專利名稱：砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種盾構(gòu)刀具更換方法，尤指一種砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機是針對砂卵石地層特別設(shè)計的用于隧道施工的設(shè)備，其主 要是利用刀盤面板上的刀具有效地切削、破碎刀盤前方的砂卵石土體，在輔以土體改良措 施的前提下，在盾構(gòu)機內(nèi)部形成良好的進、排土通道，使得盾構(gòu)順利向前掘進，并能有效減 少地面沉降及對其對周邊環(huán)境的影響。目前配置在復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機上的刀具主要有以下幾種形式，相應(yīng)的作用如 表ι所示 以上這些盾構(gòu)刀具均以A45鋼為基礎(chǔ)，在其上鑲嵌硬質(zhì)合金，而在國內(nèi)外目前的 刀具材料及加工水平條件下，高強度的卵石對刀具的磨損在所難免，而刀具的磨損相應(yīng)對 盾構(gòu)設(shè)備及掘進施工造成一系列的影響，主要有以下危害(1)刀具受到磨損后，不能有效切削土體、破碎巖石，土體無法順利進入土倉內(nèi)。(2)局部刀具磨損后，其他刀具相應(yīng)的切削、破碎負荷加大，加速其他刀具的磨損。(3)增加刀盤的負擔，刀具、刀盤與土體間接觸由原來的線接觸變成面接觸后，摩 擦系數(shù)增大，刀盤扭矩需相應(yīng)增大以適應(yīng)摩阻力的增大，造成電流消耗及油壓負荷增大，機 械故障發(fā)生頻率高，機械設(shè)備壽命減短。(4)保護刀盤的刀具在磨損后，刀盤直接與高強度的卵石接觸，造成刀盤磨損，影 響到刀盤面板內(nèi)部及后面布置機械設(shè)備受到直接破壞。(5)刀具局部磨損后，土體的切削、破碎受阻，容易造成掘進過程中的土體超挖，引 起地面沉降，危及周邊環(huán)境。所以為了防止刀具的磨損引起刀盤及相關(guān)設(shè)備的損壞，及時有效地更換磨損的刀 具，是維系盾構(gòu)在卵石土層中持續(xù)順利掘進行之有效的方法。目前盾構(gòu)法隧道施工已經(jīng)廣泛用于城市軌道交通、能源、運輸?shù)裙こ讨?，土壓平?br> 4盾構(gòu)廣泛適應(yīng)于不同地質(zhì)條件，如我國的上海、天津、南京、蘇州、無錫等地的軟土地層，這 些地層土體對刀盤、刀具磨損很小，基本上刀具的壽命與盾構(gòu)機使用壽命相同；而廣州、深 圳、成都等地的土層主要以巖石及風化巖石、砂卵石為主，土體中各顆粒材料強度不均勻， 例如成都砂卵石地層中卵石的單軸抗壓強度達到150MPa，盾構(gòu)掘進過程中阻力大，刀盤刀 具磨損嚴重。針對刀具更換目前主要采用局部氣壓法換刀。但是局部氣壓換刀主要存在以 下弊端(1)由于土質(zhì)不均勻，土倉氣壓均不能維持，很難提供換刀所需的保壓狀態(tài)。(2)氣壓換刀所需供氣量大，壓縮空氣輸送管路長，工期設(shè)備及送氣管路要求高。(3)刀具更換需要轉(zhuǎn)動刀盤至有利換刀位置，過程中，容易出現(xiàn)壓力消減，危及開 挖面的穩(wěn)定，易引起地面沉降、塌陷，影響隧道沿線周邊環(huán)境。(4)氣壓換刀對人員要求高。所有進入氣壓倉的人員必須經(jīng)過專門的體檢、氣壓施 工培訓(xùn)，復(fù)合要求才能進入加壓艙內(nèi)進行換刀施工。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述現(xiàn)有的砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法的不完善，本發(fā)明要解決的技 術(shù)問題是提供了一種盾構(gòu)刀具更換方法，實現(xiàn)在砂卵石地層中及時有效地更換磨損的刀 具，且操作相對簡便、安全。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法，包括以 下步驟a.刀具更換前準備步驟，包括(1).選擇換刀位置；(2).在所述換刀位置開設(shè)降 水井，使盾構(gòu)切口部位全部處于降水漏斗曲線范圍內(nèi)；(3).盾構(gòu)掘進至所述換刀位置后停 止掘進，改良土倉內(nèi)土體，對盾構(gòu)殼體上方進行注漿，對盾尾壓注油脂，疏通、清洗注漿管 路；b.刀具更換步驟，包括(1).實施降水施工，待降水井內(nèi)水位達到要求水位時，出空所 述土倉內(nèi)的土體；(2).在兩幅刀盤之間的空擋部位安裝封板，轉(zhuǎn)動刀盤，實施刀具更換； c.刀具更換后恢復(fù)掘進步驟，包括(1).拆除封板，關(guān)閉土倉門，向土倉內(nèi)注入惰性漿液直 至土壓力達到設(shè)定土壓力；(2).恢復(fù)掘進。本發(fā)明在換刀前通過降水施工使刀盤前方土體的強度、自立性得到加強保證換刀 施工的安全，并對土倉內(nèi)土體實施土體改良減少土體黏附現(xiàn)象；在換刀時在刀盤上安裝封 板，防止刀盤轉(zhuǎn)動過程中刀盤前方土體掉落進入土倉內(nèi)部危及人員的操作安全；從而實現(xiàn) 了在砂卵石地層中及時有效地更換磨損的刀具，且操作相對簡便、安全。本發(fā)明的進一步改進在于，所述改良土倉內(nèi)土體步驟進一步包括盾構(gòu)掘進至換 刀位置最后兩箱土后，向土倉內(nèi)壓注膨潤土漿液4m3，轉(zhuǎn)動刀盤，將土倉內(nèi)的土體攪拌均勻。本發(fā)明的進一步改進在于，所述刀具更換步驟進一步包括轉(zhuǎn)動刀盤，將待更換刀 具轉(zhuǎn)至最理想換刀位置實施刀具更換，其中所述最理想換刀位置為面對盾構(gòu)掘進面九點 位置。本發(fā)明的進一步改進在于，所述恢復(fù)掘進步驟進一步包括恢復(fù)掘進前段時間不 進行出土，直至注入土倉內(nèi)的惰性漿液均勻滲入換刀時留下的空隙，土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定，開始 按照正常掘進段施工參數(shù)設(shè)定進行掘進；當盾尾到達換刀時刀盤位置時，加強進行同步注 漿，壓注惰性至設(shè)定的壓力停止，使換刀區(qū)域再一次得到惰性漿液的充填密實。


圖1為本發(fā)明砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合本發(fā)明所依托的具體工程實施例作進一步詳細說明。參閱圖1所示，本發(fā)明的方法主要包括以下步驟a.刀具更換前準備步驟，包括(1).選擇換刀位置；在刀具更換前，必須對刀具更換的位置進行系統(tǒng)的考慮。刀具更換位置的選擇主 要依據(jù)以下原則進行a.刀具的材質(zhì)、性能參數(shù)決定刀具的使用壽命，根據(jù)刀具的使用壽命換算成對應(yīng) 隧道掘進里程；b.充分考慮地層加固(降水施工)措施實施的可行性和便利性；c.避開對周邊環(huán)境復(fù)雜地段，如建(構(gòu))筑物多的區(qū)域。如無法避開，需提前進行 建(構(gòu))筑物的保護。(2).在所述換刀位置開設(shè)降水井，使盾構(gòu)切口部位全部處于降水漏斗曲線范圍 內(nèi)；刀具更換前對換刀位置地層實施加固措施通過降水施工，刀盤周圍土體內(nèi)的地 下水被疏干，在地下水被疏干的過程中，砂卵石土層中的細小顆粒進行固結(jié)，同時卵石顆粒 形成骨架效應(yīng)，使刀盤前方土體的強度、自立性得到加強，到達土體加固的效果，在刀盤前 方形成類似擋土墻的屏障，以保證換刀施工的安全。降水井的深度根據(jù)盾構(gòu)處于換刀位置 時的覆土深度，要求盾構(gòu)切口部位全部處于降水漏斗曲線范圍內(nèi)，并有1.0-1. 5m的余量， 以確保降水加固的效果滿足安全換刀施工的要求。降水井采用CZ 22型鉆機泥漿護壁沖 擊鉆進成孔，成孔孔徑600mm，下入Φ外徑360m，內(nèi)徑300mm的鋼筋砼井管。管孔間填入 Φ 10 20mm的礫石形成井孔間過濾層，以便水流暢通，達到最好降水目的。下管填礫完成 后即采用空壓機、活塞反復(fù)交替洗井，使井壁恢復(fù)自然地層狀態(tài)，水路暢通。降水需持續(xù)整 個換刀過程，并要求水位穩(wěn)定，直至換刀結(jié)束、土倉門關(guān)閉。(3).盾構(gòu)掘進至所述換刀位置后停止掘進，改良土倉內(nèi)土體，對盾構(gòu)殼體上方進 行注漿，對盾尾壓注油脂，疏通、清洗注漿管路；作為本發(fā)明的較佳實施例，通過以下步驟實施土體改良盾構(gòu)按正常段掘進施工 參數(shù)設(shè)定進行掘進，掘進至換刀位置最后兩箱土后，向土倉內(nèi)壓注膨潤土漿液4m3(膨潤土 漿液配方見表1)，轉(zhuǎn)動刀盤(正、反轉(zhuǎn))，將土倉內(nèi)的土體攪拌均勻。表1 膨潤土漿液配方(Im3) 改良土倉內(nèi)的土體可以減少倉壁上的黏附現(xiàn)象，幫助倉內(nèi)渣土順利流向螺旋機葉 片口，按照預(yù)想的情況出倉，作用為(1).為人員進倉提供必要條件；(2).防止長時間換刀過程中黏附在土倉壁上的渣土結(jié)硬，導(dǎo)致清除困難，影響恢復(fù)掘進以后倉內(nèi)土體流動性，導(dǎo) 致土壓升高，掘進困難。拼裝好換刀位置環(huán)管片后停止推進，徹底疏通注漿管、清洗注漿管路，防止在刀具 更換期間注漿管路堵塞，引起后續(xù)施工的不便。換刀位置環(huán)推進結(jié)束后，利用同步注漿管路對盾構(gòu)殼體上方進行注漿，注漿量及 注漿壓力根據(jù)土倉內(nèi)壓力變化為基準決定是否停止。停止掘進后，盾構(gòu)盾尾油脂壓注充足。 這樣做的目的是盾構(gòu)停止推進后，刀盤前方超挖的空間需要殼體上方的注漿來填充，否則 換刀期間盾構(gòu)停頓很久，容易發(fā)生殼體上方的塌方；盾尾油脂壓注也是為了防止停止推進 過久，盾尾與管片的密封性能不能長久保持，容易導(dǎo)致漏水漏漿。另外在刀具更換前必須備齊開倉、換刀、刀具運輸、封板等工序所需的工具，詳見 表2換刀施工所需工具表。表2換刀施工所需工具表 b.刀具更換步驟，包括(1).實施降水施工，待降水井內(nèi)水位達到要求水位時，出空所述土倉內(nèi)的土體；盾構(gòu)停止掘進于降水井后方(沿著盾構(gòu)掘進)，切口距離降水井一段距離，開始降 水施工并對降水井的水位進行持續(xù)觀測，待降水井的水位達到安全換刀要求的水位時，出 空土倉內(nèi)的改良土體，出土時將刀盤轉(zhuǎn)動到指定位置(進倉后第一次檢查、更換刀具最理 想位置，其中所述最理想換刀位置為面對盾構(gòu)掘進面九點位置，刀具位于刀盤面九點位置 時，易于人工清理，便于拆卸螺栓，將需更換的刀具拆下，換裝刀具時，利用刀具自重貫入， 便于控制刀具安裝位置。因此，相比之下，此位置為最理想換刀位置)，螺旋機開始出土 ；出 土時，注意通過土倉門旁邊球閥觀察土倉內(nèi)土體減少情況、刀盤前方土體是否坍塌進入土 倉內(nèi)；出土至土倉壁上中間部位土壓計顯示值為接近零時，開始開倉。在打開倉門前，打開倉門旁邊球閥，觀測土體土倉內(nèi)土體水位，確定在倉門以下后 方可打開倉門，打開倉門后，人員不能立即進入土倉內(nèi)，需用專門的儀器探測土倉內(nèi)的有害 氣體含量，確定安全后人員再進入。逐層清理土倉壁上的積土(包括刀具縫隙處的積土)，裸露出刀具及刀具固定螺 栓，用水徹底沖洗刀具及其固定螺栓，以便刀具的拆卸。利用氣動扳手卸下刀具固定螺栓，利用葫蘆將刀具從刀座中拉出，對拆卸的刀具 進行檢查，主要檢查刀具的外觀尺寸的變化，對于滾刀，利用專門的卡尺檢查刀圈的磨損 量，對于其他刀具可以利用卷尺、游標卡尺等進行三維尺寸磨損量的測量，由專門人員做好 記錄，重點記錄刀具編號、刀具類型、磨損量等信息。(2).在兩幅刀盤之間的空擋部位安裝封板，轉(zhuǎn)動刀盤，實施刀具更換；在換刀時在刀盤上安裝封板，防止刀盤轉(zhuǎn)動過程中刀盤前方土體掉落進入土倉內(nèi) 部危及人員的操作安全。拆卸下來后檢查的刀具，磨損嚴重不能滿足至下個換刀位置距離掘進要求的刀具 進行更新，其余刀具可以根據(jù)下一個掘進距離的長短及土質(zhì)情況選擇重復(fù)利用或更新，做 好相應(yīng)的刀具更換記錄。刀具更換過程中，嚴格控制刀盤轉(zhuǎn)動次數(shù)，減少對土體的擾動，并將每次轉(zhuǎn)動情況 做詳細記錄(包括轉(zhuǎn)速、刀盤油壓、轉(zhuǎn)動時土體掉落情況)。每次刀盤轉(zhuǎn)動前，為防止封板崩 落傷人，必須確定人員全部離倉，而派專人在人行閘口觀察刀盤轉(zhuǎn)動位置。
c.刀具更換后恢復(fù)掘進步驟，包括(1).拆除封板，關(guān)閉土倉門，向土倉內(nèi)注入惰性漿液直至土壓力達到設(shè)定土壓 力；刀具更換結(jié)束后拆除封板之前，須轉(zhuǎn)動刀盤，檢查更換的刀具(或拆卸后未更換 又重新安裝上的刀具)的固定螺栓是否全部擰緊，并對全部螺栓進行一次復(fù)緊。拆除封板后轉(zhuǎn)動刀盤于土倉口位置觀察檢查封板是否全部拆除。封板拆除后，人員撤離，關(guān)閉倉門，開始向土倉內(nèi)注入惰性漿液(惰性漿液配比如 表3)，充填土倉內(nèi)部空間及刀盤周邊空隙，待上部土壓力達到設(shè)定土壓力值時停止注入。表2 惰性漿液配方(Im3) (2).恢復(fù)掘進?；謴?fù)掘進前段時間不進行出土，直至注入土倉內(nèi)的惰性漿液均勻滲入換刀時留下 的空隙，土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定，開始按照正常掘進段施工參數(shù)設(shè)定進行掘進。當盾尾到達換刀時刀盤位置時，加強進行同步注漿，壓注惰性至設(shè)定的壓力停止， 使換刀區(qū)域再一次得到惰性漿液的充填密實。以下為本發(fā)明的換刀方法在具體工程中試驗實施效果本申請人以成都地鐵某區(qū)間隧道掘進施工進行試驗，該隧道采用的土壓平衡盾構(gòu) 機刀盤直徑為6. 28m,總配置功率1577kW，最大掘進扭矩5350KN -m,最大推進力為27143kN， 最大掘進速度可達8cm/min，刀盤的開口率約為28%，刀盤上共配置了 40把各種類型的刀 具。隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，襯砌外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm。區(qū)間采用1.2m和 1. 5m兩種幅寬的管片，曲率半徑小于或等于400m及加強段，采用1. 2m幅寬管片；曲率半徑 大于400m時，采用1. 5m幅寬管片。隧道埋深約10 28m，盾構(gòu)掘進處于全斷面的砂卵石 土層中，卵石最大的單軸抗壓強度達到150MPa，盾構(gòu)掘進施工困難，刀盤、刀具磨損嚴重，根 據(jù)保護刀盤、刀具以保證盾構(gòu)掘進順利進行的原則，兩個區(qū)間4條隧道掘進過程中共進行 了 22次降水加固倉內(nèi)刀具更換，其中區(qū)間隧道左、右線盾構(gòu)各進行了 11次刀具更換。每次 刀具更換之間的間隔距離從60m到150m再到247m到最后的574m，創(chuàng)造成都地鐵施工單次 掘進最長距離的刀具更換記錄；同時“降水加固、倉內(nèi)換刀”的卵石復(fù)合地層中換刀工藝也 逐步完善，換刀的工期也從最初的10天減少到8天直至最后全部更換一整盤刀具只需6-7 天，整個22次換刀過程未對周邊環(huán)境造成任何影響，收到了良好的社會效益。
權(quán)利要求
一種砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法，其特征在于包括以下步驟a.刀具更換前準備步驟，包括(1).選擇換刀位置；(2).在所述換刀位置開設(shè)降水井，使盾構(gòu)切口部位全部處于降水漏斗曲線范圍內(nèi)；(3).盾構(gòu)掘進至所述換刀位置后停止掘進，改良土倉內(nèi)土體，對盾構(gòu)殼體上方進行注漿，對盾尾壓注油脂，疏通、清洗注漿管路；b.刀具更換步驟，包括(1).實施降水施工，待降水井內(nèi)水位達到要求水位時，出空所述土倉內(nèi)的土體；(2).在兩幅刀盤之間的空擋部位安裝封板，轉(zhuǎn)動刀盤，實施刀具更換；c.刀具更換后恢復(fù)掘進步驟，包括(1).拆除封板，關(guān)閉土倉門，向土倉內(nèi)注入惰性漿液直至土壓力達到設(shè)定土壓力；(2).恢復(fù)掘進。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述改良土倉內(nèi)土體步驟進一步包括盾 構(gòu)掘進至換刀位置最后兩箱土后，向土倉內(nèi)壓注膨潤土漿液4m3，轉(zhuǎn)動刀盤，將土倉內(nèi)的土 體攪拌均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述刀具更換步驟進一步包括轉(zhuǎn)動刀盤， 將待更換刀具轉(zhuǎn)至最理想換刀位置實施刀具更換，其中所述最理想換刀位置為面對盾構(gòu) 掘進面九點位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述恢復(fù)掘進步驟進一步包括恢復(fù)掘進 前段時間不進行出土，直至注入土倉內(nèi)的惰性漿液均勻滲入換刀時留下的空隙，土倉內(nèi)壓 力穩(wěn)定，開始按照正常掘進段施工參數(shù)設(shè)定進行掘進；當盾尾到達換刀時刀盤位置時，加強進行同步注漿，壓注惰性至設(shè)定的壓力停止，使換 刀區(qū)域再一次得到惰性漿液的充填密實。
全文摘要
一種砂卵石地層中盾構(gòu)刀具更換方法，包括以下步驟a.刀具更換前準備步驟，包括(1)選擇換刀位置；(2)開設(shè)降水井，使盾構(gòu)切口部位全部處于降水漏斗曲線范圍內(nèi)；(3)改良土倉內(nèi)土體，對盾構(gòu)殼體上方進行注漿，對盾尾壓注油脂，疏通、清洗注漿管路；b.刀具更換步驟，包括(1)實施降水施工，待降水井內(nèi)水位達到要求水位時，出空土倉內(nèi)的土體；(2)在兩幅刀盤之間的空擋部位安裝封板，轉(zhuǎn)動刀盤，實施刀具更換；c.刀具更換后恢復(fù)掘進步驟，包括(1)拆除封板，關(guān)閉土倉門，向土倉內(nèi)注入惰性漿液直至土壓力達到設(shè)定土壓力；(2)恢復(fù)掘進。通過上述方法實現(xiàn)了在砂卵石地層中及時有效地更換磨損的刀具，且操作相對簡便、安全。
文檔編號E21D9/06GK101899978SQ20101010566
公開日2010年12月1日 申請日期2010年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月4日
發(fā)明者劉喜東, 卓發(fā)成, 彭建成, 阮關(guān)榮, 陳年紅, 顧春華, 魏新良 申請人:上海隧道工程股份有限公司