韓偉鋒， 陳　饋， 周建軍， 張　兵

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州　450001)

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滾刀常壓換刀技術研究

韓偉鋒， 陳饋， 周建軍， 張兵

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州450001)

摘要：針對大直徑高水壓條件下盾構施工刀具更換難度高、風險大的問題，結合大直徑盾構刀盤結構，通過開發(fā)滾刀常壓換刀裝置，實現(xiàn)在刀盤保壓的情況下，常壓更換部分滾刀，不但降低了帶壓條件下滾刀更換成本，而且降低了換刀風險。

關鍵詞：大直徑盾構； 深埋隧道； 滾刀； 常壓換刀； 換刀裝置

0引言

隨著城市化進程、交通運輸、水利工程等行業(yè)的快速發(fā)展，隧道的應用也越來越廣泛。盾構法作為軟土隧道建設最為重要的施工方法之一，在盾構施工過程中需要經常更換刀具。由于地質的復雜性，為保證掌子面的穩(wěn)定和防止涌水現(xiàn)象的發(fā)生，在換刀過程中須保持土艙壓力，為此換刀人員必須承受土艙的高壓環(huán)境。換刀人員在進艙前須先升壓，達到土艙壓力后方能進行工作；換刀完成后又需要降壓，升壓和降壓過程不但耗時長，而且對工作人員的身心健康威脅很大，特別是降壓過程，稍有不慎將容易引起降壓病[1-3]。

隨著發(fā)展的需要，各種大埋深、穿江越海隧道越來越多，埋深越大，壓力越大，超過人體承受極限，不能繼續(xù)帶壓進艙換刀[4-5]。目前，已有專家針對超高壓環(huán)境條件開展更為可靠安全的刀具更換方法的研究，如飽和氣體方法進艙作業(yè)，但此種方法成本較高且不方便；也有一些專家開展了常壓換刀裝置的研究，但是大多是針對切刀更換的研究，不適用于滾刀[6-9]。

在復雜地層條件下開展盾構施工，滾刀幾乎不可缺少，只要有滾刀就必須考慮如何更換的問題。為保證超大埋深穿江越海隧道修建過程換刀的安全，需研究在盾構保壓掘進狀態(tài)下進行常壓換刀技術。本文針對常壓換刀需求，基于滾刀結構特點，設計開發(fā)常壓換刀裝置，并對其應用過程進行簡要介紹(本文所提及換刀除了特別強調外，均指換滾刀)。

1帶壓換刀

盾構施工過程中由于刀具不斷與巖土擠壓破巖，同時刀具本身也在不斷磨損，特別是在高磨蝕復雜地層中，滾刀不但磨損嚴重，異常損壞較多，且更換條件惡劣[10-12]。圖1為正常磨損的滾刀，圖2為異常損壞的滾刀。當滾刀磨損或者損壞達到一定程度時，將會影響盾構正常掘進，具體表現(xiàn)為盾構推力扭矩異常增大，推進速度極其緩慢，更為嚴重的將會導致刀盤異常磨損，此時必須在艙內帶壓修復刀盤。為此，無論盾構滾刀正常磨損還是異常損壞，都必須及時發(fā)現(xiàn)并進行更換，方能保證盾構正常掘進。

圖1　正常磨損的刀圈

圖2　異常損壞的滾刀

由于地下土、水壓力作用，在盾構施工過程為了保持掌子面穩(wěn)定及避免地表塌陷，在刀盤艙須保持與水、土壓力等同的壓力。目前，帶壓更換盾構滾刀的方法有帶壓進艙、減壓限排、飽和氣體帶壓等方法，作業(yè)人員不但需要承受數(shù)倍于正?？諝鈮毫M艙，而且作業(yè)風險極大。圖3為帶壓進艙作業(yè)流程。特別在超高壓力條件，作業(yè)人員須充飽和氣體進艙，作業(yè)成本也將大大增高。圖4為刀盤艙內檢查更換滾刀。當作業(yè)人員完成刀具檢查更換后，還需慢慢降壓，恢復正常大氣壓力，稍微不慎將會出現(xiàn)降壓病，影響工作人員身心健康。因此，綜合分析，帶壓進艙檢查更換滾刀具有作業(yè)風險大、作業(yè)成本高、耗時長等缺點。

圖3　進艙作業(yè)流程

2常壓換刀原理

常壓換刀技術總體思路是一個獨立的與外界聯(lián)通的區(qū)域，與刀盤艙的高壓區(qū)隔離，作業(yè)人員在常壓區(qū)域更換高壓區(qū)域的刀具。其換刀原理如圖5所示。正常掘進過程，刀具伸出刀盤面板進行破巖，當需要換刀或者檢查刀具時，工作人員通過移動刀具支架，封閉刀架口，并取出刀具進行檢查處理?；诖嗽?，目前在更換切刀技術方面已經較為成熟，并在國內幾個大直徑隧道工程已有應用。但是，由于滾刀工作原理較切刀復雜，且體積較大，因此在國內常壓更換滾刀尚處于研究階段。

圖4　艙內檢查更換滾刀

Fig. 4Inspection and replacement of disc cutter under hyperbaric condition

圖5　常壓換刀原理

Fig. 5Principle of disc cutter replacement under atmospheric pressure

隨著地下空間技術的開發(fā)，特別是穿江越海公路、鐵路的修建，高深埋大直徑盾構使用越來越廣泛，如上海崇明隧道、南京緯三路等過江隧道直徑都在14 m以上。此類工程屬于水下隧道，且埋深較大，為保證刀具更換環(huán)境的可靠性與安全，德國海瑞克公司提出了常壓換刀技術。圖6為切刀常壓更換裝置。但是，目前在國內使用的常壓換刀技術全是針對切刀，并未涉及滾刀常壓更換技術。

圖6　切刀常壓更換裝置

Fig. 6Devices used for cutting bit replacement under atmospheric pressure

根據常壓換刀技術分析，總結常壓換刀具有以下優(yōu)點:

1)安全性高。整個換刀工作處在常壓下，相比帶壓進艙、對開挖面前方土體進行加固后，常壓進艙作業(yè)條件好，安全性高。

2)工期短。常壓換刀，平均2 h更換一把刀，一次停機換刀只需要2～3 d，相比帶壓進艙作業(yè)每次進艙只能工作1.5 h，出艙減壓需要3～4 h，每次刀具更換約需要12～15 d，常壓換刀相對高壓換刀效率提高了4～5倍。

3)施工成本降低。高壓換刀每次高濃泥漿制備需要30萬元，專業(yè)潛水人員作業(yè)費用85萬元。常壓換刀每次泥漿費用5 000元以下，換刀人員每次換刀作業(yè)特殊作業(yè)津貼1萬元，施工成本明顯減少。

3常壓換刀裝置結構

基于常壓換刀原理，滾刀常壓換刀裝置與切刀更換裝置類似，包括刀座、保壓裝置、潤滑裝置、拆卸裝置、泄壓與沖洗裝置等。常壓換刀裝置如圖7所示。

1—滾刀； 2—刀盤面板； 3—刀座； 4—保壓門； 5—潤滑裝置； 6—保壓腔； 7—拆裝裝置； 8—導向裝置； 9—泄壓裝置。

圖7滾刀常壓換刀裝置

Fig. 7Devices used for disc cutter replacement under atmospheric pressure

刀座是支撐滾刀破巖的主要構件，與切刀刀座的區(qū)別在于： 一方面刀座受力較大，需要有較大的剛度和強度，另一方面必須考慮滾刀自轉。如圖7所示，刀座為一個密閉的腔體，為保證刀座不被渣土塞滿而影響滾刀自轉，在盾構掘進過程中須不斷有高壓水進行沖刷。

保壓裝置主要由保壓腔、高低壓隔離門和密封元件組成。密封元件如圖8(b)和8(c)所示。該裝置不但有密封保壓作用而且具有支撐刀座作用。盾構掘進過程，刀座與保腔接觸狀態(tài)如圖7中的掘進狀態(tài)，換刀過程需要刀座沿保壓腔后移，并關閉保壓門，如圖7中的換刀狀態(tài)。

在換刀過程中，刀座沿保壓腔后移，由于刀座與保壓腔之間有密封圈，為了保證移動靈活，須在刀座與保壓腔之間充入潤滑劑，為避免兩者之間出現(xiàn)干摩擦，而損壞密封圈。注入潤滑劑的腔體如圖8(a)所示。

圖8　潤滑腔和密封圈結構

由于高壓區(qū)與常壓區(qū)壓差較大，當作業(yè)人員松開刀座固定螺栓后，如果沒有相關設備輔助拆卸，就會比較危險，刀座會被高壓氣體從保壓腔沖出而傷及設備與人員。因此，當打開刀座聯(lián)接螺栓后，刀座須通過拆裝螺桿上的螺栓逐步向外移動，直至不影響關閉高低壓隔離門為止，如圖7中的換刀狀態(tài)所示。

當高低壓隔離門關閉后，雖然刀座的腔體較小；但是，仍然屬于高壓狀態(tài)，如果貿然取下滾刀及刀座，腔體里面的高壓氣體及渣土仍然會傷及作業(yè)人員。所以，關閉保壓門前，必須打開泄壓閥門把刀座腔體里面的高壓狀態(tài)瀉出，保持常壓狀態(tài)拆下滾刀及刀座。在盾構正常掘進過程中，為了保證滾刀自轉不被進入刀座腔體的渣土影響，須不斷有高壓水流從泄壓閥門注入刀座腔體進行沖洗。

通過刀座、保壓裝置、潤滑裝置、泄壓裝置和拆卸裝置之間的密切配合，實現(xiàn)了盾構在保壓條件常壓環(huán)境進行滾刀的更換，降低穿江越海隧道施工過程中高壓水條件下更換刀具的風險，既保護了更換刀具工人的身體健康，也保證了施工進度、縮短了施工周期、降低了施工成本。

4常壓換刀裝置應用

常壓換刀裝置所在刀盤主要分為高壓環(huán)境和常壓環(huán)境兩個區(qū)域，要求大直徑刀盤(直徑不小于14 m)。如圖9所示，此種狀態(tài)下盾構可正常掘進。

圖9　刀盤壓力分區(qū)示意圖(單位： mm)

需要更換滾刀時，操作步驟如下：

1)作業(yè)人員進入常壓區(qū)，如圖10所示，圖中A-A剖面線為刀盤輻臂，屬于常壓區(qū)。

2)對刀座進行潤滑，通過潤滑裝置的注油閥向注油腔內注入潤滑油。

3)注油完成后關閉注油閥，將圖11中固定刀座的聯(lián)接螺栓拆除，將4條導向桿安裝在螺栓孔處，并把拆裝螺桿與保壓腔固定在一起，如圖7中掘進狀態(tài)所示。

4)通過調整拆裝螺桿上的滑動螺母，將刀座推動到如圖7換刀狀態(tài)，并關閉保壓門。

圖10　作業(yè)人員進入常壓區(qū)示意圖

Fig. 10Front view of device for disc cutter replacement under atmospheric pressure

圖11　常壓換刀裝置正向圖

5)由于關閉保壓門后刀具所處的腔體內為高壓狀態(tài)，并有可能存有泥、水、砂等物質，為保證安全，刀座并不能直接和保壓腔分離，先打開泄壓裝置上的泄壓閥泄壓至常壓狀態(tài)，方可取下刀座對刀具進行更換。

6)取下刀座后，對滾刀進行更換。

7)刀具更換完成后按照拆卸的反順序進行安裝。

5結論與討論

通過對滾刀常壓換刀裝置的研究，從裝備設計和換刀工法方面可實現(xiàn)盾構在帶壓情況下，常壓更換部分滾刀。針對換刀裝置研究，由于現(xiàn)場施工環(huán)境較為惡劣和研究條件的限制，常壓換刀裝置的密封效果和影響刀盤出渣效果須經過物理仿真試驗驗證后方能投入現(xiàn)場使用；另外，因受裝置體積、結構強度、密封、刀盤直徑、換刀艙空間、切削效率等限制，只能實現(xiàn)大型刀盤上的部分應用。

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Study on Replacement of Disc Cutter under Atmospheric Condition

HAN Weifeng, CHENG Kui, ZHOU Jianju, ZHANG Bing

(StateKeyLaboratoryofShieldandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:There are great difficulties and high risks in the replacement of the disc cutters of large-diameter shields under high water pressure. Therefore, a device used for the replacement of the disc cutters of large-diameter shields under atmospheric condition is developed. Under the help of the device developed, the disc cutters can be replaced under atmospheric condition, which not only reduces the disc cutter replacement cost, but also minimizes the disc cutter replacement risks.

Keywords:large diameter shield; deep tunnel; disc cutter; cutter replacement under atmospheric pressure; cutter replacement device

中圖分類號：U 455.3+9

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1351-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.018

作者簡介：第一 韓偉鋒(1982—)，男，河南許昌人，2008年畢業(yè)于河南科技大學，機械設計制造及自動化，本科，工程師，現(xiàn)從事盾構及掘進技術專業(yè)研究。

基金項目：973計劃(2014CB046906)； 鄭州市重大科技專項(141PZDZX005)

收稿日期：2015-07-16; 修回日期: 2015-10-09