CN111946350A - 一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于盾构刀盘边缘修复技术领域，公开了一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，包括停机里程制定；作业面施工程序；刀盘边缘修复程序。本发明采用人工挖孔桩、小半径钢护筒分体焊接下井及袖阀管注浆加固的竖井作业面施工方案，满足该类地层施工安全及空间要求；根据每一处的刀盘磨损情况制定多维修复选型方案，现场下料，结合多层多道的焊接方法，选取与原厂制造时相同或类似的气体保护焊接工艺，严格控制焊接质量，保证修复效果。提前开挖工作井与盾构掘进同步，到达停机里程后即可衔接下步工作，解决了先停机加固、洞内修复辅助洞室扩挖及作业平台搭建等措施造成此类地层修复工期延误的难题。
Description
技术领域
本发明属于盾构刀盘边缘修复技术领域，尤其涉及一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法。
背景技术
刀盘作为盾构机的主要部件之一，一般情况下其设计可满足抗变形能力要求。随着城市建设的发展，盾构机在含漂石的砂卵石层、密实度较高的铁板砂层及其他不良地层中开挖造成刀盘、刀具普遍磨损的现象。刀盘靠近边缘的区域因掘进线距离长，受不均匀荷载、地下水冲击等叠加作用影响极易出现高度磨蚀，导致盾构机掘进速度降低，甚至无法掘进，刀具的更换通常有常压开舱、带压开舱、地面加固后常压开舱等方法，因此到目前为止，基于高磨蚀性地层的刀盘边缘修复认为是世界性难题。为了保证开挖面的稳定，修复目前除了利用常规竖井法施工之外没有其他安全方法，而常规竖井法开挖支护反复进行，存在工艺复杂、工期长、成本高等缺点。在施工中不断研究，最终采用一种人工挖孔桩内置钢护筒的微型工作井进行刀盘边缘修复。实践证明，此方法在确保施工安全的前提下，能够高质、经济、快速的完成对盾构刀盘的修复工作，经济效益和社会效益显著。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术采用停机后常规竖井法开挖支护反复进行，施工工艺复杂，针对刀盘边缘修复施工方式不灵活，浪费大量施工时间，不满足目前一般的计划与协调要求。现有技术采用洞内修复辅助洞室扩挖及作业平台搭建等措施一般采用弱***施工，安全性不佳，不适合上述围岩不稳固的地层。且需随时进行渣土清理，长时间造成工期延误。
解决以上问题及缺陷的难度为：现有技术一般会利用硬岩位置处掌子面的稳固，进行隧道内刀盘边缘磨损修复，缩短了施工工期，使在狭小空间内更换刀具或刀座变得可行，但同时又避开了漂石的砂卵石层、密实度较高的铁板砂层及其他掌子面不稳固且磨蚀性较高的地层中，也需要进行隧道内刀盘边缘磨损快速修复的事实。因此到目前为止，基于上述地层的刀盘边缘修复认为是世界性难题。为了保证开挖面的稳定，修复目前除了利用常规竖井法下井施工外没有其他安全方法，常规竖井法一般需要提前停机再开挖，且渐渐不满足目前的计划与协调要求。如何对上述地层条件下隧道内刀盘快速磨损修复进行全方面协调，进行施工方法及方式的革新成为难点。
解决以上问题及缺陷的意义为：扩大了隧道内刀盘边缘磨损快速修复的地层界限，相比常规竖井法开挖支护、洞内修复辅助洞室扩挖及作业平台搭建的过程，采用人工挖孔桩内置钢护筒的微型工作井施工方式，满足该类地层的施工安全要求。提前开挖工作井，盾构机到达后立即配合微型作业面进行刀盘分格转动修复，节省了大量施工时间，解决了传统先停机再开挖工作井进行修复造成掘进不连贯的难题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法。
本发明是这样实现的，一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，所述基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法包括：
第一步，停机里程制定，结合磨损现状，同步盾构掘进与作业面修复点施工，到达后开始修复；
第二步，作业面施工程序，人工挖孔桩施工、钢护筒吊装分体焊接及内置、微型井壁混凝土浇筑、井外袖阀管注浆圈注浆加固；
第三步，刀盘边缘修复程序，洞内操控、刀盘分格转动、出土量控制、现场下料、切割焊接、循环作业。
进一步，所述基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法的磨损现状处理包括：在钢护筒内壁焊接爬梯，爬梯采用14mm钢制制作，在钢护筒接口处外沿十字方向焊接4个定位筋，钢护筒与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实，钢护筒分体焊接及下井，与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实，在接口处外沿十字方向焊接4个定位筋。
进一步，所述第一步还包括根据盾构开仓间隙进入土仓，再测定刀盘边缘预设的移动式磨损检测装置的磨损量，当磨损量接近20mm时，需结合盾构掘进速度、降水井施工进度等条件，计划确定刀盘边缘修复里程。(磨损检测装置：***刀盘边缘且可取出，最终长度变化的差值即磨损量)
进一步，所述第一步还包括同步盾构掘进与作业面施工，盾构机到达停机里程后即可开始刀盘修复工作；用风镐凿除竖井底部素混凝土露出刀盘与盾体，井内排尘完成后，测量具体磨损尺寸。
进一步，所述第二步还包括根据尺寸下料，修补完成一处，分格转动刀盘，再修复下一处，刀盘分格转动出露外圈磨损区域至作业面修复位置，再根据各处实际磨损情况，确定针对性多维修复选型，合理下料。
进一步，所述第三步还包括将刀盘被磨损的外周部分切除，同时将刀盘边缘区域磨损的滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板予以刨除；将磨损的刀盘进行火焰切割修整，并将磨损区域待焊接面打磨出金属光泽。
进一步，选取CO2气体保护焊接及多层多道焊接工艺。
进一步，所述第三步之后需要在高磨蚀性地层中作业后，刀盘外圈区域环形分布的合金耐磨块，磨损严重部位则更换新块，磨损但块型完好部位则表面补堆耐磨焊，侧面磨损部位则凹槽焊接耐磨钢板。
进一步，在高磨蚀性地层中作业后，在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm；在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm。
进一步，在高磨蚀性地层中作业后，在刮刀背部补加厚钢板块的高度低于刮刀刀刃合金块位置，且紧挨刮刀背面；钢板宽度＞50mm，且四周的焊缝满焊，钢板块底部需打坡口，采用坡口焊，且坡口大于15mm，钢板块表面及侧面均提前平堆耐磨焊；同时将厚钢板切割成3块以上，钢板块横向之间的间隙焊接堆平，纵向焊缝整体连接，堆起高度大于30mm、宽度大于30mm。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用人工挖孔桩、小半径钢护筒分体焊接下井及袖阀管注浆加固的竖井作业面施工方案，满足该类地层施工安全及空间要求；根据每一处的刀盘磨损情况制定多维修复选型方案，现场下料，结合多层多道的焊接方法，选取与原厂制造时相同或类似的气体保护焊接工艺，严格控制焊接质量，保证修复效果。提前开挖工作井与盾构掘进同步，到达停机里程后即可衔接下步工作，解决了先停机加固、洞内修复辅助洞室扩挖及作业平台搭建等措施造成此类地层修复工期延误的难题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法流程图。
图2是本发明实施例提供的作业面整体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的钢护筒成型图。
图4是本发明实施例提供的刀盘边缘修复区域示意图。
图5是本发明实施例提供的刀具及刀盘边缘磨损量测定示意图。
图6是本发明实施例提供的盾构到达作业面实景。
图7是本发明实施例提供的刀盘边缘修复过程实景。
图8是本发明实施例提供的修复完成的刀盘外圈合金耐磨块示意图。
图9是本发明实施例提供的修复完成后的边缘滚刀及滚刀刀箱示意图。
图10是本发明实施例提供的刮刀修复工艺示意图。
图11是本发明实施例提供的破岩模型示意图。
图12是本发明实施例提供的滚刀磨损预测计算值与工程实测值对比示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法包括以下步骤：
S101：停机里程制定，结合磨损现状，同步盾构掘进与作业面修复点施工，到达后立即开始修复工作；
S102：作业面施工程序，降水井施工、人工挖孔桩施工、小半径内置钢护筒分体焊接及下井、竖井袖阀管注浆加固；
S103：刀盘边缘修复程序，洞内操控、刀盘分格转动、出土量控制、现场下料、切割焊接、循环作业。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
以成都地铁工程为例，挖孔桩直径1.4m，钢护筒直径1.2m，筒厚10mm，单节筒长度为3m，按照要求在筒内壁焊接爬梯，爬梯采用14mm钢制制作。在钢护筒接口处外沿十字方向焊接4个定位筋。钢护筒与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实。钢护筒分体焊接及下井，与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实。按照要求在钢护筒内壁焊接爬梯，在接口处外沿十字方向焊接4个定位筋。如图2和图3所示。
修复任务包括：A、刀盘外圈磨损区域，加(补)焊耐磨钢板；B、刀盘外圈磨损区域，更换耐磨合金块；C、边缘滚刀更换，边缘滚刀刀箱更换；D、边缘刮刀更换，边缘刮刀刀座更换；要求修复后尺寸与原设计尺寸保持一致等。如图4所示。
根据盾构区间开仓换刀磨损量测定、磨损检测点数值反馈等方法预计未来刀盘磨损量，结合前方降水井的施工情况，在计划里程对刀盘边缘进行修复。如图5所示。
同步盾构掘进与作业面施工，盾构机到达停机里程后即可开始刀盘修复工作，比传统先停机再开挖工作井节省大量施工时间，满足计划、协调及安全要求。用风镐凿除竖井底部素混凝土露出刀盘与盾体，井内排尘完成后，由工程师下井测量具体磨损尺寸。如图6所示。
地面维修人员根据尺寸下料。修补完成一处，分格转动刀盘，再修复下一处。刀盘分格转动出露外圈磨损区域至作业面修复位置，再根据各处实际磨损情况，确定针对性多维修复选型，合理下料，使得整个流程具有较强的连续性，同时解决了以往修复过程中浪费大量材料成本，后期效果却不佳的难题。
将刀盘被磨损的外周部分切除，同时将刀盘边缘区域磨损的滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板予以刨除；将磨损的刀盘进行火焰切割修整，并将磨损区域待焊接面打磨出金属光泽。为保证后期施用效率，采用多层多道焊接方法，选取与原厂刀盘制造时相同或类似的CO2气体保护焊接工艺。如图7所示。
在高磨蚀性地层中作业后，刀盘外圈区域环形分布的合金耐磨块，磨损严重部位则立即更换新块，磨损但块型完好部位则表面补堆耐磨焊，侧面磨损部位则凹槽焊接耐磨钢板。第二道耐磨环、边缘刀箱、刀座位置也进行针对性工艺选型。如图8所示。
在高磨蚀性地层中作业后，盾构滚刀刀箱均磨损严重，滚刀安装楔块及C型块外漏且已无保护。在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm。在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm。如图9所示。
在高磨蚀性地层中作业后，刮刀刀座磨蚀严重，刮刀外漏已无刀座保护，在刮刀背部补加厚钢板块的高度低于刮刀刀刃合金块位置，且紧挨刮刀背面。钢板宽度＞50mm，且四周的焊缝满焊。钢板块底部需打坡口，采用坡口焊，且坡口大于15mm。钢板块表面及侧面均提前平堆耐磨焊。同时，由于刮刀背部刀盘表面为弧形结构，可将厚钢板切割成3块以上，以方便贴合磨损面且所有焊缝必须连接，钢板块横向之间的间隙焊接堆平，纵向焊缝整体连接，堆起高度＞30mm、宽度＞30mm。如图10所示。
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
在全面分析高磨蚀性地层滚刀磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和冲击磨损等四种磨损机理的基础下，推导出不同磨损机制下滚刀径向磨损量计算模型。利用滚刀CSM模型，对滚刀进行受力分析，结合四种磨损机制，提出滚刀总体磨损量预测模型，经应用实践证明，该预测模型对于砂卵石、漂石等高磨蚀性地层具有很好的适应性，如图11及图12所示。
关于砂卵石地层的刀具磨损及寿命预测的研究较少，通过本次研究提出的滚刀磨损量预测模型，能较为准确掌握换刀时间，从而避免滚刀磨损过度或是滚刀提前更换造成的经济损失。通过延伸探索，发现该模型在刀盘边缘磨损预测上也具有一定的相关规律性，对防止掘进阶段刀盘边缘过度磨损、刀盘边缘修复效果起到一定的辅助性作用。
综合刀盘优化设计+基于高磨蚀性地层的刀盘边缘快速修复技术+卡停防控及脱困技术等形成的“多保险”联合创新方案，平均减少换刀2台·次，平均减少开仓取石12次。盾构耗材、电费、机械折旧费、周转材料使用费、人工费大幅降低。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法包括：
第一步，停机里程制定，结合磨损现状，同步盾构掘进与作业面修复点施工，到达后开始修复；
第二步，作业面施工程序，降水井施工、人工挖孔桩施工、小半径内置钢护筒分体焊接及下井、竖井袖阀管注浆加固；
第三步，刀盘边缘修复程序，洞内操控、刀盘分格转动、出土量控制、现场下料、切割焊接、循环作业。
2.如权利要求1所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法的磨损现状处理包括：在钢护筒内壁焊接爬梯，爬梯采用14mm钢制制作，在钢护筒接口处外沿十字方向焊接4个定位筋，钢护筒与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实，钢护筒分体焊接及下井，与人工挖孔桩护壁间隙采用素混凝土回填密实，在接口处外沿十字方向焊接4个定位筋。
3.如权利要求1所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述第一步还包括根据盾构区间开仓换刀磨损量测定、磨损检测点数值反馈方法测定未来刀盘磨损量，结合前方降水井的施工情况，在计划里程对刀盘边缘进行修复。
4.如权利要求3所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述第一步还包括同步盾构掘进与作业面施工，盾构机到达停机里程后即可开始刀盘修复工作；用风镐凿除竖井底部素混凝土露出刀盘与盾体，井内排尘完成后，测量具体磨损尺寸。
5.如权利要求1所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述第二步还包括根据尺寸下料，修补完成一处，分格转动刀盘，再修复下一处，刀盘分格转动出露外圈磨损区域至作业面修复位置，再根据各处实际磨损情况，确定针对性多维修复选型，合理下料。
6.如权利要求3所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述第三步还包括将刀盘被磨损的外周部分切除，同时将刀盘边缘区域磨损的滚刀刀箱、刮刀刀座、加强筋板予以刨除；将磨损的刀盘进行火焰切割修整，并将磨损区域待焊接面打磨出金属光泽。
7.如权利要求6所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，选取CO2气体保护焊接工艺多层多道焊接。
8.如权利要求1所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，所述第三步之后需要在高磨蚀性地层中作业后，刀盘外圈区域环形分布的合金耐磨块，磨损严重部位则更换新块，磨损但块型完好部位则表面补堆耐磨焊，侧面磨损部位则凹槽焊接耐磨钢板。
9.如权利要求8所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，在高磨蚀性地层中作业后，在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm；在外漏的楔块和C型块三面补加厚钢板块，钢板块高度大于现有楔块或C型块高度，钢板块平行贴合楔块或C型块侧面，二者间隙2mm。
10.如权利要求8所述的基于高磨蚀地层的盾构刀盘边缘快速修复施工方法，其特征在于，在高磨蚀性地层中作业后，在刮刀背部补加厚钢板块的高度低于刮刀刀刃合金块位置，且紧挨刮刀背面；钢板宽度＞50mm，且四周的焊缝满焊，钢板块底部需打坡口，采用坡口焊，且坡口大于15mm，钢板块表面及侧面均提前平堆耐磨焊；同时将厚钢板切割成3块以上，钢板块横向之间的间隙焊接堆平，纵向焊缝整体连接，堆起高度大于30mm、宽度大于30mm。
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