李康康
中铁电气化局集团有限公司铁路工程公司，北京 100036
摘要：本文结合实际项目，对盾构刀箱更换施工进行研究分析。
关键词：盾构；刀箱更换；施工
在地铁盾构施工过程中,盾构机刀盘安装、固定刀具的刀箱大多是焊接在刀盘主梁钢板上的,正常是不用更换的。但当面临地层复杂,特别是硬岩地段时,有时会出现刀具过度磨损、掉刀导致刀箱损坏需要更换的情况。
一、工程概括
何山路站～苏州乐园站区间线路始于何山路站南端，穿越何山公园处碎石土、中～强风化凝灰岩段，先以直线侧穿何山公园售票厅、枫秀书院，再以2000m半径曲线侧穿荷澜庭小区，之后左右线均以450m半径转向南直行，先后下穿邓尉路，金山浜河，最后以450m半径向东南方向前进，下穿汽车站西侧高架桥、苏州汽车西站和有轨电车1号线苏州乐园站地下通道之后到达苏州乐园站。
区间左右线总长2336.608m。区间左右线均采用两段曲线，最小曲线半径为450m，线路线间距为14～17m；区间隧道纵坡以“人字坡”，最大坡度26.54‰，最小坡度3.5‰，隧道埋深10.8～16.4m。
二、刀箱损坏原因分析
（1）根据地勘揭露结合实际开仓检查情况，该区域中风化凝灰岩岩石抗压强度较高，且岩面位于盾构机中心位置，施工过程中，中心双刃滚刀受到的冲击力及磨损最大，造成崩裂、偏磨，使其不转动，进而产生推挤刀箱及刀座现象。
（2）中心滚刀刀轴在施工过程中可能发生损坏，使中心滚刀不能转动，滚刀与围岩由滚动摩擦变为滑动摩擦，较大的推力将刀箱撕裂。
三、施工重难点
1、人工挖孔中密切关注掌子面周围土体变形和地下水渗流情况，确保掌子面稳定和作业环境的安全。
2、精确定位刀箱位置，保证刀箱焊接质量。
3、注浆加固时，使用机油和膨润土覆盖盾体、防止浆液包裹盾体。
四、具体施工方案
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图1施工工艺流程图
4.1土仓回填
首先转动刀盘，使三联体刀箱呈水平状态。使用M10水泥砂浆置换土仓内的膨润土砂浆，并将土仓及刀盘开口灌满。注浆结束2小时后，每隔1小时通过土仓壁上观察孔观察砂浆凝固效果，待砂浆初凝时，将土仓清理干净。清理土仓时，严禁扰动刀盘内的水泥砂浆。
4.2地层加固
为确保人工挖孔施工安全，需对作业区域进行地基预加固。采取静压注浆的方式进行土体加固。
4.2.1加固的目的
1、进一步挤密土体，增加土体的自稳性，减少土体的孔隙率与渗透性，确保竖井开挖过程中土体稳定。
2、防止竖井开挖工程中，地层变形对施工影响范围内的地面建筑物及地下管线与构筑物等造成破坏。
4.2.2注浆孔的布置
注浆孔布置在刀盘前方4米范围内，钻孔深度约为13m，至岩土交界面，具体布置如下图1所示：
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图1注浆孔平面布置图
4.3降水井施工
为确保人工挖孔施工安全，地层加固后、工作井开挖前，需对开挖井周围降水。管井井深约17m，管井整个井身采用混凝土滤水管，设计井管外径为φ400mm，壁厚50mm，外包1层80目尼龙网。滤料采用粒径2～4mm砾料，填入部位从井底向上至过滤器顶部以上2～3m。上部用粘土球封填至地面止水，井口处用粘土封井，防止雨水、污水流入井内。降水井的位置如下图2所示。
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图2降水井位置图图
竖井开挖过程中，水位应降至14米。工作井回填后、盾构恢复掘进前，用水泥砂浆降水井回填。
4.4工作井开挖
在刀盘正前方沿线路方向0.66米处，开挖直径为2米的圆柱形工作井。工作井采用钢套筒护壁，人工挖孔的方式施工。
测量放线、定孔位→施做钢筋混凝土地圈梁→开孔（分节挖土和出土）→成孔（安装钢套筒、同时校核孔位）→钢套筒壁后注浆
4.4.1施工准备
挖土设备：挖土用铁锹、铁钎、铁锤、风镐。
出土机具：卷扬机和提土桶。
通风机具：1.5kW的鼓风机和空压机，配以直径100mm的塑料送风管，用于向桩孔内强制送入风量不小于25l/s的新鲜空气（备用）。
4.4.2测量放线、定孔位
放出孔位中心线并进行复核，以孔中心为圆心，以孔的设计半径加护壁厚度为半径，画出桩的开挖轮廓线并撒白灰标示。
4.4.3施做钢筋混凝土地圈梁
地圈梁为内径2.2m,厚度0.3 m，外扩0.3m，深度0.5 m的现浇钢筋混凝土结构。地圈梁平剖面图详见下图3所示。圈梁顶上预埋钢板用来帮焊第一环钢套筒及卷扬机。
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图3地圈梁平面、剖面图
安装提升设备时，应使吊桶的粗绳中心与孔中心线一致，以作挖土时粗略控制中心线用，吊桶顶应进行钢筋加固，制作成三角架，防止吊桶摇晃。
4.4.4挖土
挖土应分层进行，每层应先开挖周边后中间部分，并与护壁施工紧密配合，一般开挖步距为0.5m，根据实际需要挖至作业面。挖出的土装入编织袋后，通过卷扬机和小土斗吊出孔洞。
挖至刀盘中心位置时，可能会碰到硬度较大的中风化凝灰岩，需采用液压破岩机或静态炸药配合开挖。
挖进时，吊线锤作中心控制用，用钢尺以地面上的基准点测量孔深，以保证孔位、垂直度尺寸正确。
人工挖孔过程中，如孔内存在少量渗水，可在孔内挖小集水坑，利用自吸式水泵抽水或向土仓内打孔，将水通过土仓内的水泵抽出。如遇有空洞，视实际情况进行换填土或砌砖墙抹灰封闭。
4.4.5成孔
周围土体开挖至可组装单块钢套筒时，停止开挖，通过螺栓将单块钢套筒与上一环钢套筒连接，每环钢套筒分5块,安装顺序为A1、A1、B1、 B2，最后将K块水平插入。环缝通过5根螺栓，10个楔形孔相连，纵缝通过2根螺栓相连，环缝、纵缝，缝隙间填充盾尾油脂+棉纱堵水。
到达刀盘位置时，将钢套筒与刀盘冲突的部位切除，并将开口焊接在刀盘上，有空隙的地方帮焊5mm后的钢板，并在U型口处用方木做支撑防止缩口。
成环后，立即安装上下井人行爬梯，并确保爬梯与钢套筒的预埋螺栓连接牢固。
4.4.6钢套筒壁后注浆
为确保围岩土体的稳定，需对围岩与钢套筒之间的间隙进行填充注浆。
1.注浆材料
施工中，要求快速的填充围岩与钢套筒之间的间隙，所以浆液的初凝时间应控制在20～30s之间，注浆可采用水泥-水玻璃双液浆。
2.浆液配比及性能指标
双液浆的初步配比见下表。
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3.注浆主要参数
（1）注浆压力：注浆压力控制在0.3MPa～0.4MPa，实际压力根据现场注浆效果最终确定。
（2）注浆量：根据现场注浆效果确定，保证钢套筒壁后注浆饱满。
（3）注浆位置：注浆孔布置在钢套筒侧壁，每开挖1.5m进行一次全断面注浆。
（4）注浆结束标准：开挖掌子面返浆。
（5）注浆过程中随时观察降水井出水情况，当发现有浆液侵入到降水井时，应立即停止注浆。
4.5更换刀箱步骤
首先需将更换的刀箱及需维护的刀盘面板、刀具表面砂浆清理干净。先进行刀盘面板的维护。
1、拆除旧刀箱（气刨、气割）。拆除旧刀箱时不要拆除刀箱定位挡块（或需要拆除定位挡块时，对定位挡块位置做永久性标记，此标记要在安装新刀箱时使用）。
2、测量刀盘安装刀箱的结构尺寸，以保证新刀箱的安装位置。
3、刀箱在地面组装好后，通过吊车将刀箱吊至下部刀箱安装位平台。
4、割除刀箱定位挡块，在土仓内沿刀箱安装布置三根直径为12mm的导向圆钢筋，钢筋顶面与刀箱安装底面水平；刀箱安装孔清理干净后，将组装好的刀箱推入安装孔，并继续推进至刀箱定位块露出位置，焊接定位块，将刀箱推回土仓紧靠定位块。测量周边间隙，调整后对称固定焊接。
4.6刀具更换步骤
4.6.1刀具拆除
将需要更换刀具的刀位清洗干净，然后拆下定位螺栓、连接销轴，最后将损坏的刀具运出竖井，同时将需安装的新刀具吊到位。
4.6.2刀具安装
（1）刀具的安装方法
首先将刀具放入刀座，插入连接销轴，然后旋入定位螺栓，定位螺栓和销轴的定位槽要准确安装，定位螺栓的预紧力要严格按照设计数据操作。刀具的固定采用螺栓定位，销轴连接，因此在安装的时候尤其要注意安装的精度和预紧力的设置。
（2）安装精度
在清洁时，特别要注意螺栓孔、螺栓、销轴孔、销轴的清洁。一般情况下，刀座螺栓孔、刀具螺栓、销轴孔、销轴先用高压水冲洗，再用钢丝刷将螺纹刷干净，而后用高压风吹干或用毛巾擦拭干净。
（3）预紧力
螺栓的紧固力矩不允许超过或低于其额定值，螺栓紧固时，可以考虑使用螺纹锁固胶。
4.6.3安装注意事项
（1）更换刀具前检查所使用工具等是否处于完好状态。
（2）严格按照刀具的拆除工序工艺要求进行，保证装配面的清洁、刀具位置对中。
（3）严格按照刀具螺栓的紧固扭矩紧固螺栓
（4）刀具更换完成后认真检查更换时所用的工具，防止遗忘在土仓内，盾构掘进时对设备产生破坏。
（5）做好详细的刀具更换记录。
4.7工作井回填
所有刀具及刀箱更换完成后，拆除最底端的钢套筒，回填原状土，填土的厚度控制在200mm以内，并及时打夯压实，填土至隧道拱顶2m后，浇筑50cm厚C30混凝土，然后盾构机恢复掘进，待盾尾脱出该区域5环后，在由下往上依次拆钢套筒、填土，直至地面。
五、结束语
本次更换刀箱，利用此机会对刀箱进行质量检查，在开续掘进过程中注意及时对掘进参数进行调整，及时开仓检查、更换磨损道具。
参考文献：
[1]张凌,戈强,张爱武,孔祥权.隧道掘进机上的一种新型锁紧式刀箱[J].凿岩机械气动工具,2020(01):9-11.
[2]付振杰.某地铁盾构机刀箱损坏处理[J].上海建设科技,2017(04):38-39.