鼓鸡区间右线盾构刀盘磨损情况资料.docx
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鼓鸡区间右线盾构刀盘磨损情况资料
南京市地铁四号线TA03标项目经理部
鼓楼站~鸡鸣寺站区间右线
盾构掘进中刀盘磨损事件情况材料
中铁隧道集团有限公司
南京地铁四号线TA03标项目经理部
二〇一五年六月
鼓楼站~鸡鸣寺站区间右线
盾构掘进中刀盘磨损事件情况材料
1.工况概况
鼓楼站~鸡鸣市盾构区间由鼓楼站出发以半径500m曲线转向东北方向,沿北京东路敷设至鸡鸣市站,区间进入鸡鸣市站前采用半径2000m及1500m反向曲线与3号线鸡鸣市站相接。
区间右线起讫里程为右CK15+~右CK16+,区间右线长度1139.795m。
本区间在CK16+076里程处设置联络通道及泵站一座。
本区间使用中铁41号盾构机施工。
中铁41号盾构机设计概况
复合式刀盘直径6460mm,刀盘开口率37%,刀盘转速为0~3r/min,最大推力3400t,最大掘进速度80mm/min,额定扭矩5500KNm,脱困扭矩6800KNm。
始发掘进刀具配置情况:
表1-1中铁41号盾构机刀盘
刀盘
刀盘型式
复合式材料:
Q345b
旋转方向
正反
开口率
约37%
双联齿刀
4把
齿刀
14把
单刃滚刀
20把
切刀
40把
边缘刮刀
16把
保径刀
8把
保护刀
16把
泡沫/膨润土浆注入孔数量
3/2
工程地质
(1)停机位置
鼓楼站~鸡鸣市站区间隧道右线隧道停机时,盾构推进至653环,刀盘位于659环,盾构机顶部埋深13.35m。
(2)停机位置纵断面地质情况
根据详细勘探资料显示,该里程纵剖面地质从上至下依次为杂填土、粉质粘土、2-3b4淤泥质粉质粘土(厚度为4.7m)、2-4b2粉质粘土(厚度4.6m)。
盾构机主要穿越3-2b2、3-1b1粉质粘土。
(3)盾构刀盘位置横断面地质分层
根据此前带压开仓检查结果和地质横断面图的分析,盾构目前掘进区域确定为土岩的复合地层。
掌子面70%为中风化石英砂岩,平均强度为80MPa。
在刀盘的右上方存在3-2b2粉质粘土层。
图1-1盾构刀盘后方27m位置横剖面地质分层图
图1-2刀盘位置现场钻孔实测地质剖面图
(4)主要土体抗剪强度
表1-2主要土体抗剪刀强度表
层号
取值
直剪快剪
直剪固快
天然休止角
Cq
kPa
φq
度
Ccq
kPa
Φcq
度
аc
аw
②-1b2
粉质粘土
平均值
标准值
②-3b4
淤泥质粉质粘土
平均值
标准值
②-4b2
粉质粘土
平均值
标准值
3-2b2
粉质粘土
平均值
标准值
(5)主要土体标贯指标
表1-3主体土体标惯指标
层号
名称
实测值
杆长修正值
N(击)
N'(击)
②-4b2
粉质粘土
平均值
标准值
③-2b2
粉质粘土
平均值
标准值
③-1b1
粉质粘土
平均值
标准值
(6)主要地层工程地质评价
表1-4主体地层工程地质评价
层号
岩土名称
岩性特征
不良地质评价
开挖后稳定状态
①-1
杂填土
杂色,松散~稍密,极不均匀
不良地层
围岩极易坍塌变形,易透水
①-2
素填土
灰黄色,粘性土为主,稍密,夹杂质,不均匀
不良地层
围岩极易坍塌变形,易透水
②-4b2
粉质粘土
灰色
可塑
强度较低,压缩性中等,微透水
②-3b4
淤泥质粉质粘土
灰色
流塑
强度很低,压缩性高,微透水
③-2b2
粉质粘土
灰黄、灰
可塑
强度中等,压缩性中等,微透水
(j1)-2xn-3
中风化
石英砂岩
浅灰色
较硬
岩芯为长柱、短柱状,取芯率70-90%,块状构造,主要由石英颗粒、少量长石颗粒组成。
局部发生深度变质,为较硬岩,岩体基本质量等级为Ⅳ级
工程水文情况
(1)设计情况
根据详勘显示,中风化岩层中含有裂隙水,基岩裂隙水是本标段重要水源之一,富水程度差异较大,基岩中风化层由于裂隙连通性差,又多被填充,其渗透性较差,且具多变性和不均匀性。
接受大气降水的补给及上层微承压水的补给,由于受裂隙分布及相互连通条件的影响,具多变性。
(2)掘进过程中喷涌情况
复合地层掘进过程中,螺机口有喷涌现象,地层中含水量很大。
周边环境情况
(1)地下管线情况
表1-5地下管线情况
序号
管线名称及特征
根数
埋深(m)
与隧道关系
1
380v铜电缆
1
上方,影响小
2
200*200光缆
1
上方,影响小
3
500mm钢管
1
上方,影响较大
4
胶管
2
地表
影响小
5
波纹管
2
影响小
(2)周边建筑物情况
隧道周边只有一层混凝土结构公厕一座,距离隧道较远,影响较小。
(3)交通情况
目前盾构机停机位置处于北京东路南侧正下方,该路段为双向四车道,路幅为28米。
北京东路为南京市重要路段,来往车流量非常大,是连接江苏省政府和市政府主要干道。
2.事件过程
复合地层第一次换刀情况
为保证盾构机顺利通过石英砂岩和粉质粘土的复合地层,盾构机掘进至611环进行了第一次换刀,带压进仓更换了38把滚刀,15把切刀,6把边缘刮刀。
该区段地质情况比较复杂,软硬不均,且地层中含水变化较大,含水量较为丰富,以下为渣土情况:
图2-1611-649环渣土情况
复合地层第二次换刀情况
2014年6月7日,盾构机在完成第一次换刀后掘进了39环,在此过程中,刀盘转速为,推力在1400t左右,刀盘扭矩平均3200KNm,掘进速度10mm/min,盾构掘进至650环时发现推力增大,掘进速度骤降,从12mm/min降至2mm/min,项目部立刻组织人员进行二次带压进仓作业,检查并更换了面板及周边滚刀。
更换8把滚刀之后掌子面不稳定(顶部坍塌高度约2.0米),为了保证人员安全,停止换刀继续掘进,中心滚刀未检查更换。
掘进过程停置情况
为确保盾构机通过风险区后安全换刀,于6月12日恢复掘进,651、552环掘进速度1-3mm/mim,推进速度无明显改善,且出渣量加大,刀盘电机扭矩限制器动作频繁,经项目部会诊分析,可能出现刀具破损,6月13日653环停止掘进。
进仓检查情况
(1)紧急处置
针对盾构停置位置(位于快车道和非机动车道中间绿化带)周边加强巡视及监测,2014年6月13日下午两点,地面巡视人员在绿化带路缘石部位发现裂缝,项目部及时与政府部门及地铁公司做了沟通,立即组织人员对绿化带停机位置进行围挡封闭,绿化带植被进行清除,探明地下管线并采取保护措施,同时安排地表注浆回灌加固。
(2)带压进仓检查情况
653环停止掘进后,项目一边做好带压进仓检查刀具准备工作,一边迅速联系专家进行安全带压进仓检查刀具方案评审。
6月17日:
开始向刀盘仓内注入高浓度膨润土制作泥膜。
土仓压力最大显示,排渣后再次注入6立方膨润土。
启动自动保压系统,压力设置,自动保压过程中比较正常。
17、18日累计注入膨润土24立方。
6月19日:
采取地面深孔注浆,在盾构刀盘处前三米,后两米,左右各一米的区域内进行充填加固注浆,浆液为水泥、水玻璃双液浆,注浆压力为,共计21个孔,共用水泥,水玻璃10t。
6月28日-29日:
开始进行带压进仓检查刀具,在检查过程中,掌子面上方土体出现垮塌、流泥现象,主要位于11:
00-12:
00位置。
随即关闭仓门进行缺陷部位补强加固注浆,补增了6个孔位,共用水泥,水玻璃6t。
地面补强注浆完成后,实现安全带压进仓检查。
7月3日再次带压进仓,7月4日完成刀具的检查,情况如下:
①刀具磨损情况
1-14#滚刀部分脱落或磨损严重;15#-18#正面滚刀偏磨;21#-30#正面滚刀正常磨损20mm左右。
检查切刀40把,部分切刀磨损量在2/3左右;12把切刀磨损量在1/3左右;15把切刀完好。
检查16把边缘刮刀,其中4把边缘刮刀合金部分磨损2/3左右,12把边缘刮刀合金部分少量磨损。
②刀盘检查情况
刀盘磨损范围以1-3#双联滚刀为中心,2650mm直径的圆形区域。
刀盘磨损最宽部位为25cm。
图2-2刀盘磨损区域示意图图2-3刀盘磨损宽度示意图
注:
红色区域为刀盘磨损区域。
刀盘磨损图
注:
此图为竖井开挖完成后的刀盘磨损图片。
3.刀盘修复情况
竖井方案确定及开挖
1、方案确定
经过三次刀盘修复专题会议,采取首先地表加固土体稳定地层,然后在盾构机切口处开挖竖井对刀盘进行修复的方案。
(1)袖阀管注浆加固
注浆范围为盾体左右两侧各1.0m,刀盘前方3.0m,刀盘后方2.0m;布孔间距不大于1.5m,布孔深度为刀盘上方0.5m-1.5m,刀盘前方入岩0.3米。
后又在此次注浆的基础上进行二次加密注浆,两次共计注水泥浆86m3,水玻璃13m3。
注浆范围及布置见下图。
图3-1注浆范围及注浆孔位平面布置图
图3-2注浆范围及注浆孔位剖面布置图
(2)树根桩注浆加固
为防止竖井开挖过程中前方土体失稳,根据专家会意见,在刀盘右前方打设两排树根桩。
树根桩桩径φ150mm,桩间距200mm,桩深入岩层50cm,注入水泥-水玻璃双液浆。
本次因管线及大树影响,共打设树根桩19根,每根桩注入浆液约为1t水泥量,未达到预期密排隔断、加固效果。
图3-3树根桩注浆范围及注浆孔位平面布置图
(3)竖井开挖过程
施工竖井平面为矩形,净空尺寸为1650mm×1800mm,竖井采用倒挂井壁法施工,人工分层开挖。
以刀盘顶部20cm处为分界面,分上下两部分施工,上部为封闭结构,下部为敞口式“U”结构。
同时为确保竖井结构稳定及刀盘修复过程中刀盘前方土体稳定,在刀盘前方及竖井前方布设三根人工挖孔桩(一根900mm、两根800mm)。
图3-4竖井与盾构机平面图
图3-5竖井与围护桩施工顺序图
图3-6竖井与盾构机正视图图3-7竖井及盾构机剖面图
刀盘维修方案确定及实施
1、刀盘修复方案确定
在确定盾构机刀盘磨损后,在实施地表加固及竖井开挖期间,联系厂家(中铁工程装备集体盾构公司)双方确定了刀盘修复方案如下:
(1)施工流程图
土仓整体加固,包括地下水阻隔,确保掌子面稳定。
准备
刨除刀盘中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板和喷口,对磨损刀梁进行打磨或切割修整。
确保仓内空气流通、时刻检测仓内CH4、CO含量,作业人员每小时轮换,人仓与土仓通道派人不间断值守。
刀盘及土仓渣土清理
作业竖井开挖。
新制磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、刮刀保护块、刀盘喷口,包括采购滚刀及刮刀安装所需螺栓。
(与其他工序可同步进行)
对刀盘中心区域磨损刀梁剩余宽度进行精确测量,同时测量该区域刀梁之间的位置关系,即平面度、平行度、垂直度。
刀盘结构焊接修复,注意焊接顺序。
刀盘在此过程中需旋转,以便钢板焊接。
﹡﹡
校核、修整
校核、修整
根据初步测量尺寸下料刀盘主梁、主梁筋板,制备坡口。
(与其他工序可同步进行)
中心两路刀盘喷口定位、焊接,管路焊接及保护。
新制刮刀刀座、刮刀保护块定位和焊接,根据新制刮刀刀座背部与原有刀座背部同平面定位。
中心刀箱和单刃刀箱定位、焊接,根据新制刀箱背部与原刀箱背部的同平面位置关系定位。
滚刀、刮刀刀具安装。
完成
图3-8刀盘修复流程图
(2)刀盘修复空间示意图
由于竖井的尺寸为1650mm,刀盘维修部位直径为2650mm,在维修过程中,要对
刀盘进行转动才可满足刀盘的维修工作。
图3-9刀盘中间三维模型图
图3-10掌子面作业空间视觉图
(3)刀盘结构修复
图3-11刀盘结构修复示意图
①刨除中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、中心刀盘喷口等,对磨损刀梁进行打磨或火焰切割修整,处理完后测量磨损刀梁各部位剩余宽度;
②通过测得数值现场校核每块下料钢板的尺寸,并进行局部修整;
③考虑到土仓的空间及钢板的定位,如图所示0°和180°主梁分成A、B、C三块进行拼焊,A、B、C三块全部拼焊完成后,依次焊接主梁D(总共四块)以及主梁之间的筋板(1、2、3、4),完成之后对刀盘45°、135°、225°、315°四个副梁进行修复,由于副梁磨损区域较小,根据现场下料焊接修复。
(4)新制刀箱的定位和焊接,刀盘喷口的定位和焊接,所有刀具的安装。
图3-12刀盘维修后效果图(从刀盘背部视觉)
(5)土仓作业技术要求
①为便于土仓内打磨、定位和焊接等作业,刀盘在此过程中需频繁旋转,故需保证土仓整个环境土体岩层的稳定。
②土仓作业时焊接所产生的烟雾比较大,内部环境温度较高,需保证土仓具有较好的空气流通。
③磨损主梁焊接面需打磨见金属光泽,采用多层多道焊接,保证主梁连接强度;
⑤钢板焊前坡口需预热及焊后保温,同时注意控制焊接变形,必要时可打工艺辅助支撑梁,保证刀箱安装空间;
⑥为防止土仓内部积水,在前盾隔板底部需连接1-2个水管,利用水泵及时排水;
⑦土仓空间布置一定数量的照明灯,特别是作业空间处的照明,保证作业人员的正常工作。
⑧严格按照安全技术交底进行刀盘修复工作。
2、刀盘修复过程
刀盘修复时间为2014年10月13日-11月3日。
刀盘修复工作实行领导值班制度,重点工作注重修复过程中的安全检查及防护工作,尤其时刻观察掌子面的变化情况,同时对掌子面进行有效的防护工作。
(1)长短刀梁定位和焊接
①由于旧刀梁变形区域较多,使用高温矫正后对接,对于变形量较大处,采取焊后对突起处刨除;
②焊缝采用多层多道焊;
③焊前预热,焊后保温;
④采取焊接防变形措施;使用钢筋支撑,做为反变形措施;
图3-13长刀梁定位图
(2)副梁焊接
①对45°、135°、225°、315°共四处的副梁进行修复,修复至原样;
②对45°和225°的副梁增加耐磨焊条。
图3-14副梁耐磨焊图
(3)刮刀刀座和保护块定位
①刮刀刀座定位尺寸误差≤2mm;
②在3号刮刀和4号刮刀保护块上下方焊接加强筋板。
图3-15刮刀刀座定位图
(4)滚刀刀箱定位焊接
①刀箱整体定位参考筋板定位,放置后距离筋板的间隙平均满足≤3mm;
②第16号刀箱的高度定位参考20号刀箱,其余刀箱综合参考17、18、19号刀箱,使用轨迹定位,保证在同一平面上;
③刀箱与筋板、刀梁与刀梁焊接时,由筋板和刀梁处向刀箱靠拢。
刀箱与刀箱由中间向两边焊接。
图3-16刀箱定位图
(5)泡沫管和膨润土管修复
a泡沫管路和膨润土管路疏通后再焊接喷口;
b喷口增加保护钢板;
c保护钢板上堆焊网格耐磨焊。
图3-17刀箱定位图
(6)刀盘修复完成
刀盘修复完成后,双方委外对刀盘焊接部位进行超声波探伤按《GB11345-89》B级执行,符合Ⅱ级要求。
刀具安装结束后,刀具高低定位应满足设计要求。
图3-18刀箱定位图
4.事件原因分析
根据掘进参数、历次开仓检查结果及竖井揭示地质情况判断,事件原因分析如下:
(1)鼓~鸡区间地质复杂多变,软硬不均,且地层中含水量及其变化较大,区间详勘报告中岩层强度远低于实际岩石强度,在强度高的石英砂岩和粉质粘土的复合地层掘进容易导致刀盘磨损。
(2)南京市北京东路为城市主干道,来往车流量非常大、绿化改迁困难,无补充勘察条件,勘察资料不能准确反映该段地质情况,详勘地质纵断面图未反应岩石分布范围。
(3)在复合地质地段,第二次带压进仓对周边滚刀检查更换结束后,刀盘顶部塌陷(顶部坍塌高度约2.0米),继续带压进仓危险性较高,地面无加固条件,为了保证人员安全,停止换刀继续掘进。
(4)掘进至650环时,掘进速度突降,说明此时部分刀具已经磨损至极限,或个别刀具脱落。
5.盾构出洞后刀盘刀具情况
根据专家会制定后续300环掘进方案,掘进过程顺利,盾构顺利贯通出洞后,未发现刀盘有焊缝脱落、刀盘磨损、结构变形等现象,盾构机及其刀盘状态良好。
图5-1盾构机出洞后刀盘照片
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