谈晓亮
（上海隧道工程有限公司，上海，200232）
【摘 要】泥水平衡盾构和硬岩盾构在设备性能有很大的区别，所以带压换刀工艺也不同。上海虹梅南路隧道因刀盘扭矩骤增并频繁跳停，故停止推进，开仓检查，发现超过半数以上的正面刮刀和周边刀具均受到不同程度的磨损。后续针对刀具磨损情况制定了换刀方案，换刀完成后扭矩恢复正常，盾构可以继续正常推进。文章以上海虹梅南路隧道为例，着重讨论泥水气压平衡盾构在砂性软土地层中刀具磨损检查和带压换刀工艺，希望能对今后的类似工程有所借鉴。
【关键词】大直径泥水平衡盾构；刀具磨损计算和检测；正面支护；带压换刀
1、前言
随着城市快速交通的不断发展，盾构法施工作为最安全，最有效的施工工艺，在城市公路隧道施工中得到广泛的应用。通常而言，在软土地层施工中，盾构刀具会受到正常的磨损，这不会对隧道的开挖掘进造成较大的影响；然而，在长距离软土地层施工过程中会遭遇一些复杂地层，造成盾构刀具的异常受损。所以在软土地层的刀具磨损检查和换刀对保护盾构设备及隧道的正常施工起到至关的作用。文章将以上海虹梅南路隧道为例，着重讨论泥水气压平衡盾构在砂性软土地层中刀具磨损检查和带压换刀工艺。
2、工程概况
上海市虹梅南路隧道是连接闵行区和奉贤区一条大直径越江隧道，盾构段隧道全长3391m，先由1台Φ14.93m海瑞克气泥水平衡盾构从奉贤段工作井出洞进行西线隧道施工。
虹梅南路东线隧道在推进至1118环时，盾构因刀盘扭矩骤增并频繁跳停，故停止推进。盾构停机处的顶覆土接近43m，切口水压设定为5.15bar。东线盾构自950环起进入全断面7#土层（粉质砂土及细粉砂），自从进入该土层后推进过程中，刀盘的扭矩不断上升；在推进速度逐渐降低后，刀盘的总推力也达到过了140000kN，刀盘跳停频率有所增加。盾构穿越砂性土层具体情况以及停机换刀所处的位置具体见图1, 虹梅南路隧道穿越砂层施工参数变化图见图2。在盾构停机后进行了开仓检查。
3、刀具磨损检查
在刀具严重缺损的情况下，刀盘扭矩会出现较大的提升，刀盘为了自我保护会频繁跳停，否则会影响到刀盘主轴的安全；同时，频繁启闭刀盘会对驱动设备会造成很大的伤害。如不及时更换磨损刀具会造成盾构机刀盘重要部件的损毁，最终导致隧道长期无法恢复掘进施工。
3.1刀具简介
这台Φ14.93m的泥水平衡盾构主要配置了刮刀和铲刀，具体形式及分布图具体见图3。
3.2刀具磨损的检测
根据刀具磨损的理论规律并结合现场实际检查情况，我们发现刀具的磨损严重程度会随着开挖半径的增大逐级递增，越靠近开挖外周的刀具磨损越严重。刀具磨损主要通过以下2种技术进行检测。
（1）刀盘磨损预警装置
通常对刀具磨损的预警，刀盘设计上都考虑设置了磨损监测装置。液压磨损监测系统由分布在刀盘钢结构上的单个的测量点（传感器）组成。每个传感器由一个传感器螺栓和一个焊接式的传感器螺栓保持架组成，具体见图4。
当传感器螺栓被前方的正常磨损磨穿后，监测系统内的液压油就会流失。压力传感器会检测到系统中的压力降，并输出警告信号。一旦发生报警可及时停止施工，根据磨损装置提供的数据进行分析，制定修复方案。
（2）施工参数异常
施工参数的异常波动是发现刀具磨损的主要依据。如刀盘扭矩经常出现大幅的波动，甚至因扭矩过大导致刀盘跳停，则应立即停止推进进行故障排查，如排除非设备原因造成的扭矩变化，则有理由怀疑刀具磨损。当同时发生扭矩异常变化和刀盘磨损检测装置报警时应可以肯定的判断刀具存在磨损，须检查刀具磨损情况，更换刀具后再恢复推进。
3.3 刀具磨损形式
刀具磨损一般分为常规磨损和非正常磨损，以下以虹梅南路隧道德国海瑞克公司设计的泥水平衡盾构刀具为例。
3.3.1 正常磨损
磨损大致分为几种状态：1、正常磨损；2、极端磨损，针对以上2种磨损情况对盾构掘进可能造成的影响如下，具体如图5所示。
图6所示周边的刮刀的磨损情况是对称和均匀的，两侧磨损量比较接近，这种磨损即属于正常磨损。
3.3.2 非正常磨损
1）崩断
由于地勘无法非常详细的地下不明物体全部探明，所以在遇到地下不明障碍物时造成刀具产生过大的集中应力，强行崩裂，如抛石，暗桩等。
2）刀具脱落
由于安装刀具时螺栓的紧固质量或者刀刃的焊接质量缺陷，造成刀具在受外力时刀座整体脱落或者刀刃掉落。
图7所示铲刀到头有明显的崩裂迹象，可能和切削到地下不明障碍物有关，如未清除的桩基、管线井，在切削到此类障碍物后会刀头产生较大的集中应力而导致崩裂，
3.4刀具检查情况
盾构开仓后对相应范围内的刀具进行了逐一的检查，并根据刀具磨损程度进行了统计和分类。
虹梅南路隧道开仓检查情况具体检查结果见图8和表1。根据开仓检查情况发现中心区域以外的刀具磨损较为严重，而靠近中心区域刀具比较良好，即符合之前刀具磨损规律。最终依据汇总情况制定换刀方案，决定将外周圈所有磨损严重的刀具全部更换。
注：红色标识为磨损较严重的刀具位置
表1 刀具磨损情况统计表
4、开仓检查及换刀
制定换刀方案时需结合泥水气平衡盾构机的性能特点和所处地层的土层特性。首先，确保开挖面的稳定乃重中之中，如开挖面失稳则易造成正面支护土体坍方，这不但对换刀工作面造成安全风险，同时地面的环境也会受到较大的影响
4.1 开仓换刀总体流程
气压开仓检查和更换刀具主要施工流程：检查修复前期准备工作→ 稳压状态下新浆液置换仓内泥水→形成泥膜后稳压试验→保持观察正面土体稳定性→稳压进仓检查并更换刀具。
4.2 换刀技术要点
（1）仓内泥水置换
泥水平衡盾构开挖面的稳定取决于泥膜的的质量，当泥膜抵抗力远大于正面土压时，产生泥水平衡效果。仓内置换泥水的粘度需确保正面土体的稳定。泥水置换后需稳压一段时间，并对泥水指标进行再一次检测，确认无误后开仓检查。
在虹梅南路换刀时，首先将置换泥水粘度指标调至40s以上，再采用同步注浆泵进行新浆往开挖仓的泵送，至后仓液位上升至+1m，然后从顶部放出浆液至后仓液位到0，再泵送和放浆，循环这个过程，直到顶部放出浆液达到35s，稳压12小时，过程中不断检查顶部浆液，低于35s继续泵送置换，稳压结束后进行前后仓连通压力实验2小时，无异常后，可以进仓。
（2）开挖仓气压建立
气压施工仓内压力设置需要根据泥水压力及当前盾构埋深情况。充分考虑盾构所在地层的渗透系数及地基承载力等情况，具体根据进仓后掌子面稳定情况作相应微调。
（3）升降液位操作
人员入仓换刀前需将前仓液位降低到设定值，升降液位操作步骤如下：
1）前后仓体积计算，需要先将后仓液位控制在设定值。
2）前后仓连通操作——开启往前仓的进气阀，不断降低气泡仓压力至设定值，直至后前后仓液位相平。在往前仓加气的过程中，顶部支撑压力不得高于设定值的105%~110%。
3）完毕后前仓液位补满操作——关闭往前仓的进气阀，开启顶部放气阀，不断升高气泡仓压力直到顶部放出水。
4.3 换刀完成及恢复推进
根据换刀方案，最终更换了37把正面刮刀和32把周边铲刀，保证了刀盘面板条幅ARM1~ARM16上磨损较严重的刀具皆得到更换。在更换完毕后盾构恢复推进，发现扭矩明显的变小，不会再出现报警跳停的现象。
结语
泥水气压平衡盾构长距离在软土层推进过程中，如遭遇大断面的砂性土层会造成刀具的磨损，如磨损情况严重会导致盾构机切削土体不充分形成欠挖，挤压土体至使土体隆起，直接对环境保护造成影响；更甚的是对刀盘机械设备造成严重的损坏，导致施工瘫痪。所以在掘进的土层发生变化时，即由黏性土层向砂性土层过渡过程中，应密切关注刀盘磨损监测装置的预警信息，并结合刀盘扭矩的变化判断刀具的工作状态，一旦发现异常应停止推进，对刀具进行彻底的检查，包括刀盘正面的刮刀和周边刀。然后根据刀具检磨损检查结果制定换刀方案，确保后续施工能正常进行。
论文作者:谈晓亮
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/15
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