南昌地铁 1 号线一期工程土建二标盾构机刀头磨破盾壳事件
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。我标段主要采用普通型,采用康达克和明洁两种品牌。
○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 主要采用巴斯夫、合东双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