大直径泥水盾构刀盘应用与管理T35

中铁隧道局集团有限公司佛莞城际FGZH-3标项目经理部吴建宏2018年11月佛莞城际轨道交通广州南站至望洪站工程FGZH-3标大直径盾构常压刀盘应用与管理技术目录一、引言二、常压刀盘概况三、常压换刀四、常压换刀应用与管理五、问题及应对措施六、结语一、引言第一代国内最早应用仅适用于切刀及刮刀更换。第二代在第一代基础上对刀具取出、安装及刀头固定等设计方面进行了改进。第三代在前两代的基础上，实现了滚刀更换。第四代完善了液压油缸系统插拔油缸、机械保护等工装配置；增加了多道密封等防护措施，使换刀作业更加的便捷、安全。01020304发展历程近年来，大直径盾构已广泛应用于我国各大、中型城市的隧道建设中，为应对复杂地层和复杂工况下的施工要求，常压刀盘的应用也越来越多，其研发、应用与管理技术也趋于成熟。2.1工程概况二、常压刀盘概况由中铁隧道局集团承建的佛莞城际FGZH-3标位于广州市番禺区石楼镇及东莞市麻涌镇内。线路始于番禺区茭塘东村，下穿珠江狮子洋后至东岸新沙港码头，沿西部干道前行，在中纺粮油公司前线路向南偏离西部干道，过中纺粮油公司后出地面，至本标段设计终点。2.2工程概况二、常压刀盘概况佛莞城际FGZH-3标盾构隧道长4900m，由一台盾构独头掘进；隧道最大埋深64m，最大水深17m（所要承受的最大压力近10bar）；区间地层主要为软硬不均地层、全断面硬岩地层及破碎带复合地层；地层之间相互交错，且地层石英含量达70%～80%；在过江段存在三段总长424m破碎带，地层透水性强、水压高，且地表环境主要为狮子洋江面及运输干道。二、常压刀盘概况综合线路、水文、地质等情况，考虑普通刀盘可能要面对频繁的高压进仓换刀作业，其风险大、成本高、耗时长；而采用常压换刀刀盘可以实现全地层中的刀具检查更换，刀具配置方案也可以满足地层掘进需要，且刀具检查和更换便捷、风险可控、成本较低，方案最为经济合理。8常压刀盘普通刀盘2.3刀盘选型项目采用的具备常压换刀刀盘的大直径气垫式泥水平衡盾构机，开挖直径13.61m；整机长137m，主机长度14.4m（含刀盘）；主机重量约2500T，整机重量约3500T；主驱动总功率4900Kw，整机总功率10220KW；最大掘进速度40mm/min；最大推力约22432t，主驱动额定扭矩23289KN.m，脱困扭矩37262KN.m；最大进/排浆流量为3000m³/h，采用DN500mm泥浆管路。盾构机构造图整机长度137m主驱动总功率4900kw最大掘进速度40mm/min刀盘重量430T二、常压刀盘概况2.4盾构机设计概况盾构机构造图中心滚刀边滚刀正滚刀刮刀边刮刀二、常压刀盘概况2.5刀盘设计刀盘参数一览表项目名称单位参数备注开挖直径mφ13.61开口率31%

重量t约430t

常压可更换中心滚刀数量/直径/刀高把/″6把双刃滚刀/19撕裂刀互换/2251#～12#常压可更换正滚刀数量/直径/刀高把/″23把双刃滚刀/19撕裂刀互换/22513#-58#常压可更换边滚刀数量/直径/刀高把/″6把双刃滚刀/19撕裂刀互换/22559#-68#常压可更换边刮刀数量/刀高把48把/185

刮刀数量把144把刮刀

边刮刀数量把12把边刮刀

正滚刀刀间距mm100

边滚刀刀间距mm120

滚刀液压磨损监测个35个液压式磨损探测装置

刀盘周边液压磨损监测个1

刀盘背部液压磨损监测个2

刀盘冲刷口路21中心6路＋刀臂面板3路＋刀臂间横向6路＋刀臂间中心向外6路二、常压刀盘概况常压刀盘针对性设计刀盘直径为13.61米，配置可常压更换刀箱需要，开口率仅为31%；配置刀具以滚刀（撕裂刀互换）和刮刀为主；配备了伸缩摆动球轴承，且具备伸缩功能（可回缩量为400mm，最大扩挖量25mm）;刀盘正面和背面钢结构、滚刀、刮刀、及相关的刀箱、刀座均配置了耐磨材料；在沿刀盘主臂上配置磨损检测条以监测刀盘结构磨损情况；滚刀DCRM监测（旋转情况、刀温等）。在面板、主臂、卸渣槽位置共布置21个冲刷孔（其中刀盘正面有9路，6路平行，6路径向，最大冲洗流量达1100m3/h）；同时在每把滚刀刀箱上也都布置有冲刷点刀盘刀具配置防磨损设计刀盘冲刷2.5刀盘设计滚刀刀筒初始状态刮刀刀筒初始状态三、常压换刀正常掘进状态，刀具伸出刀盘面板切削岩石和土体，当需要检查刀具磨损或换刀时，作业人员首先将待更换刀具所在刀臂旋转至刀盘中心正下方位置，通过配套的工装，将整个刀筒从刀箱内拉出约2/3，后关闭闸门，隔绝泥水仓，再将刀筒整个抽出，实现刀具常压下检查更换。刀筒作为整个闭合单元抽出，常压换刀系统包括刀筒、闸门装置、拆装工装、吊运工具等。3.1换刀原理三、常压换刀刀3.2换刀特点施工人员不用用进入泥水仓仓内，在常压压大气状态下下即可实现刀刀具更换，降低了施工安全风险；安全性高成本低效率高影响小特点一特点四特点二特点三每次换刀无需制备高粘粘度泥浆，不用增加其他他辅助设备，同常规带压进仓及饱饱和气体进仓相比，施工成本最为为低廉。平均更换一把把刀只需3h，相比带压进仓仓、饱和气体进仓等，无需进行加减压压作业，在换换刀效率方面面提高了2～4倍。无需对地层进行加固，不不会对地面交交通及周围环环境造成影响响，减少对外外沟通压力。换刀工装刮刀刀筒构造换刀工具滚刀刀筒构造①刀筒底部支撑撑；②底部支支撑螺栓；③③刀筒夹；④④伸缩油缸；；⑤伸缩油缸缸的油缸夹；；⑥液压阀块块（一个为伸伸缩油缸的/一个为可更换换刀箱闸门的的）；⑦带压压力表的三通通；⑧伸缩油油缸尾夹；⑨⑨刀盘上伸缩缩油缸托架。。①含有2个叉脚的闸门门油缸；②伸伸缩油缸；③③摆钟型套筒筒；④液压阀阀块。三、常压换刀刀3.3换刀工装传感器拆除伸缩油缸安装油缸与刀筒连接刀筒螺栓拆除刀筒回缩安装刀筒夹及底部支撑刀箱闸门关闭刀筒再次回缩移出刀筒三、常压换刀刀3.4常压拆除滚刀刀刀具安装压块放置刀具上螺栓风动扳手紧固拧紧力矩测量制动环及制动块焊接加固传感器安装端盖安放油管连接油管试压刀筒螺栓紧固三、常压换刀刀3.4常压安装滚刀刀刀筒吊运到位刀筒缓慢推进伸缩油缸安装刀筒注水加压打开刀箱闸门刀筒逐步顶进刀筒插入到位螺栓紧固传感器安装三、常压换刀刀3.4常压安装滚刀刀拆卸刀筒盖伸缩油缸装入刀筒摆钟型套筒安装刀筒缩回、拆除三、常压换刀刀3.4常压拆除刮刀刀刀头更换刀筒及摆钟型套筒准备刀筒冲压、闸门打开、插入刀筒刀筒及摆钟型套筒插入刀箱三、常压换刀刀3.4常压安装刮刀刀三、常压换刀刀3.5控制要点释放压力、刀刀桶托架安装装、抽刀伸缩油缸拆除除、吊刀、检检修更换专人指挥、统统一协调，步步步签认仓内循环、刀刀箱及结构腔腔体冲洗磨损监测装置置及线路拆除除油缸顶伸、螺螺栓拆除、闸闸板控制控制要点安装为拆除的的逆操作，主主要区别为拆拆刀时泄压，，而装刀时为为加水冲压，，其他操作基基本相同。四、常压刀盘盘应用及管理理4.1掘进管理一、掘进参数数管理以刀盘挤压力力和扭矩波动动控制作为基基准参数，确确保整体参数数的相互匹配配，做到有效效掘进。同时时建立参数报报警制度，严严格落实执行行。二、泥水仓管管理合理分配冲刷刷流量分配，，注重刀盘中中心及面板冲冲刷，泥水仓仓底部冲刷。。三、刀具管理理密切关注滚刀刀监测系统，，根据地层进进行刀具磨损损分析，预判判刀具检查更更换时间。同同时做好滚刀刀装配和安装装。四、检测分析析以渣样分析、、泥浆性能检检测、颗粒分分析等管理为为有效手段，，指导掘进施施工。五、管路维护护专职人员和班班组定期对冲冲刷管路、泥泥浆管路壁厚厚进行检测、、分析、保养养，未雨绸缪缪，提前处理理，提高设备备利用率。四、常压刀盘盘应用及管理理1）盾构主司机机严格执行‘‘掘进参数报报警制度’，，掘进参数数的合理性是是通过不同地地层段来设设定，而非一一成不变，通通过掘进不断断优化如刀盘盘转速、刀盘盘挤压力、刀刀盘扭矩、推推力、泥水压压力、中心冲冲刷、泥水仓仓和气垫仓底底部冲刷等参参数，做到有有效掘进，提提高掘进效率率；2）盾构主司机机还要做好““盾构主司机机开机准备检检查”和“刀刀盘刀具及冲冲刷口检查””，开机前的的注意事项，，以及对刀盘盘液压磨损、、刀具液压磨磨损监测检查查及冲刷口开开启及堵塞检检查等；4.2掘进参数控制制四、常压刀盘盘应用及管理理3）滚刀旋转监监测：盾构主主司机严格““滚刀旋转监监测系统报警警”，通过实实时滚刀旋转转监测系统，，主司机时刻刻关注滚刀旋旋转次数和温温度，如有问问题做到排除除故障才可掘掘进；不可蛮蛮干。4.3掘进参数控制制四、常压刀盘盘应用及管理理4）滚刀旋转监监测：盾构主主司机严格““滚刀旋转监监测系统报警警”，如出现现滚刀旋转监监测系统完好好，而旋转或或温度异常，，必须停止掘掘进抽刀检查查，这是因为为刀盘特殊性性，刀间距及及地层需要。。4.3掘进参数控制制四、常压刀盘盘应用及管理理1)滚刀磨损值计计算指导检查查换刀通过各刀刃旋旋转半径等参参数，结合各各地层段的磨磨损系数，推推算出滚刀的的磨损值，通通过磨损值可可以计算出各各刀刃磨损速速率，主要有有两个参数（（单位毫米掘掘进米数m/mm和单位毫米掘掘进渣土方量量m³/mm）4.4刀具管理四、常压刀盘盘应用及管理理2）自掘进参数的变变化（扭矩、、挤压力、推推进速度结合合判断）刀具具磨损情况。。4.4刀具管理四、常压刀盘盘应用及管理理3）对特殊刀位位滚刀的关注注因常压刀盘特特殊刀位有刀刀具磨损过快快情况，具体体原因有可能能是因为常压压刀盘中心部部位无开口，，造成滚刀的的二次磨损或或撞击；有可可能是刀盘刀刀具设计原因因，刀盘偏心心距过大；有有可能是局部部为冲刷所限限，造成二次次磨损等原因因。比如：15/16、17/18、19/20、61/62刀位。4）滚刀温度变变化根据此前的经经验总结，滚滚刀旋转监测测系统同时在在监测滚刀旋旋转和近似刀刀面的温度，，经过总结，，在全断面硬硬岩地层，滚滚刀磨损增加加，破岩能力力降低，监测测温度会普遍遍升高。5）刀具装配和和安装质量要要求通过对刀具进进场检查、刀刀具维修质量量、安装的卡卡控，保证刀刀具本身质量量。4.4刀具管理四、常压刀盘盘应用及管理理常压刀盘面板板、周边及背背部设计有液液压磨损检测测装置，每把把滚刀刀筒设设计有液压磨磨损检测装置置，也是刀盘盘磨损的最后后一道防线。。但是为了确确保常压刀盘盘的安全使用用，刀盘壁厚厚检查必不可可少（超声波波测厚仪）。。4.5刀盘壁厚检查查面板和周边检检查背部检查四、常压刀盘盘应用及管理理常压换刀刀盘盘在前舱（泥泥水仓）隔板板顶部和侧部部安装了摄像像头，通过摄摄像头可直观观反映刀盘周周边及背部部部分磨损情况况，刀臂间卸卸渣槽情况4.6前舱隔板摄像像头检查四、常压刀盘盘应用及管理理常压换刀刀盘盘盾构配备了了完备的带压压舱（双仓设设计），同时时预留饱和气气体进仓接口口，在有条件件的情况下可可以压力平衡衡带压进仓和和减压限排带带压进仓情况况下进行针对对性的刀盘刀刀具检查4.7进仓检查5.1部分刀具拆装装困难五、问题及应应对措施问题描述：刀具在拆卸过过程中，刀箱箱闸门关闭不不严漏浆；解决措施：反复对闸门处处清洗，若遇遇渣土卡住可可重新插入刀刀筒，多次仓仓内循环，再再进行换刀工工作。漏浆卡刀精度问题描述：刀具在刀箱内内卡住，无法法将刀筒拔出出。解决措施：在适当增加油油缸压力；手手动收缩刀盘盘将，同时原原刀装回，拆拆除工装，转转动刀盘，改改善开挖舱底底部渣土。问题描述：部分滚刀安装时刀筒无无法顶伸到位位解决措施：采取措施为抽抽出刀筒，缩缩回刀盘，同同时加强仓内内循环，减少少积渣。问题描述：刀筒集渣，造造成刀具二次次磨损和监测测传感器线路路磨损、断线线，误报刀具具信息等现象象。应对措施：①增加刀筒冲冲刷；②并将传感器接接头延伸至刀刀筒外部。刀筒积渣五、问题及应应对措施5.2刀筒集渣刀筒积渣问题描述：盾构在掘进过过程刀具监测系统统报警，抽刀刀检查发现螺栓断裂、刀具后缩。应对措施：①刀具装配过过程中保证刀刀具固定螺栓栓紧固力矩相相同；②控制掘进参数数，避免因推推力过大造成成螺栓断裂；；③螺栓二次利用用，认真检查查螺栓是否完完好。螺栓孔断裂螺栓五、问题及应应对措施5.3刀具螺栓断裂裂问题描述：盾构在掘进全全断面砂岩/泥岩复合地层层时，掘进过过程中中心刀刀具温度频繁繁升高、旋转转监测报警、、刀盘