过江隧道大型泥水复合盾构施工关键技术与刀具使用管理.pptx

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1、季玉国 上海建通工程建设有限公司 副总工程师 过过江隧道大型泥水复合江隧道大型泥水复合盾构盾构 施工关键施工关键技术与刀具使用管技术与刀具使用管理理上海交通大学上海交通大学上海交通大学上海交通大学一 前言二过江隧道大型泥水复合盾构施工关键技术三大型泥水复合盾构施工刀具使用管理目录 CONTENTS第一章第一章 前言前言 本次汇报者参与了南京长江隧道、南京扬子江隧道、南京地铁3号线(单洞双线)过江隧道、南京地铁10号线(单洞双线)过江隧道、南京地铁4号线及上海长江隧道等大型过江泥水复合盾构隧道的建设与技术管理工作，收集了施工中典型技术案例，对大型过江泥水复合盾构隧道施工关键技术进行分析总结，并结

2、合二十多年来从事大型过江隧道和地铁施工的技术经验与管理体会，编著以下技术文件与同行分享，以期待对今后类似工程的建设起到积极的指导和借鉴意义。鉴于本人技术水平和时间所限，不妥或错误之处，敬请各位专家、领导和同行们批评指正。目录CONTENTS复合盾构刀盘刀具设计典型案例分析Part 1高水压复合地层江底盾尾刷更换技术Part 2盾构掘进主驱动密封失效更换技术Part 3大型泥水盾构江中换刀技术Part 4过江隧道盾构施工典型事故案例Part 5大型泥水复合盾构施工技术管理Part 6第二章第二章 过江隧道大型泥水复合盾构施工关键技术过江隧道大型泥水复合盾构施工关键技术 南京长江扬子江盾构隧道南、

3、北线于2012年10月份始发，贯通于2015年7月份，历时33个月，2015年12月将全线通车运行，值得庆贺。南京扬子江隧道的建设，代表着我国当今大型过江泥水复合盾构隧道的施工技术水平，虽然工程建设经历艰苦复杂，但最终获得成功，来之不易。本工盾构施工难度如下：1.盾构一次性过长江掘进4200米和3560米，且岩石、复合地层长达600米和500米，混合地层长度超过1500米。2.盾构成功穿越长江的江心洲（江中岛）隧道风井围护结构地墙、砼回填区及风井进出加固区等，在国内尚属首次。3.成功解决了长江水下40余米深高水压状态下隧道通风井管片拆除密封技术。4.盾构国产化：作为中交天和机械成立时间不久，能

4、制造出这样大型复合盾构机，基本实现国产化，满足了工程要求，值得赞赏，虽在某些方面存在需要改进的地方，但毕竟是第一次，取得了国家机械工业科技进步一等奖。5.中交集团作为国内盾构隧道施工企业的后起之秀，起步较晚，敢于承担如此艰难复杂和风险的工程，取得成功，彰显了大型央企的战斗力。6.地质条件复杂、水压高，对掘进和换刀的难度和风险是国内和世界上少见的，成功地完成了对刀具的改进选型；成功熟练掌握了饱和气体作业刀具更换高压新技术；成功完成江底高水压盾尾刷更换等多项施工技术难题。1.1.复合盾构刀盘刀具设计典型案例分析复合盾构刀盘刀具设计典型案例分析1.1南京扬子江隧道复合盾构刀盘、刀具设计分析 南京扬子

5、江隧道复合盾构刀盘刀具设计，采用典型的超大型泥水复合盾构刀盘和刀具，可以实现软土、卵砾石地层、复合地层和岩石等地层的盾构掘进施工。刀盘初装刀配置了312把先型切削刀（焊接固定）；172把主切削刀（螺栓固定可拆式）；80把可伸缩更换切削刀；15把向导型切刀；17把推出式切削刀；32把外围切削刀；45把19寸可更换双刃滚刀；6把17寸中心单刃滚刀；38把19寸可推出双刃滚刀；合计717把。南京扬子江隧道北线3557m，其中软弱地层1100m，岩石段600m，砂砾石及砂层、淤泥质粉土段约1857m，其中纵坡为4.5%、2.5%、3.9%、1%和4.5%等段，平面曲线分别为直线段、缓和曲线段160m、

6、缓和曲线段半径R5998m-R6158m，最后为R1000m曲线段；S线隧道长度4200m。刀盘和刀具配置初装图后续改进使用的中心撕裂刀后续使用的意大利庞万力滚刀后续使用的意大利庞万力滚刀换刀过程控制图换刀过程控制图 南京扬子江隧道复合盾构刀盘采用幅条-面板式耐磨处理结构，开挖直径15.02m，刀盘开口率25.7%，结构材料采用Q345B，幅条耐磨板厚度100mm，为典型的复合式配置刀盘，8个幅条8个面板，可以实现带压更换滚刀和常压更换（伸缩）切削刀，满足常压和带压作业要求，适应软土、卵砾石地层、复合地层和岩石底层的掘进。刀盘特点：研制了刀盘伸缩装置机构，通过千斤顶伸缩移动驱动部带动总重量约1

7、000吨的刀盘向后滑移100mm，以满足带压换刀作业时刀具更换的空间，大大缩短了换刀时间，增加换刀效率，这项技术首次在超大型直径盾构机使用。这种装置在处理盾构脱困和换刀作业中发挥了作用 其次研制了饱和潜水作业人行闸，满足了氦氧混合气体饱和潜水作业的要求，实现了氦氧饱和换刀作业，达到了熟练和安全程度，成为世界首创。该盾构刀盘从结构强度、刚度设计上满足了掘进岩石及复合地层的要求。但存在刀盘开口率（25.7%）较低，对大型泥水盾构来说，特别是中心部位开口率低和排渣导流口形式的问题。掘进过程中泥质砂岩和泥岩造成刀盘中心部位结“泥饼”现象严重，岩石段换刀作业冲洗刀盘泥饼时间占总换刀时间的30%-40%，

8、这点设计可能有待改进。后续在换刀过程中通过改进增加了刀盘和幅条的冲刷系统。对盾构出厂刀盘初装刀合理性分析（仅个人观点）：(1)1)初装刀配置设计理念初装刀配置设计理念：在盾构始发自岩石段之间粘土、砂层等软土地层中掘进，依靠先行切削刀（高出面吧200mm）完成工作，此时先行刀高出滚刀和可更换切削刀40mm（滚刀、可更换切削刀高出面板160mm）起到保护作用。设计理想是在盾构进入岩石前，先行切削刀会因为磨损严重而损坏，在进入岩石阶段与滚刀高度一致，岩石地层滚刀其主要切削作用，但实际在软弱地层掘进中，先行切削刀并未磨损严重，相反刀具相对较好。岩石和风化岩石段地层纬三路隧道南、北线均大约500-600

9、米，将可更换切削刀缩回100mm，使滚刀高出可更换切削刀100mm，利用初装滚刀进行岩石地层的掘进（初装滚刀为鲁宾斯刀具，有人认为是国产合作），初步设想每盘滚刀大约可掘进岩石地层200m，分三次完成（刀盘设计滚刀备用8联32把可推出双刃滚刀），初装滚刀磨损后，分2批次推出4联16把双刃滚刀来完成后续大约400m（每次200m）岩石段掘进工作，实现无带压更换滚刀完成隧道岩石段掘进工作。另外设想6把单刃17寸中心滚刀磨损量小（中心部位线速度较低），此外，还有6把可推出边缘滚刀与8联32把双刃滚刀共同参与切削岩石段，推出面板高度是160mm，可推出滚刀推出完成后，将其固定锁死。最后设想岩石段完成后的

10、卵砾石和软土地层推出80把可更换切削刀，高出面板160mm来完成剩余的隧道掘进工作，其考虑前提刀盘刮刀完好。(2)(2)实际掘进刀具使用状况：实际掘进刀具使用状况：初装刀设计太理想、完美化，实际不可能实现。1、先行切削刀312把，在进入岩石前软土地层根本未发生磨损损坏，在软土地层中合金刀也不可能发生实质性的破坏。2、由于进入岩石前先行切削刀相对完好，在岩石层掘进中因先行刀高出滚刀40mm，此时滚刀不参与切削岩石，同时滚刀不会发生滚动工作，致使初装45把滚刀大多发生偏磨和刀圈断裂，本人初步估算超过70%，分析原因为初装滚刀非正常磨损，根本未发生切削作用而失效。3、可更换切削刀在滚刀使用时缩回10

11、0mm，但实际实现退缩切削刀的数量很少，大部分不能缩回，咨询生产厂家可能是可更换切削刀刀具与刀座装置间隙被泥沙夹死或出现刀具出现毛刺不能退缩。4、备用的可推出（隐藏面板内）8联共38把滚刀在岩石层掘进中有部分不能实现推出，其因可能是推出液压系统在掘进中磨损，或推出机械部分出现故障、5、使用可更换切削刀完成后续软弱地层的掘进的计划也未能实现。(3)3)改进刀具使用情况：改进刀具使用情况：1、超前切削刀在岩石层中磨损破坏的同时，初装滚刀多处出现偏磨和刀圈崩断、断裂现象（初装滚刀为分体式刀具），工程建设指挥部经分析研究认为采用一体式滚刀较好，选择意大利庞万力一体式球齿滚刀，两条隧道分别经过6-8次带

12、压更换滚刀，完成整个工程岩石掘进工作，同时摸索了工程滚刀使用规律。2、对8联38把隐蔽式可推出滚刀进行全部推出，并进行锁死固定，共同参与了岩石掘进工作，增加了同轨迹上切削滚刀数量。3、最后剩余段卵砾石地层、穿越风井和软弱地层掘进，经全体技术人员共同技术攻关，选择洛阳久久重型撕裂刀具来完成最后的掘进工作。实践证明这是成功的、正确的。(4(4)对盾构刀盘初装刀具的对盾构刀盘初装刀具的评价：评价：总体评价：盾构机性能和硬件系统总体可靠，可以满足大型复合地层隧道对盾构机掘进的要求。1、刀盘开口率25.7%较低，与大型泥水盾构30%35%相比明显偏低，特别是中心部位“结泥饼”现象严重 2、先行切削刀在完

13、成软弱地层掘进进入岩石段较完好，先行刀切削岩石而滚刀不工作，发生偏磨、刀圈断裂等非正常现象。3、可推出滚刀、可伸缩切削刀在推出、退缩过程中有一半失效，而不能实现其功能，未发挥作用。4、刀具717把，数量多，设计层次太复杂，以至于相互干扰，刀具各自功能均不能实现其切削目的。5、这种刀盘的设计初衷是好的，但实际上不能实现，我们要汲取教训(5)(5)复合地层刀具使用管理体会：复合地层刀具使用管理体会：1、通过类似工程的实践证明，盾构初装刀设计布置大部分是不完善的，不能全部依赖和信任国外盾构厂家的设计，实现一次性完成长距离复合盾构隧道的掘进工作。其主要原因是他们对于地层的分析和刀具的适用性认识不足，可

14、能还有其他原因。2、对于大型或超大型泥水复合盾构隧道工程，其关键的刀盘刀具适应性设计必须经过多次的方案设计、论证和细化。3、盾构设计、刀盘面板和刀具设计包括初装刀配置必须适应根据掘进隧道全域地层综合考虑，同时考虑通用性和备选方案。不能离开施工单位，甚至施工单位其主导作用，因为盾构机是他们使用，他们更为负责任，也更为专业，了解地质条件和机械性能。专家评审方案也不能流于形式，要请懂专业的人员和专家及施工单位的盾构人员、有丰富经验的人员参与其中。评审论证可以有盾构厂家、施工企业和项目工程指挥部来完成。4、复合盾构的刀具布置要力求在保证切削理论、切削方式等前提下，保证刀具切削层次分明，软土、复合地层、

15、岩石层等刀具的配置不能相互干扰和影响，应“各做各的事情”，刀具的种类和形式可以简单化。5、刀盘形式、开口率应合理，刀盘的刚度、强度、变形应满足盾构掘进最大化要求。6、复合盾构的刀具配置：周边滚刀、超挖刀、仿形刀及周边保护刮刀要牢固，以保护刀盘。7、长距离复合地层盾构隧道，在滚刀和重型撕裂刀端配置必须考虑刀座通用性，以实现滚刀和撕裂刀的互换，适应岩石层和复合地层的掘进。1.2南京地铁过长江大型泥水盾构隧道刀盘损坏修复方案 基本情况：南京地铁过江隧道采购海瑞克S683盾构机，直径12.7m，在长距离掘进卵砾石地层中，发生刀盘外圈磨损50cm的严重事故，外圈刀具全部损毁，事故造成工期和经济损失巨大。

16、事故处理经过：事故处理采用带压作业焊接修复刀盘。事故教训：应该说这是一起的质量管理事故，刀具磨损是一个过程，这样的严重机械磨损事件应该不是一蹴而就，过程中应该被早期发现，当掘进发现异常时，包括掘进推力、扭矩、掘进速度等均会有异常，进行停机检查，若早起检查不会发生上述较大事故。值得让我们思考的是，项目部的管理和人员的责任岗位分工是否明确，管理是否到位，可以说这是比较低级的错误，应该引起我们建设管理者去思考，去感悟：我们管理者应如何管理好项目。一航潜水作业人员进行刀盘焊接修复三、刀盘修复作业图片三、刀盘修复作业图片地面进行损坏刀盘部位模具加工工作人员吸氧减压1.3南京长江隧道刀具改进：南京长江隧道

17、刀盘形式和上海长江隧道相似，采购海瑞克S350盾构机，其开口率35%，采用幅条面板结构形式，刀具配置主要有可更换切削刀、刮刀，适应于软土地层泥水大直径盾构隧道开挖，海瑞克在盾构设计时承诺可一次性掘进3200米，实现一次过江，但在2008年8月5日掘进至655环时，推进扭矩明显异常，至8月8日强行试推659环为成功，故停机查找原因。通过，对可更换刀具的检查分析和专家论证得出结论：刀盘和刀具过度磨损导致掘进难以继续；解决方案：带压开仓修补刀盘和补焊周边刮刀，待修复后，2009年2月14日右线重新掘进，历时近6个月。原因分析：地层为粉细砂、砾砂和卵石地层，卵石最大粒径达200mm，石英含量占35%；

18、开仓检查刀具异常损坏，刀具设计与复杂地层条件不适应是导致本次事件主要原因，表现为刀刃崩断、脱落或块状损坏，以及合金刀刃整体因焊接质量问题（或槽）单体脱落，其原因是合金刀的形状、尺寸、性能及焊接质量差与卵砾石地层不适应，在切削回转过程中切削刀与卵砾石碰撞撞击而崩断崩落和整体脱落。南京长江隧道盾构机刀盘及刀具上海长江隧道盾构机可更换切削刀损坏形式可更换切削刀损坏形式 刀具改进方案：在分析初装刮刀设计不足的基础上，认真分析了发生的原因所在，研究三种方案，改进刮刀的性能，通过试验对比确定最优方案。进一步验证细化刮刀在砾砂地层的地质适应性设计要点，并分析刀具参数、掘进参数对刀盘扭矩的影响。邀请招标选择山

19、东聊城切削刀具，在合金性能、尺寸、形状和焊接质量及焊接刀具出刃进行改性，适应了卵砾石地层额条件，后续掘进200m进行一次刀具检查与更换，摸索出刀具使用检查与更换的规律，使盾构掘进有序、正常进行。刚开始进行刀具改进阶段，海瑞克厂家不同意更换，若更换刀具将不承担任何后果，施工单位通过调查初装刀具为广州番禹一家工厂生产，最终与海瑞克交涉成功，选用自己优选的国产刀具，取得成功进展。本工程刀具改进是比较成功的，也证明了要获得工程的顺利进行，必须强化自身技术，掌握技术难点和解决办法，总结摸索出长距离盾构复合地层掘进刀具磨损、检查更换和使用规律，才能是工程得以顺利进行。正所谓：打铁还需自身硬！1.4南京扬子

20、江隧道刀盘沟槽分析与修复 南京扬子江隧道刀盘，在换刀恢复掘进时发现阻力和扭矩较大，开仓检查发现刀盘出现沟槽磨损，宽度大约30cm，深度2-6cm不等。原因可能是滚刀掉落磨损或其他物品磨损。刀盘沟槽平面示意图作业人员量测沟槽作业人员量测沟槽沟槽两端加焊刮刀修复沟槽两端加焊刮刀修复1.5南京地铁4号线某盾构区间盾构刀盘刀具损毁修复 南京地铁4号线某盾构区间隧道掘进距贯通仅80多米，盾构穿越岩石复合地层仍有20多米，施工单位认为盾构可以完成穿越，但掘进发生异常，未引起重视，仍坚持掘进造成严重事故，开仓检查结果入下：1.刀具磨损情况 1-14#滚刀部分脱落或磨损严重；15#-18#正面滚刀偏磨；21#

21、-30#正面滚刀正常磨损20mm左右。检查切刀40把，部分切刀磨损量在2/3左右；12把切刀磨损量在1/3左右；15把切刀完好。检查16把边缘刮刀，其中4把边缘刮刀合金部分磨损2/3左右，12把边缘刮刀合金部分少量磨损。2.刀盘检查情况 刀盘磨损范围以1-3#双联滚刀为中心，2650mm直径的圆形区域。刀盘磨损最宽部位为25cm。事件过程 进仓检查情况刀盘磨损区域示意图刀盘磨损宽度示意图刀盘修复过程刀盘修复过程 竖井开挖竖井开挖1.方案确定 经过三次刀盘修复专题会议，采取首先地表加固土体稳定地层，然后在盾构机切口处开挖竖井对刀盘进行修复的方案。袖阀管注浆加固 注浆范围为盾体左右两侧各1.0m，

22、刀盘前方3.0m,刀盘后方2.0m；布孔间距不大于1.5m,布孔深度为刀盘上方0.5m-1.5m，刀盘前方入岩0.3米。后又在此次注浆的基础上进行二次加密注浆，两次共计注水泥浆86m3，水玻璃13m3。注浆范围及布置见下图。刀盘修复过程刀盘修复过程 竖井开挖竖井开挖竖井与盾构机正视图 竖井及盾构机剖面图刀盘修复过程刀盘修复过程 刀盘维修方案刀盘维修方案2.刀盘修复方案确定 在确定盾构机刀盘磨损后，在实施地表加固及竖井开挖期间，联系厂家（中铁工程装备集体盾构公司）双方确定了刀盘修复方案。由于竖井的尺寸为1650mm，刀盘维修部位直径为2650mm，在维修过程中，要对刀盘进行转动才可满足刀盘的维修

23、工作。刀盘中间三维模型图掌子面作业空间视觉图刀盘修复过程刀盘修复过程 刀盘维修方案刀盘维修方案3.刀盘结构修复 刨除中心区域磨损滚刀刀箱、刮刀刀座、中心刀盘喷口等，对磨损刀梁进行打磨或火焰切割修整，处理完后测量磨损刀梁各部位剩余宽度；通过测得数值现场校核每块下料钢板的尺寸，并进行局部修整；考虑到土仓的空间及钢板的定位，如图所示0和180主梁分成A、B、C三块进行拼焊，A、B、C三块全部拼焊完成后，依次焊接主梁D（总共四块）以及主梁之间的筋板（1、2、3、4），完成之后对刀盘45、135、225、315四个副梁进行修复，由于副梁磨损区域较小，根据现场下料焊接修复。盾构出洞后刀盘情况盾构出洞后刀盘

24、情况 4.根据专家会制定后续300环掘进方案，掘进过程顺利，盾构顺利贯通出洞后，未发现刀盘有焊缝脱落、刀盘磨损、结构变形等现象，盾构机及其刀盘状态良好。2 2、高水压复合地层江底盾尾刷更换技术、高水压复合地层江底盾尾刷更换技术 南京南京扬子江隧扬子江隧道，成道，成功实现了大型泥水盾构在软弱富水地层和江底高水压复合功实现了大型泥水盾构在软弱富水地层和江底高水压复合地层中盾尾刷刷更换，这项技术的成功应用，为我国今后跨江跨海盾构隧道的发地层中盾尾刷刷更换，这项技术的成功应用，为我国今后跨江跨海盾构隧道的发展起到了积极的推动作用。这两项技术已申请国家科技成果奖和发明奖。展起到了积极的推动作用。这两项技

25、术已申请国家科技成果奖和发明奖。盾构江底更换尾刷技术要点：盾构江底更换尾刷技术要点：1 1.保头：掌子面保头：掌子面“泥膜泥膜”牢固，不坍塌，不漏气牢固，不坍塌，不漏气 2 2.护尾：阻止盾构后方水不流向前方和因密封问题涌入盾构内。采用加大同步护尾：阻止盾构后方水不流向前方和因密封问题涌入盾构内。采用加大同步注浆、二次双液注浆和加注聚氨酯及盾尾加注优质油脂等技术，达到安全作业。注浆、二次双液注浆和加注聚氨酯及盾尾加注优质油脂等技术，达到安全作业。3 3.阻断盾构头和尾的水力通道联系：阻断盾构头和尾的水力通道联系：B B环加注聚氨酯。环加注聚氨酯。盾尾击穿视频2.1南京扬子江隧道北线更换尾刷 南

26、京扬子江隧道北线分别在461环和826环采取注浆封堵的方式进行盾尾刷更换，第一次更换采用国内与原出厂相同的盾尾刷，第二次采用进口盾尾刷，均取得圆满成功，过程中未发生任何险情。更换尾刷原设想能更换三道尾刷，形成2个完成的油脂密封腔，但实际盾构设计中，只要前两道尾刷采用可拆式，第三道尾刷出厂采用焊接方式，所以无法拆除。其他类似工程建议盾构厂家均采用可拆方式固定尾刷。盾尾刷更换示意图拆除管片826环注浆封堵特殊管片纬三路N线隧道江中更换尾刷纬三路N线隧道江中更换尾刷更换下的尾刷与管片复位 2.2南京扬子江隧道南线江底更换盾尾刷 南线盾构第二次更换盾尾刷在掘进780环时发生盾尾击穿后，采用洞内砂袋压载

27、，与棉絮封堵方式，后部采用压聚氨酯和双液浆，分别在779、778、777环压注聚氨酯，776-772环压注双液浆，最终完成盾尾击穿的封堵。盾尾击穿封堵完成后决定对盾尾刷进行更换，常规的注浆方式在江底已经无法满足安全要求，经专家论证决定采用液氮冻结方法后，对管片进行拆除，但因盾尾刷固定方式原因，仅只能拆除2道尾刷。为保正能更换两道尾刷，建议盾构可或设计3道可更环尾刷，采用可拆式方式。液氮冻结方案和冻结检测方案均选择具有相应设计和施工资质的专业单位完成，检测单位也具有多年的冻结检测经验，液氮冻结风险很大，主要是特殊超低温的专业施工，对整个过程中人员管理相当严格，最终工程方案得到圆满实施，未发生险情

28、。中国交通报中国交通报年月日版年月日版778 环管片液氮冻结孔位分布图液氮冻结管片冻结孔设计冷冻排管及保温材料图液氮管片进行积极冻结2.3、江底盾构机盾尾击穿分析与处理 1、原因分析 南京扬子江隧道盾构段分别为北线3557米、南线4135米，北线盾构始发于2012年10月8号，接收于2015年6月25号，历时2年8个月。南线历时也2年多。两台盾构机均在江北长江大堤处和江中更换2次盾尾刷，其中第一次更换尾刷在460环，第二次更换尾刷在810环，距离仅350环但时间相隔21个月，第二次更换后在1260环左右，发生几次明显盾尾击穿渗漏事件。2015年3月6号，北线1261环盾构处于R6000m缓和曲

29、线及4.2%纵坡空间曲线上，盾构在左侧8-10点钟位置发生严重漏浆现象，流速20方/小时，漏时长达4小时，采用聚氨酯泵强行封堵。（照片前面截图显示）2015年10月18号南京扬子江隧道南线在780环掘进时，在6-7点钟位置发生严重盾尾漏浆事件，采用棉被、方木、油缸顶推棉被堵塞漏水缝隙，砂袋水泥进行压重，盾尾部采用2台聚氨酯泵高膨胀率高效聚氨酯封堵近40小时，才使险情消除.整个堵漏抢险过程指挥得当，迅速有力。产生原因为盾尾设计间隙是50mm，由于处于复杂地段，盾构姿态很难控制，致使单侧间隙达100mm，足以使100mm*100mm方木可以塞进间隙里。另外盾构掘进虽然距离不是很长，但掘进累计时间较

30、长，盾尾刷磨损严重，隧道线型复杂，盾构姿态较差，个人认为也是主要原因之一。2、处理措施及过程 采用棉被从盾尾间隙塞进堵住渗漏通道。盾尾间隙设计50mm，由于姿态较差致使单边达到100mm，盾尾间隙过大。采用水泥、砂袋对内部漏失处进行反压。对盾尾后管片二次注浆孔进行聚氨酯封堵，采用高发泡率和凝固时间短的聚氨酯进行封堵。在封堵完成后进行双液浆填充封堵。3、问题与思考 对于大型盾构施工而言，应急措施应有备无患，盾构机上必须配置双液注浆泵、聚氨酯泵和充足的聚氨酯、水泥、水玻璃、棉被等应急抢险物资，发生险情及时处理。3.3.盾构掘进主驱动密封失效更换技术盾构掘进主驱动密封失效更换技术 3.1南京地铁大型

31、过江泥水盾构主驱动密封失效 发生过程：南京地铁过江隧道采购海瑞克12.70米泥水盾构机编号683，海瑞克与施工单位完成组装，完成后进行调试始发试掘进，在掘进20天30环左右时，盾构组驱动密封在2.5-3.0bar压力时，主驱动密封发生油脂泄漏现象，导致密封失效，不敢掘进和后续施工，被迫停机进行处理更换密封。事故原因：处理发现主驱动密封出厂夹有一螺栓，转动磨损发生油脂泄漏现象。事故处理过程：始发端具备地面加固条件，专家论证采用MJS双高压旋喷桩进行地面加固，盾构机推到加固区，实行常压开仓更换主驱动密封，打开压板清理干净密封重新更换密封系统，由海瑞克工作人员完成，处理时间4个月，费用昂贵，据施工单

32、位讲，海瑞克公司赔赏500万，但工期延误了。事故教训:1.据施工单位介绍，这是一起严重的设备采购组装质量事件，事故责任由设备生产厂家未检验出厂，质量检验不完善，应当承担主要责任。2.作为全球最知名的盾构机生产企业，为什么会出现这种质量事故，出厂如何检验，现场组装如何验收，国内的企业在进行设备交接时有何责任。3.作为国内施工企业采购成套的国外设备，如何进行设备的验收和关键部位的检查，应该思考如何解决。4.类似其他工程采购国外或国内成套盾构的初装刀配置系统，也常出现刀具质量较差问题，施工企业与设备厂商多发生争议和矛盾，最终主导解决问题还是靠施工企业，索赔问题很难达成协议。5.以上教训施工企业和管理

33、者应深刻牢记。.南京地铁4号线某盾构区间盾构区间右线S-673盾构更换主驱动密封 1.停机位置概况 停机环号为183环(里程：DK18+609.1)，距玄武湖约104米，上方地面周边环境为太阳宫南侧，地势开阔，无管线及建（构）筑物。根据停机前渣样分析及183环常压开仓检查情况判断开挖掌子面为全断面岩层，掌子面水量较少。为进一步保证掌子面稳定，将采取对掌子面进行喷射混凝土，并用木模对刀盘开口率位置进行封堵。2、故障及检查情况 2014.4.4晚S-673主驱动齿轮油监测报警。经检查发现齿轮油进水乳化，齿轮油滤芯堵塞。发现故障后项目部迅速进行排查，并邀请盾构生产厂家海瑞克公司的技术人员及其它专家到

34、场检查。经一系列现场检查并结合油样分析报告，确认引起齿轮油进水的原因为主驱动外密封损坏渗漏，应对主驱动外密封进行更换。3、主驱动外密封更换准备工作 开挖舱 在密封更换期间，开挖掌子面要非常稳定，目前常压开仓检查掌子面为全断面岩层，具备更换密封条件。在开仓加固刀盘之前通过盾体径向孔注聚氨酯，并在后方管片通过吊装孔注双液浆，确保切断管片盾构后方的水进入土仓。刀盘和压紧环需用高压水枪进行清洁，以避免密封更换期间的污染。密封更换前将压紧环螺栓孔内的硅胶清除干净。主驱动 密封拆除以前，需要将主驱动的齿轮油排放干净。根据附图进行密封压力测试前的准备工作。密封更换完成以及压力测试后，应在添加齿轮油前对主驱动

35、进行多次冲刷。通风及照明 安装一根直径300mm的通风管至土舱内。盾体两侧安装足够的荧光灯并准备若干用于密封检测的手电筒。土舱内排水 在土舱的最低点安装1 到2 个排水泵并连接到盾体的排水管路A10（DN125）以保证水位尽可能的低。盾体A36（DN125）的闸阀在更换过程中应保持常开。通过盾尾后面两环管片注射聚氨酯泡沫以避免水从管片壁后汇聚到土舱。如果土舱上部有水的话，应在盾体和刀盘中间安装塑料棚以避免密封更换过程中的污染。中心回转及刀盘伸缩 需将中心回转拆除，为了便于安装，应在刀盘和中心回转的法兰面进行位置标注。刀盘伸缩应伸出至少180mm（最大190mm）。刀盘固定 为了将刀盘固定在正确

36、位置，应按附图从盾体至刀盘处焊接工字钢梁。盾体底部焊接4 根350 的长度为700mm 的工字钢。盾体两侧到刀盘焊接4 根250 的长度为700mm 的工字钢（两根左边，两根右边）。盾体顶部焊接2 根250 的长度为700 的工字钢。为进一步加强对刀盘的固定，将刀盘转至水平位置（刀盘支撑牛腿上下两个均在同一水平位置）后，采用H型钢将刀盘牛腿和前盾连接。4 4、大型泥水盾构江中换刀技术、大型泥水盾构江中换刀技术 4.1常压换刀技术 常压更换刀具作业需具备安全的的作业条件，南京长江隧道，南京扬子江隧道、过江地铁盾构等大型泥水复合盾构的可更换切削刀，均采用常压换刀作业，作业在幅条仓内完成，常压作业大

37、部分有国内盾构人员完成。但常压作业也不是绝对安全的，某过江左型隧道工程在换刀过程中，发生过因可更换刀具刀座压盖螺栓崩断，造成安全事故的发生，换刀过程中应加以重视。常压换刀作业舱内气体检测 4.2带压换刀技术 大型泥水盾构的带压刀具检查和刀具更换作业，多年前大多由德国北海公司完成，如南京长江隧道、南京纬三路隧道、南京地铁过江隧道等，因费用和服务等因素，近期国内如一航局和海军工程大学等也开展了这项作业，是一个好的开端。国外公司作业费用昂贵，需要提供较好的服务。气体带压换刀作业，费用成本高，作业效率低，升压减压时间长，大量换刀周期长，对人身体影响大。4.3饱和气体带压换刀作业技术 南京扬子江隧道，在

38、国内首例实现了氦氧饱和气体带压换刀作业，南京扬子江隧道建设指挥部针对两台大型泥水盾构在长距离复合地层和岩石地层掘进，带压换刀次数多、换刀频繁、换刀工作量大等情况，而常规带压换刀作业效率低，工程工期要求进的问题，与国外合作研发成功使用氦氧饱和气体带压作业工法，并获得成功，这种换刀作业效率高，每天可分3-4个班次进行连续作业，每班作业人员可连续工作4小时，减少了人员增压和减压的时间（人在饱和仓活），人员可以连续工作20天，取代了常规带压作业，作业效率高，每小班最高可更换滚刀3-4把，极大的提高了换刀功效，为纬三路盾构掘进穿越岩层创造了条件。工效比常规带压换刀提高8-10倍，但由于专用设备、作业人员

39、和氦氧气体等用量较大，成本费用较高，但也极大的提高了换刀工作效率。中国交通报中国交通报年月日版年月日版5 5、长江过江隧道盾构掘进典型案例、长江过江隧道盾构掘进典型案例5.1南京长江隧道盾构掘进轻度“冒顶”处理 南京长江隧道在盾构换刀后恢复掘进时，由于外方人员操作失误，发生轻度“冒顶”事件，当时送泥水量为1350方/小时，全部流失，排泥管道不发生排泥循环，产生轻度“冒顶”事件现象。处理措施：1.继续保持送泥水推进，适度降低泥水掘进压力，稳步平稳推进，尽可能保证泥水循环，防止掌子面和拱顶坍塌，避免盾构机淹埋被困事故。2.稳步掘进快速循环拼装管片，继续掘进，送泥水使泥水系统循环，促使泥水循环形成，

40、达到泥水平衡掘进。3.掘进拼装2环后泥水正常循环形成，“冒顶”问题解决，恢复达到正常掘进。经验表明:发生轻度“冒顶”事件，必须稳步推进并继续送浆，保持低压推进和掌子面稳定，不能停止掘进，防止掌子面坍塌盾构机被困，直至形成泥水循环实现泥水平衡掘进正常。5.2江苏某电厂长江取水隧道透水事故分析与处理 江苏某电厂长江取水隧道掘进施工中，2011年4月28日凌晨，在进行最后一环（1048环）推进时，在已施工完成的1030环与1031环缝隙间（进入长江约852m处）因层土蕴含的沼气喷溢引起含水层承压水携带流沙涌入，隧道管片缝隙出现流沙突涌险情，隧道突涌流沙也使相距16.8m的另一条隧道出现一定的变形，最

41、大沉降量达2.5cm。为了防止险情的进一步扩大，在应急堵漏（压重、注聚氨酯、注双液浆）无效的情况下，向隧道内注水平衡压力，注水水位标高与长江水位基本一致。事故发生以后先后邀请了国内数十名知深专家、多个科研院所为隧道修复出谋划策研究制定继续施工方案。首先采取隧道末端垂直冻结封堵、降水措施降低隧道底部承压水和释放沼气，深井与江底隧道对接、永久封堵墙部位的隧道间钢管注浆加固及隧道修复加固等技术。取水隧道取水特殊段的施工是在水文条件和地质条件极其复杂、自然地质条件易发条件下进行的，这一隧道的成功修复，标志着我国在复杂地质条件下隧道施工技术取得重大突破(摘自本项目科研成果报告）。6.6.大型泥水盾构施工

42、技术管理大型泥水盾构施工技术管理 6.1 地质勘察的重要性 现行的勘察设计模式：大院做总体设计，勘察委托省、市地方的勘察院来做，而省、市勘察单位又有可能再委托别人来做，这样带来勘察资料的真实性和准确性有待提高和改进，很多工程案例已经证明。大型的跨海过江隧道的勘察往往要向地方的海事部门申请勘察时间，而在规定的时间内必须完成相应的勘察任务，这样影响勘察工作的质量。勘察的准确性和真实性对我们盾构隧道的施工难度、风险影响很大，对工期、成本和安全带来很大影响。最为重要的勘察准确性和真实性对我们大型隧道盾构设计，特别是复合盾构刀盘和刀具设计与组合起到重大影响，我们的复合盾构设计必须以地质基础为前提，盾构机

43、的设计必须适应地层要求，这是最重要的，经验表明，绝大部分的复合盾构刀盘初装刀的配置，不能完全适应地层要求，需我们在施工过程中去摸索改进和更换。所以，地质条件是基础，有条件对特大型项目的补勘是必要的。6.2、关于隧道轴线设计的思考 隧道轴线的设计对盾构隧道特别是复合地层的盾构施工意义重大，对工程的质量、安全、风险和造价及工期影响巨大，作为我们施工企业应该懂得一些设计知识，加强与设计的沟通，尽量达到设计最优，或许对我们的隧道建设起到很大作用。关于隧道坡度、缓曲线和平面曲线设计问题；我们都知道公路铁路隧道对纵坡、平面曲线和缓和缓和曲线均有一定要求，但设计如何做到最优，对我们影响很大，特别是对我们超长

44、复合盾构隧道的岩石段的长度、施工难度和风险控制，刀具的寿命、工期成本等等影响极大。所以如我们能认识这一点，并与设计积极沟通，或许大大有益于工程进展。国内有很多工程案例在实施过程中，应该认识到了这一点。6.3、技术管理是大型复杂项目管理的根本 1、技术管理是关键，责任心是根本 纵观很多工程事故由管理问题造成的占到80%以上，都是由于缺乏责任心和管理不到位造成的，当今技术水平基本上没有解决不了的技术难题，大学有门专业叫管理科学，管理是门科学也是技术，所以很重要。2、大型隧道工程的土建和盾构技术负责人员应紧密结合，不能各行其事，很多工程脱离，会发生问题。3、大型项目的领导班子紧密团结，项目土建和盾构

45、协同作战很重要，松散不团结的班子肯定会出问题。例如，同是两条过江大型地铁盾构隧道，盾构直径相同，盾构厂家相同，同为大型企业，施工地相距不到10公里，一条隧道比另一条隧道提前1年贯通，一条无大的事故，另一条事故多发，不吸取教训，是什么原因呢,认为是企业管理体制和项目班子的管理问题。4、个人认为年轻的项目班子比中老年班子更能管理好重大项目，因为他们年轻、有体力精力和进取心，他们“输不起”，年轻人必须上进，学习新技术，当然也要向有經验的人学习请教。所以管理是根本，做好技术管理特别重要。6.4、大型复合盾构选型及掘进管理的关键技术 综述过江大型泥水复合盾构隧道施工技术管理体会，总结出以下教训：1、长距

46、离过江复合盾构机选型设计必须重视刀盘、面板的设计和初装刀组合设计，事关大局，必须由施工单位和盾构厂家及专业人员共同做好，并进行多方面专项论证，力求做到最优，是盾构选型设计的关键所在。2、盾构设计选型设计和掘进施工管理必须重视和加强以下三方面的工作：保头：首先是刀盘面板和刀具设计；主驱动密封；掘进防止”掌子面“坍塌击穿”冒顶“事故发生。护尾：设计好盾尾密封系统；掘进中加强维护保养；掘进控制好盾构姿态和技术工艺管理，严防盾尾“击穿”，防止盾尾涌漏水事故的发生。做好密封：主驱动密封；盾尾密封；隧道防水密封，严防隧道发生大的渗漏涌水事故。3、盾构刀盘、刀具设计要完善，适应隧道掘进地层和长距离掘进要求，

47、等于工程成功一半，盾构机选型及使用，做好“保头”、“护尾”和“防密封”是工程风险控制的重点。6.5、盾构施工的理念认识 对盾构隧道工程而言，地质条件的复杂性和多变性，要求盾构设备必须具有针对性和适应性。首先要充分了解和认识地质条件，充分了解地质条件，研制和开发适合工程地质条件的盾构机，其中盾构刀盘和刀具的设计组合最为关键，占工程的相当重要一部分，甚至关系到盾构掘进的成败，对盾构掘进的安全、经济效益、工期和风险控制及社会效益起到重要的主导作用。因此在工程前期，必须进行综合评估和策划，以期工程顺利完成。因此，还是一句老话：地质是基础，盾构机是关键，人的管理是根本。6.6、长距离大型盾构施工，必须及

48、早摸索各方面规律，才能使工程走向正常轨道。大型盾构隧道的施工很多企业都是第一次，刚开始都比较担心，但最终都是成功的。如南京长江隧道、南京扬子江隧道、杭州钱塘江隧道、武汉长江隧道等。1、对于大型盾构掘进施工而言，要尽快熟悉和掌握盾构操作要领和性能，才能使用好盾构机。2、在盾构面板和刀具设计论证方面应达到最佳，在确定完成的情况下，施工必须尽快摸索刀具使用、检查和更换的规律，总结出适应地层的刀具，进行正常掘进，使工程尽快走向正常。例如南京长江隧道海瑞克盾构初装切削刀不适应卵砾石地层，通过8个月的分析总结和改进，国产刀替代了初装刀，工程走向正常。南京纬三路扬子江长江隧道也对滚刀和重型撕裂刀进行了研究改

49、造，替代了初装滚刀和主切削刀，时间接近1年，使工程走向正轨，并顺利完成岩石掘进。所以对于盾构初装刀研究摸索十分重要，尽快总结出刀具的使用、检查、更换规律，尽早使工程走向正轨。6.7、对待大型复杂项目的态度：事情绝没那么简单，更没有想象中的那么复杂。1、把事情想得太简单容易出问题 国内长江隧道盾构机厂家海瑞克承诺刀具可一次过江，在掘进800m卵砾石地层刀具磨损受阻，专家会上一位专家讲可能碰到“孤石”或废弃“炸弹”，建议强推，结果更糟停了8个月。大型隧道带压换刀要建立“泥膜”大家都认为是成熟的技术，但往往出问题的很多，就是轻视认为容易。南京地铁过江隧道盾构主驱动密封夹螺栓失效事故、刀盘磨损事件，是

50、不是人把问题想得太简单。2、更不要把问题复杂化 南京扬子江隧道盾构初装刀具有717把刀，初装刀组合设计和刀具数量,本人认为太多、复杂了，后续掘进对刀具进行了改进优化，参与切削刀具数量减少了，切削层次分明，掘进工作更加顺利。6.8、关于大型项目的应急预案 对于大型或特大型工程应急预案必须落实到位，绝对不能停在口头上。以前我们认为应急方案只是为了检查，大型事故离我们太远，但现在感觉不是，如大型盾构井深基坑的“突涌”、江中盾构隧道的“冒顶”、盾尾的“击穿”和隧道被淹事故亲身经历过，不只是听讲。问题出现处理成功，最终没有酿成大祸，得益于有充分的应急预案和救援体系的有效指挥。隧道施工的应急抢险堵漏物资、