一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法
2023-09-23 23:08:00 2
專利名稱：一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法
技術領域：
本發明涉及隧道盾構施工技術領域，具體為一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法。
背景技術：
隨著我國城市建設的發展，地下軌道交通、越江隧道等地下工程日益增多，隧道的盾構推進距離也越來越長。盾構法是現代隧道施工的一種全機械化施工方法，其主要使用的機械設備為盾構機，盾構機在隧道掘進過程中通過刀具進行泥土切削和碎石破碎，但是隨著盾構法的運用，盾構機在風化槽掘進中由於刀盤泥餅而磨損開裂、刀箱變形、塌方抱死刀盤而無法掘進的現象時有發生，因此到目前為止，風化槽塌方體中刀盤脫困和修復被認定為世界性難題。在遇到此類問題時，現在通常的做法是採取工作井法，即在刀盤正上方開挖豎井，邊開挖邊支護，一直開挖到刀盤。然後進行盾體脫困和刀盤修復，但是在實際施工， 有時風化槽位於江底，存在工藝複雜、施工速度慢、工期長、施工成本高。而且在長距離掘進過程中，主軸承與刀盤旋轉體之間的密封易失效，縮短了盾構機主軸承的使用壽命，同時刀盤修復後掘進功率大大降低。
發明內容
本發明為了解決現有隧道盾構施工中進行盾體脫困和刀盤修復時存在工藝複雜、 工期長、成本高等問題，提供一種新的盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法。本發明是採用如下技術方案實現的一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，包括以下步驟
步驟一、塌方體注漿固結
(1)刀盤前方塌方體加固①在刀盤前方塌方體內插入細小剛性可彎曲的注漿鐵管； ②從下往上開始注入化學漿液；③採用低壓或無壓灌漿技術，壓力控制在0 10 kg/cm2 ；
(2)刀盤上方塌方體加固①從盾構機超前鑽孔中鑽孔，要求鑽到塌方體頂部；②從左側逐步向右注入化學漿液，加固刀盤上方坍塌方體；③注漿壓力控制在0. IMPa以下，當注漿開始有壓力時結束注漿；
(3 )盾尾上方塌方體加固①用電鑽在盾殼尾部起拱線以上間隔鑽孔，並焊接注漿管接頭；②採用左右兩側同時對稱逐步灌入化學漿液，加固盾尾上方塌方體；③注漿壓力慢慢增大，同時對盾尾進行沉降監測，當盾尾出現下移時停止注漿；
(4)錨索塌方加固體①利用刀盤輻條之間空隙，向開挖面梅花型打入長纖維注漿錨杆；②從纖維錨杆裡注入化學漿液，使塌方加固體與前方基巖錨固成一體；③注漿壓力控制在0. IMPa以內，當塌方體開始擠出化學漿液反應物時停止注漿；
(5)注漿效果檢查；
上述步驟中所述的化學漿液至少可為固安特CM13新型材料，它是由催化劑和樹脂按 1 1體積比混合而成的，至少可從青島新宇田化工有限公司生產購得，傳統主要是用在煤礦止水加固，本發明首次將其應用在隧道塌方體注漿加固上，比聚氨酯注漿效果好很多，加固生成高分子的強度高，能達到10MPA，而聚氨酯基本上沒有強度，經過本發明多次試驗驗證，完全適用於破碎帶地層加固，完全能滿足工藝要求； 步驟二、盾構機脫困
(1)建立切口水壓注漿結束後關閉土倉門，然後向開挖倉內注入泥漿，在開挖面建立切口水壓，該水壓等於開挖面土層側壓；(2)消除掘進反力當切口水壓大於開挖面水土壓力時，用工字鋼把盾尾後面管片連接成一體，同時從底部順時針慢慢縮回掘進油缸，消除盾構掘進反力；(3)盾體後退通過逐步增大切口水壓，當作用在切口環反力大於盾體與土體摩擦力時，盾體慢慢倒退後伸出油缸，並增加掘進油缸壓力頂住隧道管片；(4)刀盤脫困 採用空轉刀盤掘進模式，運用逐步增大扭矩直到刀盤能空轉幾圈後，當刀盤扭矩減小到正常為止，然後降低開挖倉水位，完成盾體及刀盤脫困； 步驟三、刀盤修復的準備工作
(1)鑽爆修復洞室
在刀盤拱部利用刀盤輻條間隙向前方鑽孔爆破後，轉動刀盤再鑽孔爆破，直到開挖出半球形洞為止；
(2)清理開挖倉步驟四、刀盤修復
(1)刀盤內部結構修復採取在開挖倉內進行修復；(2)刀盤本體結構修復；(3)刀盤附屬結構的修復採取在刀盤修復洞室內進行更換修復。所述刀盤本體結構修復包括以下步驟(1)V型面板焊縫處理a.工人進艙先對刀盤進行清洗，然後對焊縫進行探傷檢查，並對裂紋進行標識記錄；b.在V型面板裂紋的端部分別鑽一個5mm的小孔；c.在V型面板艙體前部割小口排空從裂紋滲透進去的泥水後，用水衝洗乾淨；d.採用碳弧氣刨將裂縫進行清根並進行打磨；e.將已打磨的裂紋缺口進行預熱到250°C時開始採用分層堆焊填平焊縫。f.採用滲透探傷和超聲波探傷雙重檢驗，每道焊縫連焊三層就作第一次滲透檢驗，當焊縫完成一半後再作第二次滲透檢驗，焊完再進行超聲波探傷檢驗，發現焊縫瑕疵立即返工，直到檢驗合格為止；(2) V型面板旋轉體增加肋板 在輻條側向與旋轉體相連處增加三角形肋板，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；(3)V型面板增加筋板在輻條面板與軸體面相連處增加梯形筋板，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；(4)堆焊網狀耐磨在輻條與切口環相連周邊20cm範圍內採用耐磨焊絲進行網狀耐磨堆積焊接；(5)切口環修復a.採用加熱方法對輻條間變形切口環矯正或切割；b.在輻條間切口環內部加設鋼板並焊接成一體；c.在切口環外部磨損嚴重的地方焊接耐磨板。採用上述方法對刀盤本體結構進行修復，與原有方法相比的優勢是提高焊接質量，完全消除刀盤裂縫，同時增加了刀體地耐磨，加強了刀體整體剛度與強度，保證掘進效率。所述的刀盤修復時，對於主軸承與刀盤旋轉體之間的密封採用先切除刀具磨損檢測系統，然後用鋼板將兩者焊接成一體，把刀盤旋轉接頭改為固定接頭，使旋轉體接頭不再隨著刀盤旋轉而旋轉。所述的刀盤修復時，在刀盤上相鄰兩輻條之間的空隙用工字鋼焊接成格柵狀。
與現有技術相比，本發明具有以下優點
1、採用低壓分步注漿加固塌方體與採用切口水壓進行盾體脫困，不僅杜絕了漿液進入開挖倉，而且加固效果較好，同時運用切口水壓既使盾構機後退脫困，又確保盾尾刷無損害，只用了 15天就完成盾構機脫困與刀盤修復，施工速度是採取工作井修復的10倍以上， 大大縮短了施工工期，該技術在國內外具有領先水平；
2、採用注漿加固進行盾體脫困和在洞內修復刀盤，比採用工作井節約資金400萬元， 而且採取在兩輻條之間空隙用工字鋼焊接成格柵狀，確保塌方加固體正常被切割，左右線修復後不僅順利通過塌方段，並再次經過一個風化破碎帶，杜絕開挖面大塌方，大大減少環流堵塞，掘進功效比以前提高了 2倍，使隧道提前開通運營，創造可觀經濟效益；
3、恢復掘進前，切除刀盤磨損檢測系統後，把刀盤旋轉接頭改為固定接頭，解決了主軸承密封失效世界性難題，延長了盾構機主軸承使用壽命，確保長距離過江盾構隧道左右線順利貫通，為今後類似工程提供經驗，取得了良好的社會效益；
4、在刀盤前方開挖一個洞為修復刀盤提供空間，工藝簡單、施工安全、質量受控、成本
低；
5、採用洞內注漿加固修復刀盤，大大地減少施工佔地和排汙，減少鋼材、水泥等建築材料的消耗，符合國家節能減排政策；
總之，採用本發明所述的盾體脫困及刀盤修複方法進行施工，具有工藝簡單、施工工期短、施工成本低、適用性強等優點，成功地完成了隧道左右線刀盤的脫困與修復，規避了江水倒灌隧道的風險，使盾構快速恢復正常掘進，取得了良好的經濟效益和社會效益。
具體實施例方式一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，包括以下步驟 步驟一、塌方體注漿固結
(1)刀盤前方塌方體加固①在刀盤前方塌方體內插入細小剛性可彎曲的注漿鐵管； ②從下往上開始注入化學漿液，並派人員監控是否有漿液由刀盤間孔洞流入開挖倉，一但發現立即通知灌漿人員停止灌漿，並用棉布進行封堵，待漿液凝結後再繼續灌漿；③採用低壓或無壓灌漿技術，壓力控制在O 10 kg/cm2 ；
(2)刀盤上方塌方體加固①從盾構機超前鑽孔中鑽孔，要求鑽到塌方體頂部；②從左側逐步向右注入化學漿液，加固刀盤上方坍塌方體；③注漿壓力控制在0. IMPa以下，當注漿開始有壓力時結束注漿；
(3)盾尾上方塌方體加固①用電鑽在盾殼尾部起拱線每an鑽Φ10孔，並焊接注漿管接頭；②採用左右兩側同時對稱逐步灌入化學漿液，加固盾尾上方塌方體；③注漿壓力慢慢增大，同時對盾尾進行沉降監測，當盾尾出現下移時停止注漿；
(4)錨索塌方加固體①利用刀盤輻條之間空隙，向開挖面梅花型打入5m長纖維注漿錨杆；②從纖維錨杆裡注入化學漿液，使塌方加固體與前方基巖錨固成一體；③注漿壓力控制在0. IMPa以內，當塌方體開始擠出化學漿液反應物時停止注漿；
(5)注漿效果檢查通過雷達加固體探測是否還存在空洞，在注漿薄弱位置採用鑽孔抽芯檢查注漿固結程度。如果檢查塌方體無空洞、固結率高，結束注漿加固工作，否則，繼續補強注漿。
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步驟二、盾構機脫困
(1)建立切口水壓注漿結束後關閉土倉門，然後向開挖倉內注入泥漿，在開挖面建立切口水壓，該水壓等於開挖面土層側壓；
(2)消除掘進反力當切口水壓大於開挖面水土壓力時，用工字鋼把盾尾後面10環管片連接成一體，同時從底部順時針慢慢縮回掘進油缸，消除盾構掘進反力；
(3)盾體後退通過逐步增大切口水壓，當作用在切口環反力大於盾體與土體摩擦力時，盾體慢慢倒退IOcm後伸出油缸，並增加掘進油缸壓力頂住隧道管片；
(4)刀盤脫困採用空轉刀盤掘進模式，運用逐步增大扭矩直到刀盤能空轉幾圈後，當刀盤扭矩減小到正常為止，然後降低開挖倉水位，完成盾體及刀盤脫困；
步驟三、刀盤修復的準備工作
(1)鑽爆修復洞室
在刀盤拱部利用刀盤輻條間隙向前方鑽孔爆破後，轉動刀盤再鑽孔爆破，直到開挖出直徑2000mm、深度600mm的半球形洞為止，如果巖體穩定性差，採用工字鋼臨時支撐；
(2)清理開挖倉運用滑輪把開挖倉內大石塊清除出倉，雜物和小石塊裝入編制袋吊到倉外；
在上述兩個步驟之前，可先進行刀盤結構檢查及修複方案確定，具體為
一是檢查刀盤，主要包括①刀盤內部結構檢查檢查刀盤中心旋轉體密封是否失效、 衝刷系統是否堵塞、攪拌棒是否脫落；②刀盤本體結構檢查用卡尺檢查刀盤切口環磨損情況，通過PT檢測和放大鏡檢查刀盤V面盤焊縫開裂情況；③刀盤附屬結構檢查通過測量和磨損檢查周邊滾刀刀箱變形和磨損程度，檢查中心刀刀座變形情況。二是確定刀盤修複方案刀盤內部結構採取在開挖倉內進行修復，刀盤本體結構通過增加楔塊加焊和堆焊耐磨網進行加固。刀盤附屬結構採取在刀盤前方開挖一個洞進行更換修復。步驟四、刀盤修復
(1)刀盤內部結構修復採取在開挖倉內進行修復，具體步驟為
①對磨損嚴重或已脫落的攪拌棒進行重新焊接；
②對衝刷系統管路進行清理，同時利用高壓水進行疏通；
③對於主軸承與刀盤旋轉體之間的密封採用先切除刀具磨損檢測系統，然後用鋼板將兩者焊接成一體，把刀盤旋轉接頭改為固定接頭，使旋轉體接頭不再隨著刀盤旋轉而旋轉， 解決旋轉接頭密封失效技術難題。(2)刀盤本體結構修復，具體步驟為
①V型面板焊縫處理a.工人進艙先對刀盤進行清洗，然後對焊縫進行探傷檢查，並對裂紋進行標識記錄；b.在V型面板裂紋的端部分別鑽一個5mm的小孔；c.在V型面板艙體前部割小口排空從裂紋滲透進去的泥水後，用水衝洗乾淨；d.採用碳弧氣刨將裂縫進行清根並進行打磨；e.將已打磨的裂紋缺口進行預熱到250°C時開始採用分層堆焊填平焊縫。 f.採用滲透探傷和超聲波探傷雙重檢驗，每道焊縫連焊三層就作第一次滲透檢驗，當焊縫完成一半後再作第二次滲透檢驗，焊完再進行超聲波探傷檢驗，發現焊縫瑕疵立即返工，直到檢驗合格為止；
②V型面板旋轉體增加肋板在輻條側向與旋轉體相連處增加三角形肋板(st52-3號鋼)，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；③V型面板增加筋板在輻條面板與軸體面相連處增加梯形筋板(st52-3號鋼)，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；
④堆焊網狀耐磨在輻條與切口環相連周邊20cm範圍內採用cr-ni-si-mn-mo耐磨焊絲進行網狀耐磨堆積焊接；
⑤切口環修復a.採用加熱方法對輻條間變形切口環矯正或切割；b.在輻條間切口環內部加設鋼板並焊接成一體；c.在切口環外部磨損嚴重的地方焊接耐磨板。(3)刀盤附屬結構的修復採取在刀盤修復洞室內進行更換修復，具體步驟為 ①周邊滾刀刀箱更換a.按照盾構設計圖紙對更換的刀箱在工廠進行加工製作，並做
好標識運到工地；b.利用刀盤前方洞室，採用氧焊切除變形或磨損刀箱後進行打磨處理； c.按照圖紙定位尺寸安裝新刀箱，採用測量手段和通過對稱點焊措施進行精確定位；d.採用交叉分層對稱堆焊焊接新刀箱，確保焊接件受熱均勻，避免工件由於受熱不均而導致位移；e.焊接驗收後立即安裝新刀具，並通過轉動刀盤進行下一個刀箱的更換。②周邊保護刀更換a.採用碳弧氣刨清除損壞的周邊保護刀後按圖紙定位尺寸焊接新的周邊保護刀；b.在周邊保護刀四周加焊耐磨網。工程實例
獅子洋隧道新建於廣深港高速鐵路專線廣州至深圳段位於廣東省中南部，是內地聯接香港的快速通路。位於廣州市南沙區的獅子洋隧道，左、右線各長10. 8公裡，隧道穿越小虎浙、沙仔浙和獅子洋三條水道，是目前國內裡程最長、建設標準最高的第一座水下鐵路隧道。獅子洋隧道全長10.8千米，時速目標值350公裡，三次穿江越洋。其中獅子洋水面寬 3300米，水深達26. 6米，為珠江航運的主航道，設計水壓達0. 67MPa,是國內首次在軟硬不均的巖層中採用大直徑泥水盾構長距離掘進。2010年9月，獅子洋隧道進口左右線盾構機在風化槽掘進中由於刀盤泥餅而磨損開裂、刀箱變形，塌方抱死刀盤而無法掘進，邀請國內外知名專家到現場，被專家認為無法脫困與修復，建議拆機改為礦山法，採用多種方案試圖脫困都遭到失敗，通過採用本發明所述的低壓分步加固與採用切口水壓進行盾體脫困技術，同時採用洞室修復刀盤的方法，並且在刀盤輻條之間加焊格柵技術使左右線盾構機起死回生，恢復到正常掘進，確保長距離過江盾構隧道左右線順利貫通，而且恢復掘進前，切除刀盤磨損檢測系統後，把刀盤旋轉接頭改為固定接頭，解決了主軸承密封失效世界性難題，延長了盾構機主軸承使用壽命，成功地完成了左右線刀盤的脫困與修復，規避了江水倒灌隧道的風險，使兩臺盾構恢復正常掘進，取得了良好的經濟效益和社會效益，在國內外創造了一個奇蹟，充分證明該工法技術先進，適用性強，推廣前景好。
權利要求
1.一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，其特徵是包括以下步驟步驟一、塌方體注漿固結(1)刀盤前方塌方體加固①在刀盤前方塌方體內插入細小剛性可彎曲的注漿鐵管； ②從下往上開始注入化學漿液；③採用低壓或無壓灌漿技術，壓力控制在0 10 kg/cm2 ；(2)刀盤上方塌方體加固①從盾構機超前鑽孔中鑽孔，要求鑽到塌方體頂部；②從左側逐步向右注入化學漿液，加固刀盤上方坍塌方體；③注漿壓力控制在0. IMPa以下，當注漿開始有壓力時結束注漿；(3 )盾尾上方塌方體加固①用電鑽在盾殼尾部起拱線以上間隔鑽孔，並焊接注漿管接頭；②採用左右兩側同時對稱逐步灌入化學漿液，加固盾尾上方塌方體；③注漿壓力慢慢增大，同時對盾尾進行沉降監測，當盾尾出現下移時停止注漿；(4)錨索塌方加固體①利用刀盤輻條之間空隙，向開挖面梅花型打入長纖維注漿錨杆；②從纖維錨杆裡注入化學漿液，使塌方加固體與前方基巖錨固成一體；③注漿壓力控制在0. IMPa以內，當塌方體開始擠出化學漿液反應物時停止注漿；(5)注漿效果檢查；步驟二、盾構機脫困(1)建立切口水壓注漿結束後關閉土倉門，然後向開挖倉內注入泥漿，在開挖面建立切口水壓，該水壓等於開挖面土層側壓；(2)消除掘進反力當切口水壓大於開挖面水土壓力時，用工字鋼把盾尾後面管片連接成一體，同時從底部順時針慢慢縮回掘進油缸，消除盾構掘進反力；(3)盾體後退通過逐步增大切口水壓，當作用在切口環反力大於盾體與土體摩擦力時，盾體慢慢倒退後伸出油缸，並增加掘進油缸壓力頂住隧道管片；(4)刀盤脫困採用空轉刀盤掘進模式，運用逐步增大扭矩直到刀盤能空轉幾圈後，當刀盤扭矩減小到正常為止，然後降低開挖倉水位，完成盾體及刀盤脫困；步驟三、刀盤修復的準備工作(1)鑽爆修復洞室在刀盤拱部利用刀盤輻條間隙向前方鑽孔爆破後，轉動刀盤再鑽孔爆破，直到開挖出半球形洞為止；(2)清理開挖倉；步驟四、刀盤修復(1)刀盤內部結構修復採取在開挖倉內進行修復；(2)刀盤本體結構修復；(3)刀盤附屬結構的修復採取在刀盤修復洞室內進行更換修復。
2.根據權利要求1所述的一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，其特徵是所述刀盤本體結構修復包括以下步驟(I)V型面板焊縫處理a.工人進艙先對刀盤進行清洗，然後對焊縫進行探傷檢查，並對裂紋進行標識記錄；b.在V型面板裂紋的端部分別鑽一個5mm的小孔；c.在V型面板艙體前部割小口排空從裂紋滲透進去的泥水後，用水衝洗乾淨；d.採用碳弧氣刨將裂縫進行清根並進行打磨；e.將已打磨的裂紋缺口進行預熱到250°C時開始採用分層堆焊填平焊縫；f.採用滲透探傷和超聲波探傷雙重檢驗，每道焊縫連焊三層就作第一次滲透檢驗，當焊縫完成一半後再作第二次滲透檢驗，焊完再進行超聲波探傷檢驗，發現焊縫瑕疵立即返工，直到檢驗合格為止；(2)V型面板旋轉體增加肋板在輻條側向與旋轉體相連處增加三角形肋板，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；(3)V型面板增加筋板在輻條面板與軸體面相連處增加梯形筋板，採用裂縫焊接方法使三者焊接成一體；(4)堆焊網狀耐磨在輻條與切口環相連周邊20cm範圍內採用耐磨焊絲進行網狀耐磨堆積焊接；(5)切口環修復a.採用加熱方法對輻條間變形切口環矯正或切割；b.在輻條間切口環內部加設鋼板並焊接成一體；c.在切口環外部磨損嚴重的地方焊接耐磨板。
3.根據權利要求1或2所述的一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，其特徵是刀盤修復時，對於主軸承與刀盤旋轉體之間的密封採用先切除刀具磨損檢測系統，然後用鋼板將兩者焊接成一體，把刀盤旋轉接頭改為固定接頭，使旋轉體接頭不再隨著刀盤旋轉而旋轉。
4.根據權利要求1或2所述的一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，其特徵是刀盤修復時，在刀盤上相鄰兩輻條之間的空隙用工字鋼焊接成格柵狀。
全文摘要
本發明涉及隧道盾構施工技術領域，具體為一種盾構機在風化槽中脫困及刀盤修復的方法，解決現有施工中盾體脫困和刀盤修復時工藝複雜、工期長、成本高等問題，包括對刀盤前方塌方體、刀盤上方塌方體、盾尾上方塌方體、錨索塌方進行注漿加固；建立切口水壓、消除掘進反力、盾體後退、刀盤脫困；鑽爆修復洞室、清理開挖倉，進行刀盤內部結構、刀盤本體結構、刀盤附屬結構修復，使盾體回復掘進。具有工藝簡單、施工工期短、施工成本低、適用性強等優點，成功地完成了隧道左右線刀盤的脫困與修復，規避了江水倒灌隧道的風險，使盾構快速恢復正常掘進，取得了良好的經濟效益和社會效益。
文檔編號E21D9/08GK102305082SQ20111020709
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月23日 優先權日2011年7月23日
發明者劉廣鈞, 李有兵, 王宗勇, 趙香萍, 雷軍 申請人:中鐵十二局集團有限公司, 中鐵十二局集團第二工程有限公司