超大直径泥水平衡盾构施工中常压换刀工法的优化与运用

谢波
(
南京市轨道交通建设工程质量安全监督站
，
江苏南京
210024)
[
摘 要
]
文章以南京地铁十号线过江隧道工程为例，介绍了超 大直 径泥水平衡盾构工程中常压换刀工法的原 理，对第一
代常压换刀技术的不足进行了分析
，
总结了第二 代常压换刀技术的优化内 容及运用情 况
，
为以后类似工程施工提供了一个

成熟的借鉴案例
。
[
关键词
]
泥水平衡盾构
；
常压换刀工法
；
优化

[
中图分类号
]U455.49 [
文献标识码
]B [
文章编号
]1005-6270
（
2014
）
04-0056-04
Optimization and Application of Cutter Replacement Technology under Normal Pressure
Utilized in the Construction of Super-Diameter Slurry Balance Shield
XIE Bo
（
Nanjing Urban Rail Transit Construction Engineering Quality and safety Supervision Station
，
Nanjing Jiangsu 210024 China
）
Abstract
：
Taking the project of Yangtze River Cross -River Tunnel accomplished during the construction of
Nanjing Subway Line 10 as an example, the paper introduced the principle of cutter replacement technology
employed in the construction of Super-Diameter Slurry Balance Shield. It discussed the disadvantages of cutter
replacement technology under normal pressure of its first generation, the optimization of its second generation
and its application, which are instructive to similar engineering in the future.
Key words
：
slurry balance
shield construction
；
cutter replacement technology under normal pressure
methodology
；
optimization
0
前言
目前
，
国内盾构法施工在城市地铁
、
穿江越河隧道等工
程建设中的应用已经非常普遍
，
并且大直径
、
长距离的盾构
隧道在穿江穿河工程中亦明显增多
。
大直径隧道盾构法施
工中
，
由于隧道埋深较深
、
开挖半径大导致面对的复合地层
较多
、
渣土外运量巨大
，
穿江越河隧道地层透水性较强
，
水
压较高而选用泥水平衡盾构机较多
。
由于大直径隧道多为
软硬不均的复合地层
，
江底
、
河底
、
海底隧道多为冲洪积形
成的砂卵石地层和软硬不均的互层
，
盾构机刀具的磨损速
度很快
，
在施工中需经常检查
、
更换刀具
，
常压换刀工法 的
有效运用成为该类工程顺利施工的关键
。
1.2
常压换刀
在南京长江隧道盾构施工中
，
首次采用常压换刀工艺
。
其原理如下
：
刀盘由成对的主刀臂和辅臂组成
，
其中主刀臂
采用空心体形式
，
根据刀盘刀具分布位置不同
，
将部分刀座
采用背装式
，
并使这部分刀座上的刀具切削轨迹覆盖整个
刀盘面
。
背装式刀具刀腔内设置闸板
，
人员可在常压下通过
刀盘中心体直接进入主刀臂内
，
从刀腔内抽出刀具
，
然后关
闭刀腔闸板
，
将刀盘前方高压仓与刀臂常压仓隔开
，
待检查
更 换 新 刀 具 后 打 开 闸 板 装 回 刀 具 实 现 常 压 更 换 刀 具
， ， ， 。
（
见图
1
）
2
第一代常压换刀工法存在的不足
1
泥水平衡盾构换刀方法
1.1
目前泥水盾构换刀方法主要有高压换刀和常压换刀
2
种
。
高压换刀
早期的泥水盾构换刀均采用高压换刀方式
，
即将土仓

根据首次常压换刀工法的应用
，
发现该工法仍然存在
刀具取出与安装不方便
、
刀头固定方式不可靠
、
刀头安装易
错等安全隐患
。
2.1


工艺原理存在不足
，
导致安全隐患
内的水土用压缩空气进行置换
，
用气压代替原来的水土压
力对掌子面进行支撑
，
然后人员进入高压土仓内带压作业
，
进行刀具的检查
、
更换
。
[
收稿日期
]2014-05-19
[
作者简介
]
谢波
，
女
（
1966-
），
南京市轨道交通建设工程质量 安全监
督站
，
高级工程师
。

江苏建筑
2014
年第
4
期
（
总第
163
期
）
57
图
1
第一代常压换刀示意图
如图
1
所 示 原工 艺 中 刀具 的 提 升

降 低 即 从 刀 腔
， ， “ ”
抽出及装回的过程是通过
2
根导向螺栓实现的
。
在
“
提升

降低
”
的过程中
，
还有
2
个
Φ22 mm
导向杆起到导向和限位
的作用
。
实际使用中
，
导向螺栓由于长时间使用易疲劳破坏
，
导
向杆过于单薄
，
在面临冲击力时 效
，
端头限位装置易失
，
从
而导致作业人员伤亡
。
图
4
改进后的换刀工艺
2.2
刀头固定方式可靠性不足
原设计中
，
刀头通过尾端沉孔 栓 固 定在 刀 体 上
，
由螺
，
实际使用过程中
，
由于刀头与刀体之间的微小间隙
，
刀头会
在切削过程中发生轻微摆动
，
时间久了
，
螺栓会由于疲劳破
坏而断裂
，
从而导致刀头脱落
（
见图
2
）。
而刀头一旦脱落
，
几乎无法取出
，
会给盾构机刀盘和碎石机造成破坏
。
图
5
横向螺栓固定刀头
首先 改 进 换刀 工 艺 原 理 如 图
4
），
取 消 导 向 螺 杆 的 设
（
计
，
改用更安全的油缸顶推式设计
，
消除了原设计中的安全
隐患
。
3.2
改进刀头固定方式
，
确保可靠性

为了改进图
2
所示的刀头螺栓易断裂的问题
，
改进刀
头固定方式
，
采取了图
5
所示横向设置固定螺栓的方式
。
3.3
改进刀头安装方式
，
防范刀头安装错误

确定 有 可更 换 刀 具都 具 有 防错 装 装 置 设 计 原
“
所
”
的
则
，
设置定位销适配孔的设计
，
同时将正方形的刀头适配孔
图
2
刀头固定螺栓
改 为 长 方形 见 图
6
），
进一 步 确 保刀 头 方 向 不 可 能 装 错
（ 。
3.4
减少可更换刀头形式，减少管理失误
原长江隧道盾构机可更换刀具开 挖 部 位设 计 一 致
，
但
为迁就常压换刀功能
，
共设计了
18
种不同尺寸的刀头
，
更
换刀具时必须仔细甄别尺寸
、
方向
，
为防止装错
，
本 工程 优
化了刀具布置
，
将刀头种类降低到了
7
种
，
大大减少了换刀
时的管理工作量
，
降低了误装率
。
2.3
刀头易安装错误
原设计中
，
刀头尾端是正方形
，
而刀腔头部是正方形内
孔
（
如图
3
通用的刀头安装孔
），
刀头与刀腔连接时
，
可以有

4
种不同的安装方向
，
而只有
1
种是正确的安装方向
。
此种
设计
，
极易导致工人在更换刀头时装错方向
，
从而在掘进时
导致刀具非正常磨损
。
3
第二代常压换刀工法优化内容
针对第一代常压换刀工法不足
，
对首次换刀工艺的以
下内容进行了优化
。
3.1
改进工艺原理
，
消除安全隐患

图
3
通用的刀头安装孔
图
6
定位销和长方形固定孔

58
3.5
优化换刀方式
，
提高自动化程度

在改进工艺原理
，
取消导向螺栓
、
增加 换 刀套 筒 之 后
，
重 新 设 计 了 和 换 刀 套 筒 相 配 套 的 换 刀 用 多 级 油 缸
（
见 图

江苏建筑
2014
年第
4
期
（
总第
163
期
）
平轴线
，
打开刀盘中心体上的人员通过孔进行通风
，
连接气
管
、
水管
、
液压管
、
照明电缆等
。
在刀盘内部充满新鲜空气后
，
作业人员进入刀盘中心
体
，
将
2t
气动葫芦安装在竖向垂直于刀具所在主臂上方的
吊耳上
。
打开主臂盖
，
用通风置换主臂内空气
。
3
名作业人
员留 在 中 心人 闸 主 臂入 口 处 留 在 位 于 主 臂 中 部 的
，
1
名停
隔板上传递作业工具
，
另外
2
名进入刀具所在位置从事具
体的拆刀
、
安装刀具的工作
。
7
），
如此
，
每次刀具
“
提升

下降
”
时
，
换刀人员只需通过手动
阀门控制油缸伸缩即可
，
大大提高工效
。
5.2.2
刀具拆除工作
（
1
）
拆除位于刀具基座上的
4
个水管接头中的
2
个
，
选
择合适的位置安装油缸
。
（
2
）
将刀具背部端盖拆掉
，
准备安装多级油缸
。 （
见图
10
）
图
7
多级油缸工作原理图
4
改进后工法工艺原理
刀盘由
5
个主刀臂和
5
个辅臂组成
，
其中主刀臂采用
空心体形式
，
根据刀盘刀具分布位置不同
，
将
30
把 先 行刀
和
42
把刮刀的刀座采用背装式
，
其中
，
刮刀刀座 上的 刀 具
切削轨迹覆盖整个刀盘面
。
背装式刀具刀腔内设置闸板
，
人
员可在常压下通过刀盘中心体直接进入主刀臂内
，
从刀腔
内抽出刀具
，
然后关闭刀腔闸板
，
将刀盘前方高压仓与刀臂
常压仓隔开
，
待检查更换新刀具后
，
打开闸板
，
装回刀具
，
实
现常压更换刀具
。
见图
8
第二代常压换刀工艺原理图
。
图
10
拆卸后盖板
（
3
）
安装多级伸缩油缸
，
根据图纸
，
查找刀具所需 使用

的多级伸缩油缸行程规格
。 （
见图
11
）
图
8
第二代常压换刀工艺原理图
5
第二代常压换刀工法的施工操作要点
5.1
刀具更换工艺流程
（
图
9
）
5.2
刀具检查更换工作要点
5.2.1
换刀准备工作
泥水平衡盾构常压换刀一般需要
2 d
到
3 d
的停机时
间
，
换刀前应适当提高开挖仓泥水的粘度和比重
，
形成质量
较好的不透水泥膜
，
确保开挖面稳定
。
将刀盘旋转到需要检查的刀具所在主臂垂直于盾构水
图
11
安装多级油缸
（
4
）
安装刀具更换装置
（
导向< br>
限位筒
）。
查找
《
刀具规格

与导向

限位筒颜色对照表
》，
确定所需更换刀具对应的导
向

限位筒颜色
。
（
5
）
松开刀具背面的固定螺栓
。
因位置所限
，
需采用快
速棘轮扳手
。 （
见图
12
）
（
6
）
连接液压管路
，
收缩闸门开闭油缸
。
多级液压油缸收缩
，
直至完全
（
7
）
抽出刀具
，
关闭闸门
。
缩回到位
，
将闸门开闭油缸回缩
，
关闭闸门
。 （
见图
13
）
图
9
刀具更换工艺流程图
图
12
松开刀具螺栓

江苏建筑
2014
年第
4
期
（
总第
163
期
）
59
粉细砂
、
砾砂和圆砾复合地层
，
其中砾砂和圆砾复合地层长
达
1 800 m
，
且存在近
300 m
全断面卵石圆砾地层
，
刀具磨

损速度快
、
所需更换的刀具数量多
。
6.2
换刀情况
盾构在长江底进行掘进要面对埋深大
，
水压高
，
开挖面
土体自稳性差
，
高压进仓换刀风险很大等难题
。
为此
，
在盾

构机选型时即确定应用并优化第一代
《
超大直径盾构隧道
图
13
开始关闭闸门
常压下盾构刀具更换工法
》，
以解决刀具磨损的问题
南京地铁十号线过江隧道施工穿越
1 800 m
卵砾石复

计 更换 刀 具
合地层过程中
，
共计实施常压换刀
13
次
，
总
（
8
）
压力补偿
。
为冲洗可能塞住刀具的泥沙
，
通过
2
个

球阀注入
10bar
压力水流
。
压力补偿在油缸回缩的过程中
一直进行
，
闸门关闭之后
，
关闭压力补偿
。
（
9
）
拆卸刀具
。
拆卸刀具之前
，
应通过开启压力补偿球
阀
，
检查有无泥浆喷出
，
以确定闸门完全闭合
。
若有泥浆喷
出
，
则还需设法将闸门完全闭合
。
用吊带将刀具固定基座一
端拴好
，
缓缓移动刀具
，
直至刀头完全脱离固定基座的刀
腔
。 （
见图
14
）
420
把
。
实施过程中未出现刀头螺栓断裂
、
刀头脱落
、
刀头

安装错误等情况
，
也未再发现其他安全隐患
。
6.3
效益分析
6.3.1
经济效益
泥水平衡盾构高压换刀需由专业潜水人员进行
，
并需
配备专业的保障设备
，
且效率极低
。
人员费用
、
设备使用费
用等极其高昂
，
每次高压换刀动辄
400
万元
~500
万元
。
改用常压换刀后
，
熟练工人即可完 成 操 作 人 员 设 备
， 、
成本较低
，
单次成本可控制在
100
万元以内
。
且耗时仅为高
压换刀的
13
。
6.3.2
环境效益
常压换刀
，
避免了高压换刀对前方土体采取加固
、
开槽
等措施
，
对环境无污染
。
常压换刀无需进入开挖仓内
，
施工
环境较好
，
安全风险小
。
图
14
移出刀具
（
10
）
检查刀头磨损情况
，
确认是否更换刀头
。
对于不需更

换刀头的刀具
，
可立即装回刀腔内固定
。
对于刀头有磨损的刀
具
，
根据磨损程度和将要穿越的地层确定是否更换刀头
。
6.3.3
社会效益
（
1
）
通过对超大直径泥水平衡盾构机常压换刀工法的
研究与优化改进
，
解决了该工法首次使用中发现的安全隐
患
、
刀头易脱落
、
刀头易装错等不足
，
真正使这一工法 成 熟
完善起来
。
解决了长距离穿江越河工程中刀具磨损对盾构
进度
、
隧道长度的制约
。
（
2
）
本次优化改进
，
世界范围内首次成功将常压换刀功
能引入
Φ11m
等级的盾构施工中
，
大大扩宽了常压换刀功
能的适用范围
。
（
3
）
本工程优化后的常压换刀工法的成 功实施
，
在长达

1 800 m
卵砾石地层中避免了高压换刀的巨大风险
，
创造了
新世界纪录
，
为企业在施工领域的拓展树立了良好的信誉
。
5.2.3
刀具安装工作
（
1
）
将更换好刀头的刀具
，
连同限位筒按原位置安装回
刀腔上
。
固定之前
，
在刀体上涂抹黄油
，
以方便刀具装回
。
（
2
）
使用手压油泵伸长闸门开闭油缸
，
打开闸门
。
（
3
）
打开压力补偿球阀
，
不断冲洗前方
。
刀 腔
，
过 程 中 压力 补 偿
（
4
）
多级油缸伸长
，
将刀具压回
球阀一直开启
。
（
5
）
到位后
，
连接刀具固定螺栓
。
一 根水 管 连 接气 动 油
（
6
）
关闭水管球阀
，
拆除水管
，
将
脂泵
，
往刀腔内注入油脂
，
打开另一球阀检验是否有油脂涌
出
，
以验证刀腔是否充满油脂
。
关闭阀门
，
在管路端头装上
油堵
，
防止污渍
、
杂物进入刀腔内
。
7
结语
南 京 地 铁 十 号 线 过 江 隧 道 通 过 实 施 常 压 刀 具 更 换 作
业
，
更换刀具
420
把
，
实现了在江底复杂地层中的高效安全
掘进
，
提前
6
个月完成盾构隧道施工
。
工程效益显著
。
实践证明
，
本次对常压换刀工法有针对性的优化改进
是成功的
，
已经将大直径泥水盾构常压换刀工法完善为一
种安全
、
可靠的工法
，
对以后类似工程提供了一个成熟的借
鉴案例
，
意义重大
。
参考文献
[1]
王寿强
，
陈志宁
，
等
.
泥水盾构施工管理手
册
[M].
江苏教育 出版社
,2013.7.
6
应用实例
6.1
工程概况
南京地铁十号线过江隧道全长
3 600 m
，
为单洞双线断

面
，
采用盾构法施工
。
线路平面最小曲线半径
1 500 m,
最大

纵坡度
28‰
。
隧道最大覆土达
37m
，
最小处
9.4 m(
接收端
),
江
中段覆土埋深一般在
14 m～18 m,
冲槽段最浅处仅为
11.4 m
。
采用
1
台
Φ11.64 m
泥水平衡盾构机
，
穿越地层为粘土层
、