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[分享]盾构机刀头磨破盾壳事件案例
一、事件情况简述
2014年4月2日，南昌轨道交通珠～长区间下行线盾构机刀盘进入长江路站南端头土体加固区域，发现盾构机参数异常，无法顺利通过加固体，事件未造成人员伤亡及财产损失但影响总体工期要求。
二、工程概况及水文地质情况
南昌轨道交通1号线一期工程土建二标包含一站（长江路站）两区间（珠江路站～长江路站区间、长江路站～蛟桥站区间）。
珠（珠江路站）～长（长江路站）区间隧道工程位于南昌市红谷滩区。上行线全长为694.327m；下行线长链5.884m，全长为700.211m。区间呈“V”型坡，最大坡度为8‰，最小平曲线半径为800m，期间设置一联络通道及泵站。场地较为平整，地貌形态单一，属赣江冲积平原地貌，地面标高19.28～20.59m。区间隧道盾构从珠江路站北端始发，沿丰和北大道向北前行至长江路站南端接收。
2.1水文地质条件
2.1.1地质条件：
本标段区间地质条件较为复杂。珠～长区间隧道穿越部位地层主要有②3-2细砂、②4中砂、②5粗砂、②6砾砂、②7圆砾局部夹带泥质粉砂岩等地层。
2.1.2 水文条件：
场地地表水主要为赣江，目前地表水位高程约为15.50～19.60米之间。拟建场地浅层地下水属上层滞水，孔隙性渗水，微承压水，孔隙水主要赋存于表层填土及②砂土、砂砾、圆砾中，微承压水主要赋存于泥岩中。
2.2盾构选型盾构机刀盘配置：
（1）针对区间的砂性土地层的流动性较差，采取对刀盘的开口率进行调整，拆除刀盘正面18把单刃盘形滚刀及刀盘中心4把双刃盘形滚刀，将开口率调整为38%；
（2）由于增加开口率，拆除了部分滚刀，为了补足原来的滚刀的作用，在面板上增加贝壳刀,高度等同于原盘形滚刀高出刀盘面的高度175mm，以补充拆除盘形滚刀的先行开挖功能，已达到降低正面刮刀的磨损程度；
（3）针对砂性土的松软特性，将刀盘周边的单刃盘形滚刀，更换为同尺寸的球齿盘形滚刀，防止普通盘式滚刀在软土层时，达不到启动扭矩造成刀具的偏磨，且球齿滚刀的球齿为硬质合金钢，从而又加强了对滚刀盘体的耐磨性
（4）制作半鱼尾刀，安装在原中心双刃盘形滚刀的位置，以增加先行开挖能力，减少刀盘中央结泥饼的机率。 我部根据招标文件要求，经过专家论证选用：复合式土压平衡盾构海瑞克S555。 刀盘配置为：球齿盘形滚刀9把；仿形刀1把，刀盘中心半鱼尾刀1把，正面刮刀46把，边刮刀28把，贝壳刀23把。详见下图。
三、事件经过及应急处置
3.1事件经过
珠～长区间下行线自中间竖井始发推进至长江路站施工结束，盾构机2013年9月26日下井安装，2013年10月16日完成与原隧道管片对接，2013年11月24日开始始发掘进施工，2014年4月2日，盾构机刀盘进入长江路站南端头土体加固区域，发现盾构机参数异常，无法顺利通过加固体。经过分析，盾构机刀盘磨损严重，需要进行修复刀盘和刀具，因此，采用地面挖孔开仓换刀的方式进行处理。
3.2应急处置
3.2.1开仓方案的选择
由于盾构机刀盘周边磨损可能比较严重，而在土仓内不利于进行周边刀具焊接，且盾构机正面刮刀在土仓内不能焊接，因此本次不能进行在土仓内进行换刀。
由于盾构机切口已进入加固区80cm，刀盘75cm，为确保盾构机能够顺利完成接收，我部决定采用地面挖孔进行换刀，挖孔护壁采用直径1.7m厚度10mm的钢护筒。计划在加固区内切口位置向盾构主体移10cm为钢护筒中心，钢护筒1.6m位于加固区内，10cm位于原状土内，计划采用反循环钻机钻孔（孔直径1.8m，深度10m）；采用直径1.7m，壁厚10mm的钢护筒下至盾构机刀盘顶部，深度约10.0m处。预留约10cm左右采用人工挖至刀盘处，对刀盘周边进行增加刀具，增大刀盘开挖直径施工。先进行挖孔，待检查刀盘后进行刀具配置进行换刀施工。
挖孔位置平面布置图、剖面图详见下图。
待挖孔到位后，先检查刀盘磨损情况，根据刀盘实际磨损情况，确定刀盘修复方案。
3.2.2维修方案的确定
检查刀盘，根据刀盘现状，发现刀盘磨损严重，主要存在以下几点问题：
1）刀盘半径方向磨损深度约30cm；
2）周边9把滚刀刀箱及滚刀磨损见底；
3）周边36刮刀全部损失；
4）正面刮刀磨损严重。
磨损情况详见下图。
根据刀盘及刀具的磨损情况，制定以下几点修复方案：
（1）向前焊接刀具，将刀盘周边宽度扩为320mm左右，外扩长度120mm；
（2）向径向焊接刀具，将刀盘直径扩为6250mm，外扩长度300mm；
（3）制作300*300*530mm的刀箱8只，如下图所示，接在刀盘的辐条及幅板上，并进行可靠焊接，保证足够的强度；
（4）按照刀具的切削轨迹，补足各轨迹上缺失的正面刮刀及周边刮刀；
（5）在刀盘的环板上增设嵌入式的周边刀，以保证盾构刀盘的开挖直径；
（6）在补足的正面刮刀或周边刮刀前，安装贝壳刀，已补充原来滚刀的先行破碎功能，从而降低刮刀的磨损量；
（7）刀盘修复示意图详见下图：
刀盘修复完成后盾构成功穿越加固区。盾构施工完成后刀盘详图见下图。
四、原因分析
4.1掘进情况分析
由于地面单次沉降必须控制在3mm之内，累计沉降控制在21mm之内，盾构施工过程中，掘进参数根据地面沉降监测报表分析调整。珠～长区间地面沉降情况在可控范围内，掘进参数控制并无异常。
4.2刀盘磨损情况分析
4.2.1刀盘磨损情况 珠～长区间下行线盾构机在正常施工过程中，在施工321环后开始陆续有刀具磨损后脱落，脱落主要为布置在刀盘周边滚刀、超挖刀、耐磨层。
由于施工情况正常，刀盘配置经过专家评审，我部初步考虑可能存在部分掘进地层与地质报告不符，掘进位置存在中风化泥质粉砂岩，形成典型上软下硬地层。盾构推进底部切削岩层，造成刀盘周边磨损严重。
4.2.2刀盘开仓位置选择
盾构机刀盘脱落时，珠～长区间剩余258环，而且没有适合开仓换刀位置。由于刀盘脱落刀具主要为周边刀具，采取常规开仓换刀不可行，必须采取地面挖孔换刀，因此开仓位置必须进行加固处理。而且刀盘脱落后，掘进参数并未出现异常，地面沉降也未达到报警值。
考虑到开仓换刀的经济性和合理性，以及对工期的影响，没有立即采取开仓换刀措施，初步决定接收后换刀。
4.3渣土改良情况分析
在盾构掘进施工过程中，根据不同地段土质情况，采取三种配置溶液对渣土改良。
（1）膨润土溶液配制：
○1钠基膨润土原料配制标准：
○2配比：膨润土：水=1：5～8（质量比），发酵膨化时间约24h。
（2）泡沫剂溶液配制：
○1泡沫剂种类繁多，主要分为普通型、发散型、聚合型。
○2配比：泡沫剂原液：水=1:100～200（质量比）。
（3）高分子聚合物配置：
○1主要采用进口品牌的高分子聚合物。
○2配比：高分子聚合物：水=3:800（质量比）。
根据出土情况分析，渣土改良情况良好。
4.4组织措施分析
本工程实施项目经理负责制。项目经理确定每一个管理岗位的工作内容，并制定相应的质量管理制度和岗位职责，以及相应的奖惩制度，全面实施项目质量管理。项目经理部配备一位专职质量工程师，全面负责本工程质量管理，同时还配备技术员、质量员、施工员、安全员、合同员、设备员、材料员、计量员、材料员和取样员等服务于整个项目的实施。
五、事件防范措施
目前，南昌轨道交通珠～长区间下行线盾构施工作业已经顺利完成。通过此次盾构机在复杂地层中把盾构机刀盘磨损严重的事件，我们需在以后的盾构施工中汲取本次事件的教训，为避免类似事件的发生，需要做好以下几点防范措施：
1、认真分析勘察报告，对可能存在地质突变及距离强风化岩层较近距离处，进行重点分析，必要时进行钻孔取芯检查。只有准确了解地质条件，才能对盾构机的选型和盾构机的刀盘、刀具布置等有较准确的判别；
2、盾构机开仓位置必须选择合理，既要考虑安全，又要兼顾经济合理，因此我部将盾构机开仓位置设置在盾构加固区；
3、盾构在施工中，出现参数异常情况，需要及时进行分析，确保防微杜渐，做好防范措施；
4、在盾构机出现事件后，需要采取合适的方法进行处置，必要时组织专家论证，确保施工的安全、质量，以及后期的盾构正常施工。
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