个，采用５０～７０ｍｍ的钢板焊接为箱形结构，其上与主轴承相连的联接法兰厚达１７５ｍｉｌｌ。见图１。１０４＿丁｝§丝Ｑ』．蛸图１刀盘结构及配置根据本工程的地质情况，刀具的布置及结构主要考虑到在各种风化岩石层及复合土层中的掘进，能使各种刀具充分发挥各自的切削功能。刀盘配置采用了全滚刀布置，同时保留出厂时的切削刀、刮刀、先行刀、周边刮刀。在刀盘的中心区域安装了１７英寸加强型双刃滚刀４把、其余区域全部配置１７英寸双刃滚刀１７把，共４２个刀刃，滚刀高于刀盘１４０ｍｍ，在中心区域滚刀刀间距为９８ｍｍ，在中间区域滚刀间距为８４～８６ｍｍ，外周区域滚刀的刀间距在４７～８８ｍｍ之间。主切削刀配置８８把，刀盘周边刮刀配置３０把，通过这样的配置可以大大减轻刀具及面板的磨损，并且能有效的保证开挖直径。５７把先行刀，先行刀高于面板１００ｍｍ，比主切削刀（８０ｍｍ）高２０ｍｉＴｔ，切削时，先对开挖面进行切削，以减轻对主切削刀及面板的磨损。３．２刀盘开裂介绍在全断面风化岩掘进中，我们选择了敞开掘进模式，推力控制在７１８６ｋＮ以内，推进速度在１５～３０ｍｍ／ｍｉｎ，刀盘转速为１．０ｒ／ｍｉｎ，扭矩控制在２４００ｋＮ・ｍ（额定为６０００ｋＮ・ｍ）以内。下面以右线盾构为例，来介绍刀盘开裂情况。在右线掘进至６１７环时，发现刀盘支撑扭腿与大辐条交接处有６处开裂，长度在２～１０ｏｍ不等，其中开裂最长一处为１０ｃｍ（如图２ａ），裂缝错位约为２ｍｍ，且为贯穿性裂纹（如图２ｂ）。ａ长裂缝ｂ．贯穿裂纹图２右线刀盘首次开裂发现情况，我们马上联系了厂家，厂方代表及维修人员到达现场进行修复。维修人员对刀盘开裂位置进行探伤检测，并按照标准工艺进行了裂缝刨除、打磨、焊接等修复工作，如图３。然而右线掘进至７１０环时，开仓检查发现又存有２处裂纹，且均为厂方修补的最大裂缝位置。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４门Ｊ万方数据・设备／仪器・图３右线刀盘第一次修复右线刀盘掘进到１０００环时前后共修复４次，开裂均出现在刀盘支撑扭腿与大辐条交接处的辐条两侧，且都是焊缝裂开，随后辐条侧板两边拉裂，最后向内部延伸。３．３刀盘开裂原因分析本标段前１０００环都是全断面的中风化和强风化粉细砂岩，在敞开模式下掘进，推力和扭矩都不大，修复后，又及时做了参数调整，严格控制了贯人度和推力，但刀盘裂纹依旧出现，种种迹象表明刀盘设计强度对长距离掘进岩石层强度偏弱。在与厂方沟通后，厂方给我们提供了刀盘有限元应力分析云图。盾构设计阶段的设定，以装备推力＆扭矩作为基础，在本工程工况下：（１）解析条件①刀盘前面土压计算取值：０．１ＭＰａ刀盘前面土压换算的均布载荷（合计）＝２０３８ｋＮ②滚刀承受的集中载荷（合计）双刃滚刀：２４５．２ｋＮ／个（装备１７个）中心滚刀：１２２．６ｋＮ／个（装备８个）滚刀集中载荷合计＝５１４８ｋＮ③滚刀切向载荷扭矩采用盾构机的最大允许负载值，实际运行时，这样的负载条件即使出现，也应该是瞬间负载。因此材料的许用应力按照Ｑ３４５的屈服极限２９５Ｎ／ｍｍ２进行验算。（３）解析结果：最大应力确定为在Ｎｏ．２扭腿外根部产生，值为２０１．２Ｎ／ｍｍ２，与Ｑ３４５的许用应力取值２９５Ｎ／ｒａｍ２差值较大，有相当强度裕量。同时我们邀请中铁重工帮我们建立模型进行刀盘受力有限元分析，在相同的设定条件下最大应力也出现在Ｎｏ．２扭腿外根部，值为２９９．６Ｎ／ｍｍ２，略超过刀盘母材Ｑ３４５Ｂ的允许应力值２９５Ｎ／ｍｍ２。拿厂方的应力云图与刀盘开裂分布图作对比，如图４和图５，不难发现：刀盘开裂的位置基本与刀盘应力最薄弱的几个部位相吻合。特别是形成局部偏心载荷（仅部分滚动受力）时，例如仅５把滚刀受力时，以切削面下１／３部分的岩面受力，形成的偏心载荷状态为分析条件：解析条件所需推力７１８６ｋＮ，所需扭矩２４００ｋＮ・Ｉｎ，最大应力产生于Ｎｏ．２扭腿部，应力值为８８３．７Ｎ／ｍｍ２，远超出Ｑ３４５的许用应力２９５Ｎ／ｍｍ２值，导致刀盘扭腿部开裂的可能性非常高。双刃滚刀：３６．８ｋＮ／个（１７个搭载）幽４７］盘有限兀．匝力分析五图中心滚刀：１８・４ｋＮ／个（装备８个）这样一来，一旦发生偏心载荷，很容易导致刀滚刀阻力（扭矩值）＝１４５１ｋＮ。ｍ盘扭腿部开裂。所以导致刀盘开裂的原因主要就④外周环板摩擦阻力：８６１．７ｋＮ是刀盘设计强度偏低，验算条件为刀盘面均匀受力外周环板摩擦阻力产生扭矩＝２７７０’ｋＮｍ而没考虑偏心载荷情况，现场直接原因是在掘进过⑤刮刀载荷：９１ｋＮ／１处程中产生了瞬间最大载荷或偏心载荷。例如在风刮刀阻力产生扭矩＝１７７９’ｋＮｍ（刮刀分布化岩强度不均匀，裂隙发育不全的断面，出现岩块于６处主辐条）崩塌，掌子面不平整时，就容易出现部分滚刀受力以上所有推力合计７１８６ｋＮ，等于装备推力的的情况，出现偏心载荷；紧接着刀盘切削速度不均１９％；扭矩取值６０００ｋＮ。ｉｎ，为装备推力的１００％。匀，贯人度超过刀高差，使刀盘面板的小齿刀、刮刀（２）材料强度允许值（取值）：验算使用的推力、瞬间受力，扭矩偏大，出现瞬间最大载荷。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴ／ＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４１１１１０５万方数据・设备／仪器・；｝倒ｒ强藤３８＆４Ｉ》蚕●１５＆１６燃０ｑ￥萝向璞蚶銎一ｏ多ｄ斌１７＆１８●塑０≤鼍国图５右线刀盘开裂分布还有在我们多次进仓检查发现，刀盘本身的制造存在不足，例如扭腿根部箱体的焊接处全部封死，焊角底部即无法打磨处理，应力又无法得到释放，而造成了多处应力集中，往往在这些地方首先出现裂缝，进而开裂。也有可能在以前的推进过程中（该盾构已使用过２个工地），刀盘产生过泥饼，造成中心部位堵仓，而在大推力情况下，刀盘局部受力发生变化，出现了微裂缝而未被发现，然后在本标段长距离的风化岩掘进中，出现机械疲劳，发展为开裂。当然这仅是个人观点，拿来供大家参详。４刀盘修复及加强方案４．１刀盘加强方案在刀盘设计强度不足的情况下，仅仅靠刨除裂缝、堆焊修补的修复方法，在具备随时开仓检查的情况下，还可以修复。在上软下硬的地层中，盾构不具备开仓检查条件，为了能够顺利完成本工程，我们跟厂方进行了讨论，在基于厂家刀盘有限元应力分析的基础上，我们确定了开裂处的加强方案，即在应力最大处追加补强筋板，在辐条侧板内侧和箱体连接处追加补强封板，同时为了提高刀盘的强度，我们在主辐条和副辐条交叉处增加三角封板，以消除此处应力集中。为了提高刀盘的强度，在辐条之间增加一圈环形筋板，提高刀盘的刚度。具体如图６所示。４．２修复的人机料（１）板材：加强筋板的材料为Ｑ３４５Ｂ，遵循刀盘原材。厚度按照图纸尺寸，与刀盘部件尺寸一致（封板厚度３ｃｍ；加强筋板厚度６ｅｒａ；环形筋板４—ｃｍ）。焊接时，采用割刀预热到２００３００ｏＣ，焊接后，采用耐火棉保温冷却。图６刀盘加强效果及局部放大（２）焊条：修复及加强均使用气体保护焊，采用厂家推荐高强度实心焊丝ＴＨＱ－５０Ｃ。（３）环境：修复现场为盾构土仓内，由于掌子面为全断面的风化岩，非常稳定，这也为修复工作减少许多风险；但仓内狭小，空气不流通，焊接产生大量的二氧化碳和有毒气体得不到排出。需要配备送风和排风设备，但又不能正对工作区域，确保焊接质量ｐＪ。（４）人员：选派焊接技术高，有进仓经验的此类专业焊工轮班进行连续作业；同时，配备技术人员把握焊接质量，做好预热、焊接、探测、保温、冷却、验收等工作。４．３修复步骤首先对裂缝和开裂位置进行刨除、补焊，修复流程如图７ａ，然后在相应位置焊接一系列的加强筋板，修复流程如图７ｂ。ａ．裂缝修复ｂ．焊加强筋板图７焊接修复与加强筋板流程图５刀盘修复及加强效果检验本次的刀盘加强方案，中铁重工的盾构工程师为我们建立刀盘模型，进行了加强前后的刀盘有限元对比分析及验算。加强后的极限应力分析：１０６铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１４ｆＴＪ万方数据・设备／仪器・（１）刀盘前面土压计算取值０．１８ＭＰａ，其它解析条件不变，所需推力值约为１７１１９ｋＮ，所需扭矩６０００ｋＮ・ｒｌｌ，为装备推力的１００％。（２）材料强度允许值（取值）。验算使用的推力、扭矩采用盾构机的最大允许负载值，因此材料的许用应力按照Ｑ３４５的屈服极限２９５Ｎ／ｍｍ２进行验算。（３）解析结果最大应力确定为在Ｎｏ．２扭腿外根部产生，值为２５８．７Ｎ／ｍｍ２。如图８所示，即为Ｎｏ．２臂加强前后应力对比图。通过对比可知，加强后的刀盘强度比原始刀盘原始刀盘强度有显著提高。且在上软下硬地层局部断面、大推力的工况下，经受起了考验，满足了施工要求，达到预期目标。“加刚１６加固后而盾构推进的核心就是依托地质与刀盘配置来进行图８Ｎｏ・２臂受力分析推进参数的合理控制，例如合理控制的贯入度、推力、为了更好的验证我们的方案，以右线盾构为例进扭矩，甚至渣土改良等参数。本标段所选用的盾构从行了掘进测试。右线在１０００环进行修复加强，焊接上一标段的软土、砾石掘进转入现标段的岩层掘进，完成，恢复推进；经过８环的适应性掘进后，采用保压在刀盘配置与掘进管理方面还是做得不够好。掘进，下部土压Ｏ．１ＭＰａ，推力加大至１１０００ｋＮ，推进（４）刀盘有限元分析法是盾构刀盘受力分析及修至１０２５环时，开仓检查刀盘裂缝位置，未发现新裂复工程常用的方法，它把一个非常复杂的受力问题，解纹，加强部分也未发现开裂。开仓检查情况如图９所—析为个量化的受力模型，让我们清晰地发现问题的示。右线在１０３０环进入上软下硬，控制扭矩在所在，对本次的修复加强工作起到了关键性的作用。２４００‘ｋＮｍ以内，掘进速度在３０ｍｍ／ｍｉｎ以内，当参考文献时下土压高达０．２２ＭＰａ，最大推力达１４５３０ｋＮ，盾构掘进速度较平稳，在单龙门吊出渣的工况下，１３［１］竺维彬，鞠世健・复合地层中的盾构施工技术［Ｍ］・北进６恐三唿盟望釜零竺肇耋警詈簟经普Ⅲ嘉嚣鍪淼筹赫ｎ工程机械，４８ｄ的掘进，右线顺利通过上软下硬地层，于１０月…………”“…………”。。；磊；ｒ。１１－磊：１：６日顺利出洞，刀盘完好。ｒ３］蒙先君，章龙管，阳晓玲．盾构刀盘洞内维修实例及评通过一系列的验证，说明加强后的刀盘确实比—议［Ｊ］．现代隧道技术，２００４，４１（５）：６５７２．万方数据