盾构换刀施工方案

穗莞深城际轨道交通SZH—3标珠江三角洲城际轨道交通网

莞惠城际松山湖北～大朗区间右线

盾构换刀施工方案

中铁十六局集团有限公司

莞惠城际大朗工区

二○一二年十一月五日

珠江三角洲城际轨道交通网

莞惠城际松山湖北～大朗区间右线

穗莞深城际轨道交通SZH—3标

盾构施工换刀方案

编制:

审核:

审批:

中铁十六局集团有限公司

莞惠城际大朗工区

二○一二年十月五日

目录

2、工程概况 (2)

3、工程地质及水文地质情况 (3)

3.1工程地质概况 (3)

3.2水文地质特征 (3)

4、检查及更换刀具的作业筹划 (4)

4.1 换刀内业准备 (4)

4.2 作业内容 (4)

4.3 换刀作业培训、换刀演练的安排 (4)

5、换刀操作规程 (5)

5.1 常压条件下的换刀操作规程 (5)

5.1.1 检查及更换刀具前的准备工作 (7)

5.1.2 换刀作业 (7)

5.2带压条件下的换刀作业 (9)

5.2.1加压前的施工准备 (9)

5.2.2 加压作业 (11)

5.2.3主要技术问题 (19)

5.2.4 加压开舱作业注意事项 (20)

6、换刀作业的人员安排 (21)

7、地表监测 (22)

8、应急预案 (22)

8.1应急组织机构 (23)

8.2应急准备和响应 (23)

8.3应急物资 (24)

8.4应急措施 (25)

8.4.1在加压过程中的应急措施 (25)

8.4.2在减压过程中的应急措施 (25)

8.4.3在检查过程中的应急措施 (25)

8.4.4环境应急措施 (26)

8.4.5突发事件急救措施 (26)

1、编制目的及依据

为使刀盘刀具的布置形式满足盾构机所处各类地层的掘进要求，防止因刀具的过度磨损、未

及时更换而破坏刀盘结构，确保盾构施工生产的顺利进行，制定本方案。

⑴《岩土工程勘察报告》；

⑵《岩土工程补充勘察报告》；

⑶松山湖北站至大朗区间平纵断面、联络通道、端头加固及隧道防水图；

⑷盾构机组装图纸；

2、工程概况

松山湖北站至大朗区间右线隧道起止里程是GDK38+359.00-GDK35+432.00,全长2931m，本段盾构隧道线路单一，设置为标准的单线单洞断面，线路平面最小曲线半径为2000m，左右线间距约6m～20m。隧道最大线路坡度为24.4‰，最小坡度为2.0‰，竖曲线半径为10000m，隧道拱顶埋深为10.5～37m。

本区间盾构机为海瑞克土压平衡盾构，刀盘直径8830mm，其刀具包括：单刃滚刀45把，双刃滚刀4把，齿刀58个，铲刀16组，刀具磨损保护3个。

图1 S591刀盘正面图

3、工程地质及水文地质情况

3.1工程地质概况

根据区域地质资料及既有勘察成果资料，拟建莞惠城际轨道交通线松山湖北至大朗区间隧道工程场地岩土层可划分如下：

ml）

(1)第四系人工堆积层（Q

4

人工填筑土：褐黄色为主，松散~稍密。潮湿~饱和，主要成分为黏性土及全风化片麻岩，厚0.5~12m，层底高程-9.79~32.22m 。

(2)第四系全新统冲积层（Q4al）

①淤泥质粘土：灰黑色，灰色，饱和，流塑，含有机质，压缩性高，并具流变性及触变性，场地内个别钻孔有揭露，呈透镜状体：

②粉质黏土：褐黄色，红褐色，灰色，可塑，主要成份为黏粒，粉粒，场地内局部地段分布，呈层状；

③粉质黏土：黄褐色，红褐色，浅黄色，灰色，硬塑，稍湿，主要成份为黏粒，粉粒，场地内局部地段分布，呈层状及透镜体状；

④粉砂：浅灰白色，浅黄色，褐黄色，饱和，松散，成分以石英为主，分选性较好，场地内有个别钻头有揭露，成透镜体状；

⑤粉砂：灰白色，浅黄色，饱和，稍密，成份以石英为主，分选性较好，成透镜体状分布；

⑥粉砂：灰白色，褐黄色，饱和，中密，成份以石英为主，含少量黏粒，呈透镜体状；

⑦中砂：灰白色，饱和，松散～稍密，成份以石英为主，含少量黏粒，场地内仅有个别钻孔有揭露，呈透镜体状；

⑧中砂：灰白色，黄褐色，饱和，中密，成份以石英为主，含少量黏粒，，呈透镜体状

⑨粗砂、砾砂：黄褐色，灰白色，稍密，砂质均匀，级配差，呈透镜体状；

el）

(3)第四系坡残积层（Q

4

①粉质黏土：褐红色，棕红色，褐黄色，可塑，局部硬塑，以粉，黏粒为主，切面粗糙，且中压缩性。

(4)震旦系(Pzl)混合片麻岩

按风化程度可分位⑨1全风化混合片麻岩，⑨2强风化混合片麻岩和⑨3弱风化混合片麻岩三个亚层，分输如下：

⑨1全风化混合片麻岩：褐黄色、褐红色，岩体成土状，土夹砂状，各种矿物均已经风化为粘土或砂土，最大揭露厚度31.1m，层顶高程+3.47~29.71m，层顶埋深3.8~25m。

⑨2强风化混合片麻岩：灰褐色、灰色，变晶结构，片麻状构造，节理裂隙发育，岩心成碎块状，厚0.40~18.70m，层顶高程-20.04~17.47m，层顶埋深11.0~42.9m。

⑨3弱风化混合片麻岩：灰褐色，变晶结构，片麻状构造，岩心成柱状及短柱状，少量块状，锤击声脆，最大揭露厚度39.95m，层顶高程-22.65~14.8m，层顶埋深14.9~45.0m。

3.2水文地质特征

(1)地表水

本场地内无地表水系、湖泊、鱼塘及沟渠。

(2)地下水

场地内水文地质条件受当地气候、地貌、岩性、地质构造、地表水体及人类活动等因素的影响，根据地下水埋藏条件可分为孔隙潜水、基岩裂隙水。

①孔隙潜水

分布于场区内上部覆盖层、主要含水层为第四系人工堆积层素填土、第四系全新统冲积淤泥质黏土及啥砂层、残积层、全风化混合片麻岩中，其补给方式主要由大气降水补给及地表水补给，排泄方式为大气蒸发及地下径流；出去砂层中的孔隙水由于上部被人工填土和冲积淤泥质黏土所覆盖，一般具微承压性。

②基岩裂隙水

基岩裂隙水主要分布于下部基岩中，主要赋存于混合片麻岩节理裂隙发育部位及强风化层中，含水层为风化、构造所形成的裂隙带，水量较大。由于地层的渗透性差异，基岩中的水略具承压性，孔隙水及裂隙水局部具连通性。受大气降水直接渗入补给，水质一般良好。主要补给水源为大气降水，地下水的排泄途径主要是径流。

本次勘察期间地下水水位埋深1.00～5.45m，相应标高18.35～32.71m。

③地表水，地下水对混凝土等建筑材料的侵蚀性

经钻孔取水样试验，根据《混凝土结构耐久性设计规范》并结合现场实际情况进行判定，判断结果如下：（1）GDK33+950~GDK34+300段，地下水具酸性腐蚀性；（2）GDK34+300~GDK34+800段，地下水化学无腐蚀性；（3）GDK34+800~GDK35+300地下水具侵蚀性CO2腐蚀性，同时具酸性腐蚀性；（4）GDK35+300~GDK35+900，地下水具酸性腐蚀性；（5）GDK35+900~GDK38+455段，地下水具酸性腐蚀性。

4、检查及更换刀具的作业筹划

4.1 换刀内业准备

每次准备检查、换刀完毕前，由设备管理部门准备《刀具、刀盘检查记录表》，进仓人员首先对刀具进行检查，将数据准确记录，然后根据规范及盾构机操作手册要求，确定更换刀具的数量，换刀人员培训，换刀人员详细记录换刀过程及顺序并写出分析结论，得出刀具、刀盘磨损的规律，以便对以后换刀提供更为科学的依据。

4.2 作业内容

检查及更换刀具的作业内容包括：刀具是否损坏及刀具的磨损情况；搅拌棒耐磨层的完好情况；刀盘耐磨层的磨损情况；刀具安装部件如楔块、安装块、螺栓保护帽是否松脱或损坏；更换已经磨损的刀具；根据盾构机将要掘进通过的地层更换刀具；检查刀盘是否粘结泥饼；疏通刀盘盘面的泡沫口等等。

4.3 换刀作业培训、换刀演练的安排

从参与本工程施工人员中选择20人参加换刀演练作业，分成四组，每组5人。从每组中选择1人任组长，指挥换刀作业。

为培养换刀作业人员，要安排刀具拆装理论培训，并现场讲解各种刀具的拆装工艺，并动手操作，做到所有作业人员都熟悉各种刀具的检查、拆装作业内容和技术要点。

5、换刀操作规程

5.1 常压条件下的换刀操作规程

盾构机将要抵达计划换刀位置前的掘进采用慢速推进和慢转刀盘的方式掘进，以减小盾构机对隧道工作面土体的扰动。同时采用凝固时间短的浆液进行同步注浆，并利用吊装螺栓孔对连接桥附近的成形隧道进行二次补注浆，以增加盾尾附近成型隧道的稳定性。采用转动刀盘和敲击盾壳的方式防止注浆浆液与盾尾固结在一起。

在盾构机停止推进后打开承压壁上的卸水孔进行排水并记录水流量，报监理审批后实施刀具的检查及更换作业。

图2 常压换刀作业流程图

5.1.1 检查及更换刀具前的准备工作

①停止盾构机的推进，根据工作面地质情况，排出土仓内1/2--2/3的碴土，打开人闸与土仓间的闸门冷却土仓，释放土仓异味；

②检查盾构机承力墙上的球阀及闸阀，对堵塞的球阀及闸阀进行疏通，保证能够正常使用；

④对盾构机各系统进行检查，保证其功能完好；

⑤对进行换刀的操作人员进行换刀前的技术交底，对换刀的操作程序、安全事项等进行详细的交底；

⑥准备好需更换的刀具及其附件如螺栓、锁块等；

⑦准备好照明灯具、小型通风机、风镐、潜水泵、风动扳手、葫芦、木板、安全带等材料、工具及电焊机等机料具；

⑧对可能发生的突发事件作好充分的估计及应对措施；

5.1.2 换刀作业

(1)换刀确认

首先根据刀具，刀盘检查结果和刀具更换依据，确定刀具更换的具体数量和位置，然后报主管领导审批后，由盾构队组织人员进行实施，同时通知机械班加工和准备缺损零部件，通知物资部准备刀具、刀盘修复材料和换刀工具.

(2)刀具更换依据

滚刀在刀圈产生偏磨、刀圈脱落、裂纹、松动、移位情况下必须进行更换，其它按边缘滚刀磨损量在5～10mm，正面区滚刀磨损量在15～25mm，中心区滚刀磨损量在25～35mm进行更换（以上数据为参考值，可按实际情况进行修正）；刮刀合金齿缺损达到一半以上和耐磨层磨损量达2/3以上进行更换。

(3)更换滚刀步骤及要求

①固定和稳定安装台面；用吊带捆绑好滚刀，捆绑要牢靠；

②使用吊链挂住滚刀；

③松掉自攻保护螺帽；

④移走球面垫圈，球窝及可调节压块；

⑤移去楔形块，使用撬棍滚刀撬出，如有必要，握住楔形块螺杆；

⑥将滚刀拉出刀箱；

⑦移走滚刀；

⑧将新滚刀运至更换点；

⑨安装新滚刀，要求：安装之前清洁滚刀底座，检查是否有变形;同时注意滚刀的方向，防止安装错误；

⑩装入楔形块；

⑾上紧可调节压块，球面垫片，球窝及自攻螺母；

⑿上紧螺母，要求：按照扭力要求！

图3单刃滚刀安装图

图4 双刃滚刀安装图

(4)更换刮刀步骤及要求

①拆开螺栓和自锁螺母；

②拔出刮刀；

③清洁刮刀座，并在其上喷一层薄油雾；

④遵照螺栓的拧紧扭矩要求；

(5) 更换齿刀步骤及要求

①拆开螺栓和自锁螺母；

②拔出齿刀；

③清洁刀片座，并在其上喷一层薄油雾；

④遵照螺栓的拧紧扭矩要求；

5.2带压条件下的换刀作业

5.2.1加压前的施工准备

5.2.1.1气压系统检修

1. 在人员进舱前,全面检查压缩空气系统的功能。对空气压缩机和储气罐进行检查观察其工作压力是否正常。

2. 检查并确认加压舱内各仪表、照明、时钟、通讯、供水系统及加热系统的正常作业；

3. 检查并确认加压舱的密封性，可预先应用最高允许操作压力的1.1倍去做气压测试；

5.2.1.2相关配套设施检修、保养

1. 对供电系统高低压配电间,进行一次检查,如发生外部停电，应确保尽快恢复。

2. 检查并确认泥水循环系统正常作业（如进排浆泵、泥浆管路、进浆浆液、泥水处理设备等），保证在加压前进行开挖舱的循环降水及清渣工作时的正常使用。泥水站有专人负责保证设备可随时正常工作。

3. 检查并确认内、外循环水系统、排污系统及通风系统的正常作业；

4. 检查并确认盾构机其他相关系统的正常作业。

5. 检查并确认进舱作业所需各种工具的完好性。避免工作时所需工具不能正常使用,导致作业人员工作时间延长和压缩空气的计划外使用。

5.2.1.3高压专业培训

带压作业的人员培训分为三个部分:理论知识培训、操作技能培训、心理培训。目前培训合格的人员共计20人。

1. 理论知识培训：学习基本的医学常识和急救方法。其培训的效果要达到：培训人员通过培训要知道整个加压和降压对身体的影响，以及整个过程中各自应该遵循的规定和平衡外部气压和人体空腔内气压所要做出的鼓气动作。熟悉在加减压过程中,什么情况属于正常什么情况属于异常。并能在出现异常情况下做出正确的第一反应：知道基本的减压病的发病症状,并能根据自身情况做出判断。

2. 操作技能培训：对从事带压检查人员进行详细的带压环境下的技能培训。带压环境下的技能培训顾名思义就是要在真正的带压环境下进行培训其相关技能。要求：在培训过程中被培训人员要熟练掌握各种气阀的使用方法以及理解各种仪表显示的内容代表什么情况,并可根据仪表的显示对各种气阀进行正确操作，在舱内人员还要清楚加热系统的操作方法。另外还要清楚紧急逃生系统的各种功能和逃生步骤。

3. 心理培训：高压培训成功与否都是以成功的心理培训做为基础。由于大多数人员在加压舱内作业的经验不足，会造成心情紧张。通过心理培训消除进舱人员的疑虑,缓解压力,使得作业人员在舱内能基本保持平稳的心理状态。

5.2.1.4进舱人员甄选

首先尽量选定有带压作业经验且头脑灵活的人员；其次,进场人员必须进行体检，只有体检合

格者才能进入土舱带压作业口；凡是患有心脏、呼吸系统、耳喉鼻疾病者均不得进舱。

5.2.1.5工具物资准备

进舱检查所需材料、工具的准备尤为重要，所有材料、工具必须准备就绪后方可进行下一步工序。带入舱的任何工具、材料必须要系有绳子，以免掉落无法拿出。详细见下表：

为了加压进舱的安全，同时为今后常压修复刀盘/刀具做准备，在盾构机现在刀盘所在的位置，隧道中线东侧7.5米处做地质补勘，和地质图对照，确认此处地层状况。

在地面刀盘里程处设置3个地面控制点，监测地面沉降情况，换刀期间加密监测频率。 5.2.2 加压作业 5.2.2.1 作业流程

5.2.2.2 进出开挖舱

1. 出入开挖舱程序

物设部根据前期培训情况给作业人员建立档案。把身体情况相近的人员尽量分配在一个工作组，每个工作组必须分配一名心理素质过硬的作业人员作为组长。在带压作业前根据每组人员的实际情况和所需建立的土舱压力设计编写加减压方案。方案中需列出需要建立的压力值，降压的步骤和每个步骤需要的时间以及在一个停留平台需要停留的时间和总的加压时间，具体编写数据参见隧道高气压作业减压表（如下）。

每分钟 0.1kgf/cm。

2. 入闸注意事项

⑴入闸人员应在进闸作业前 1 个小时必须用餐完毕。应避免暴食零吃不易消化和产气的食物(如豆类、葱、蒜等)，以避免在消化过程中产生大量气体，减压时发生胀气、腹痛等不适感觉。作业前禁止饮酒，也不要吃得太饱。不能饮用碳酸饮料。

⑵作业人员多饮水，否则缺水可能导致气压疾病症状加快出现。

⑶带食物进入闸内，为长期逗留做准备。

⑷人员穿戴好干爽洁净的衣服。

⑸入闸人员主动向气压医师或兼职卫生员如实报告身体情况、主观感觉。经体检合格后立即解好大、小便，更换工作服，并随身携带保暖衣物 ( 纯棉 ) 。收交火种(火柴、打火机)；提前 10 分钟左右集体入闸。

⑹未经医师或兼职卫生员许可，不得擅自进闸。

⑺只能在气阀操作顺利的情况下工作，否则通知轮班的工程师或者气阀管理员。

⑻在进舱前工人先确定自己所需必备及常用工具是否齐全（见表3），人舱面板、工作舱内操作点是否正常，进入人员不得带火机、手机等东西进入。带一枝铅笔和纸，防止在停电情况下或通讯设备不可用时无法与外面进行沟通。

3. 入闸人体变化

压力越高，吸入气体就越多，尤其是氮气，首先溶解在身体血液里，然后进入组织里。其饱和度取决于压力、持续时间以及组织吸收氮气的能力。脂肪组织尤其能吸收。从正常压力倒高压的沉淀物转变，会产生强烈的症状 ( 压缩空气疾比如耳痛、头痛、平衡性减弱和牙痛。如果空腔部分 ( 例如鼻窦、耳膜、肠管、无效填充物 ) 的空气补偿受阻( 如感冒和鼻炎、咽炎等 )，可能导致紊乱。

4. 入闸步骤

⑴检查所有显示设备和纸带记录器，加热、时钟、温度计、电话、应急电话和阀等。检查闸门密封件的清洁。

⑵入闸人员进入主舱。

⑶在主舱内打开双层带状纸记录器，并检查其功能完好以及纸量供应。

⑷关闭主舱和前舱之间的闸门，并确保其正确关闭。

⑸确保闸操作员和闸内人员之间的电话联系。

⑹缓慢打开“VENTILATION MAIN CHAMBER ON（向主舱通风）”球阀。向主舱内的增压值达到操作压力。

⑺主舱内的压力等于作业舱内的压力后（比较“PRESSURE MAIN CHAMBER[主舱压力]”和“PRESSURE WORKING CHAMBER[作业舱压力]”的压力计显示！），作业舱与主舱之间的“PRESSURE EQUALISATION WORKING CHAMBER[作业舱压力均衡]”球阀可以小心地打开。完成作业舱与主舱之间的压力均衡后，球阀必须关闭。

⑻打开通向作业舱的闸门。

⑼在作业舱内作业时，通向作业舱的闸门必须保持打开状态。

a、入闸过程如下图：

定义： P0 = 大气压，P1 = 支撑压，P2 = P0 与P1 之间的压力差

1 挖掘舱

2 作业舱

3 主舱

4 前舱

开始状态：P1 > P0 在主舱内加压：P1 > P2 > P0

进行压力补偿后进入挖掘舱：P1 > P0 前舱进行加压：P1 > P2 > P0

在前舱进行压力补偿：P1 > P0

①如果另有一个人要进入主舱，便要进行后续入闸.，由前舱来实现。

②后续入闸的人员要调整至主舱的压力。

③每次后续入闸过程完成之后，前舱必须减压，以允许继续进行后续入闸过程。

④挖掘舱、作业舱内只许有总共4 个人。

5. 出闸人体变化

溶解到血液和组织里的气体必须在出闸过程中释放出来。出闸时压力慢慢降低，要释放的气体可以通过循环系统和肺排出体外。降压太快会导致体液和组织产生气泡 (汽水瓶效应)。因此而引起的气栓病是由于正压而引发的最常见的健康损害。此外，细胞内气体的释放会造成临时性或永久性的组织损害。

6. 出闸注意事项

出闸过程中，作业人员必须遵守以下指令：

⑴穿上保暖的干衣服，避免受冻或颤抖。当感觉热时不要轻易减衣。因为较高的温度有利于氮气的置换，减低出现减压病的几率。

⑵避免浅呼吸或憋气，此类动作可能会导致身体受损。

⑶避免不自然的姿势。

⑷定期起立和活动四肢。

做到以上几点可以一定程度的改善氮气的置换减轻身体的不良反应。

7. 出闸步骤

⑴打开纸带记录器（闸操作员）。

⑵进入主舱并关闭球阀。

⑶关闭通向作业舱的两个闸门。

⑷确保闸操作员和闸内人员的电话联系。

⑸通过“BLEEDING MAIN CHAMBER（主舱放气）”球阀缓慢降低主舱内的压力,同时监看“PRESSURE MAIN CHAMBER（主舱压力）”压力计。同时，通过“VENTILATION MAIN CHAMBER（主舱通风）”球阀调整闸室的冲洗。在闸室冲洗过程中，压力下降必须明显（参看“VENTILATION MAIN CHAMBER（主舱通风）”流量计显示屏）。使用“BLEEDING MAIN CHAMBER（主舱放气）”和“VENTILATION MAIN CHAMBER（主舱通风）”球阀进行调整，直到在冲洗过程中产生一个明显的恒定和缓慢的压力下降为止。一旦达到了第一个压力水平（参看“VENTILATION MAIN CHAMBER （主舱通风）”流量计），通过重新调节“BLEEDING MAIN CHAMBER（主舱放气）”闸门和“VENTILATION MAIN CHAMBER（主舱通风）”闸门，主舱内的压力会在指定时期内维持在一个恒定水平。闸操作员必须使用“VENTILATION MAINCHAMBER（主舱通风）”流量计，定期检查闸的通风设备。

⑹遵照指定的保压时间，必须重复这个步骤，直到达到正常的周围压力。

⑺闸内人员必须打开主舱和前舱内之间的中心闸门，然后离开闸室。

出闸过程如下图：

初始状态：P1>P0 主舱内减压：P1>P2>P0

完成出闸：P1>P0 出闸时压力下降：P1’P0 正常条件下，出闸是始终通过主舱实现的，而前舱始终是未加压的。这样，在紧急情况下，急救人员可以在任何情况下入闸。

5.2.2.3 人闸操作注意事项

⑴工作人员进入工作舱后，关舱门后，先进行缓慢加压，正常加压，以防人员不适。舱外操作要专人负责，严禁多人操作舱外操作面板。加压过程中舱内人员除异常情况外，禁止在内部操作。

⑵当加压到与作业舱等压后停止加压，舱内人员打开内舱门开始工作，在打开作业舱与挖掘舱之间舱门时应注意先松开部分螺纹，打开一点缝隙后再完全松开螺纹打开舱门进行检查工作。先装工作踏板，在进行检查及后续工作。工作过程中尽量把工作简化、节约时间。在人舱内留一人进行与外面通讯。内舱门打开，以便外面人员观察内部工作情况。在作业过程中，应该保持主舱、作业及挖掘舱的畅通，三舱顶部压力一致，如有异常情况作业人员应迅速撤离到人员舱，关闭主舱与作业舱舱门，以确保作业人员的人身安全。

⑶在工作时间快到时进行整理和换班准备。把工具放在舱门上方的工具箱内，无法拆除的工具应保持其可以在换班时间后可以进行再工作，检查是否丢漏工具等。待一切完毕后进入主舱关闭作业与主舱间的双舱门等待减压。一个循环作业人员减压出舱后，应及时补充能量及水份，安排好合理的休息。另一循环作业人员进舱前，应先观察掌子面压力及相关参数并予以判断，无异常后再安排下一循环作业。

⑷减压过程中舱内人员尽量等待，不要着急和进行不必要的工作和操作。减压时外面操作人