论文部分内容阅读
摘要：南京地铁十号线过江隧道盾构机在江底掘进至408环时发生刀盘扭矩与推力急剧增大、掘进速度急剧下降的情况，掘进受阻达20天。本文通过对比盾构机各项参数记录，分析了可能的原因，并通过刀具检查、潜水员进仓检查与取样最终确定了掘进受阻的原因。随后，采取了针对性措施，顺利恢复了正常掘进。
关键词：泥水盾构 掘进受阻原因分析
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
过程介绍
南京长江隧道掘进自408环开始，推进速度在20-30之间，刀盘扭矩在12MNM-14MNM之间，随掘进速度变化偶有15-16MNM的数据出现，至次日早晨推进411环时开始出现速度下降，扭矩居高不下的情况。如图1所示：
图125日夜班（408-411环）推进速度与扭矩曲线图
说明：途中蓝色为推进速度曲线，红色为对应的刀盘扭矩曲线
在推进412环时，出现了扭矩升高，并影响推进速度的情况。刀盘反转之后扭矩有少许下降。尝试将掘进速度维持在15mm/min左右，扭矩维持在14-16MNM左右，该环平均速度10mm/min,推进时间达到了210min，扭矩变化与掘进速度变化成正比。413环掘进时，加强掘进参数控制，将掘进速度维持在较低较平稳状态（15mm/min），扭矩维持14-16MNM，如图2所示：
图27月26日白班（412-414）推进速度与刀盘扭矩曲线图
说明：途中蓝色为推进速度曲线，红色为刀盘扭矩曲线。
413-415环推进速度维持在10-12mm/min时，扭矩在12-14MNM之间，随推进速度增加至15mm/min时，扭矩增大至15-16MNM。扭矩一旦超过16MNM，马上停止掘进，空转刀盘，待扭矩降至2-3MNM后，恢复推进，速度可以增大至20-25mn/min，偶尔可达30mm/min以上，维持大约1min后扭矩上升。如图3所示。
图3 415环速度-扭矩曲线
由于扭矩已接近额定扭矩，而速度一直维持在较低水平，开始呈现反比趋势，担心刀具损坏，在415环掘进过程中决定停机，检查刀具磨损情况，分析可能的原因。
根据主要掘进参数，分析可能的原因
2.1第350环至415环的扭矩变化趋势
根据出渣记录，自658环开始出现少量砾石，盾构机开始触及底部的砾砂、卵石地层，现将350环至415环共65环的扭矩曲线进行对比。
图4 第350环-415环扭矩变化曲线图
红色代表扭矩（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）
由图示可知，在354环-415环区间内，扭矩呈现较大变化，其中，350-353环扭矩偏大是由于在粘土层中未开启中心冲刷，开启后扭矩下降较多；370环开始，扭矩开始增大，速度开始逐渐下降。
2.2反转或空转刀盘时扭矩降低
在扭矩增大后，我们尝试进行了刀盘反转，发现扭矩可以在短时间内下降到可以接受的范围，并且推进速度有所提升；在415环推进的过程中，我们在不断的进行刀盘的空转，也发现每次空转刀盘后，都能在短时间内降低部分扭矩，并能取得5-10mm的进尺。
2.3推力变化情况
在分析过程中发现，推力自390环开始呈现增大的趋势，402环开始明显增大，由之前的70000-80000KN增大至100000KN还多（已达300bar油压最大推力），同时对应了明显的速度下降、扭矩增大：
图5390-415环推力-速度曲线
红色代表推力（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）
2.4可能的几种情况
2.4.1地层变化，导致刀具不适应或磨损严重
基于以上对“速度-扭矩”、“速度-推力”参数对比的分析，反映了刀具开挖性已与掌子面情况不相适应。这说明：要么掌子面极为致密坚硬，刀具开挖极为困难；要么刀具，尤其是外缘刀，已经磨损严重，失去开挖功能。
2.4.2孤石或沉船等异物
若存在孤石或异物，会造成在推进过程中推力突然大幅度增大，扭矩则会呈现不规则变化情况。本次受阻，推力自390环开始逐渐增大，扭矩也呈现逐渐增大的趋势，而不是在某一特定环突然变大，说明存在异物的可能性较低。
2.4.3土仓内外堆积石块
基本可以排除土仓内堆积的可能。因为对比速度与出浆比重曲线，未发现异常反比曲线出现：
图6410-414速度-出浆比重曲线图7 415环速度-出浆比重曲线
红色代表出浆比重（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）黑色代表出浆比重（数值在右）
3 刀具检查情况
本盾构机刀盘设计为刀具可以常压更换，常压下检查了部分先行刀和边缘刮刀：
3.1先行刀：刀盘边缘比中心磨损严重
表1、5-21号先行刀磨损量示意图
如上述图表所示，外缘刀具磨损明显快于中心部位刀具，这是因为由于所处刀盘半径位置不同，外缘刀具的线速度和总位移高于内部刀具。
3.2先行刀：RF18/RF19刀具刀体非对称磨损严重
如图4所示，RF18/RF19刀具刀体非对称磨损较严重，尤其是RF18，已经伤及刀座。经分析，原因为：
这两把刀布置在刀盘外缘轨迹转角区域，安装角度倾斜，偏磨的一侧超出正常垂直安装的刀具，造成超出部位磨损。如图8、9所示：
图8 RF18刀体一侧磨损严重图9 外缘先行刀轨迹图
3.3刮刀：刀盘边缘部分SG20轨迹刀具磨损严重
图10 SG20半侧磨损严重
如图10所示，SG20刀具靠近刀盘外缘的部位磨损严重。但同时，与其轨迹相连的更外缘的SG21刀具磨损不是很严重，只有与SG20轨迹相连接的前角有24mm的磨损。如图11所示：
图11 SG21磨损情况图12 边缘刀具磨损情况示意图
4 潜水员高压进仓检查情况
为确定推进受阻是否是因掌子面太过致密或存在异物，我们邀请了德国北海潜水公司在高达5.5bar的气压下进入开挖仓，对刀盘进行了检查，对掌子面进行了取样。
4.1边缘刀具磨损情况
由图13及先行刀轨迹可知，SG20磨损区域正好处于RF19与RF20轨迹之间。两个开挖轨迹之间形成的空隙内，在掌子面底部易产生砾石堆积，在掌子面上部易产生泥饼。这两个原因导致SG20号刀具半侧磨损严重，也解釋了RF19刀具外侧刀体磨损严重的原因。
图13 SG20刀具磨损情况照片
4.2正面刮刀：SG15刮刀非对称磨损
根据潜水员进仓检查的图片，可发现SG15刀具也存在和SG20一样的磨损情况：
图14 SG15磨损状况照片
4.3、掌子面取样
图15 掌子面全貌图16 掌子面样品
如图15所示，掌子面表现出很好的完整性，似乎地层非常致密。随后，潜水员对掌子面进行了取样。
取样结果如上图，事实证明，掌子面表面形成了一层25mm厚的致密、均匀的泥饼。
结论
推进受阻的原因可确定为：
由于边缘刀具和先行刀具的磨损，导致掘进速度的下降和扭矩的上升。同时，由于泥浆质量较好，掘进过程中的泥膜较易形成，在掘进速度大幅降低时，掘进耗时过长，泥膜在刀具的挤压与摩擦之下逐步加厚、致密，形成一层泥饼，致密的泥饼又导致扭矩更大。
应对措施
原因分析清楚之后，采取了如下针对性措施，恢复了正常推进。
6.1更换磨损的刀具，确保刀盘具备良好的开挖能力；
6.2恢复掘进前使用低粘度低比重的浆液长时间（约3小时）循环，同时空转刀盘，将将开挖仓内粘性颗粒尽量携带出去；
6.3恢复掘进后，继续使用低粘低比重浆液缓慢推进，缓慢磨削泥饼，确保将泥饼破坏。
6.4后续掘进过程中，控制新鲜泥浆比重不超过1.25kg/cm³，增大泥浆流量，控制出浆比重不超过1.35 kg/cm³，以减少边缘刀具的二次磨损，减少粘土成块的机会。
关键词：泥水盾构 掘进受阻原因分析
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
过程介绍
南京长江隧道掘进自408环开始，推进速度在20-30之间，刀盘扭矩在12MNM-14MNM之间，随掘进速度变化偶有15-16MNM的数据出现，至次日早晨推进411环时开始出现速度下降，扭矩居高不下的情况。如图1所示：
图125日夜班（408-411环）推进速度与扭矩曲线图
说明：途中蓝色为推进速度曲线，红色为对应的刀盘扭矩曲线
在推进412环时，出现了扭矩升高，并影响推进速度的情况。刀盘反转之后扭矩有少许下降。尝试将掘进速度维持在15mm/min左右，扭矩维持在14-16MNM左右，该环平均速度10mm/min,推进时间达到了210min，扭矩变化与掘进速度变化成正比。413环掘进时，加强掘进参数控制，将掘进速度维持在较低较平稳状态（15mm/min），扭矩维持14-16MNM，如图2所示：
图27月26日白班（412-414）推进速度与刀盘扭矩曲线图
说明：途中蓝色为推进速度曲线，红色为刀盘扭矩曲线。
413-415环推进速度维持在10-12mm/min时，扭矩在12-14MNM之间，随推进速度增加至15mm/min时，扭矩增大至15-16MNM。扭矩一旦超过16MNM，马上停止掘进，空转刀盘，待扭矩降至2-3MNM后，恢复推进，速度可以增大至20-25mn/min，偶尔可达30mm/min以上，维持大约1min后扭矩上升。如图3所示。
图3 415环速度-扭矩曲线
由于扭矩已接近额定扭矩，而速度一直维持在较低水平，开始呈现反比趋势，担心刀具损坏，在415环掘进过程中决定停机，检查刀具磨损情况，分析可能的原因。
根据主要掘进参数，分析可能的原因
2.1第350环至415环的扭矩变化趋势
根据出渣记录，自658环开始出现少量砾石，盾构机开始触及底部的砾砂、卵石地层，现将350环至415环共65环的扭矩曲线进行对比。
图4 第350环-415环扭矩变化曲线图
红色代表扭矩（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）
由图示可知，在354环-415环区间内，扭矩呈现较大变化，其中，350-353环扭矩偏大是由于在粘土层中未开启中心冲刷，开启后扭矩下降较多；370环开始，扭矩开始增大，速度开始逐渐下降。
2.2反转或空转刀盘时扭矩降低
在扭矩增大后，我们尝试进行了刀盘反转，发现扭矩可以在短时间内下降到可以接受的范围，并且推进速度有所提升；在415环推进的过程中，我们在不断的进行刀盘的空转，也发现每次空转刀盘后，都能在短时间内降低部分扭矩，并能取得5-10mm的进尺。
2.3推力变化情况
在分析过程中发现，推力自390环开始呈现增大的趋势，402环开始明显增大，由之前的70000-80000KN增大至100000KN还多（已达300bar油压最大推力），同时对应了明显的速度下降、扭矩增大：
图5390-415环推力-速度曲线
红色代表推力（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）
2.4可能的几种情况
2.4.1地层变化，导致刀具不适应或磨损严重
基于以上对“速度-扭矩”、“速度-推力”参数对比的分析，反映了刀具开挖性已与掌子面情况不相适应。这说明：要么掌子面极为致密坚硬，刀具开挖极为困难；要么刀具，尤其是外缘刀，已经磨损严重，失去开挖功能。
2.4.2孤石或沉船等异物
若存在孤石或异物，会造成在推进过程中推力突然大幅度增大，扭矩则会呈现不规则变化情况。本次受阻，推力自390环开始逐渐增大，扭矩也呈现逐渐增大的趋势，而不是在某一特定环突然变大，说明存在异物的可能性较低。
2.4.3土仓内外堆积石块
基本可以排除土仓内堆积的可能。因为对比速度与出浆比重曲线，未发现异常反比曲线出现：
图6410-414速度-出浆比重曲线图7 415环速度-出浆比重曲线
红色代表出浆比重（数值在右），蓝色代表推进速度（数值在左）黑色代表出浆比重（数值在右）
3 刀具检查情况
本盾构机刀盘设计为刀具可以常压更换，常压下检查了部分先行刀和边缘刮刀：
3.1先行刀：刀盘边缘比中心磨损严重
表1、5-21号先行刀磨损量示意图
如上述图表所示，外缘刀具磨损明显快于中心部位刀具，这是因为由于所处刀盘半径位置不同，外缘刀具的线速度和总位移高于内部刀具。
3.2先行刀：RF18/RF19刀具刀体非对称磨损严重
如图4所示，RF18/RF19刀具刀体非对称磨损较严重，尤其是RF18，已经伤及刀座。经分析，原因为：
这两把刀布置在刀盘外缘轨迹转角区域，安装角度倾斜，偏磨的一侧超出正常垂直安装的刀具，造成超出部位磨损。如图8、9所示：
图8 RF18刀体一侧磨损严重图9 外缘先行刀轨迹图
3.3刮刀：刀盘边缘部分SG20轨迹刀具磨损严重
图10 SG20半侧磨损严重
如图10所示，SG20刀具靠近刀盘外缘的部位磨损严重。但同时，与其轨迹相连的更外缘的SG21刀具磨损不是很严重，只有与SG20轨迹相连接的前角有24mm的磨损。如图11所示：
图11 SG21磨损情况图12 边缘刀具磨损情况示意图
4 潜水员高压进仓检查情况
为确定推进受阻是否是因掌子面太过致密或存在异物，我们邀请了德国北海潜水公司在高达5.5bar的气压下进入开挖仓，对刀盘进行了检查，对掌子面进行了取样。
4.1边缘刀具磨损情况
由图13及先行刀轨迹可知，SG20磨损区域正好处于RF19与RF20轨迹之间。两个开挖轨迹之间形成的空隙内，在掌子面底部易产生砾石堆积，在掌子面上部易产生泥饼。这两个原因导致SG20号刀具半侧磨损严重，也解釋了RF19刀具外侧刀体磨损严重的原因。
图13 SG20刀具磨损情况照片
4.2正面刮刀：SG15刮刀非对称磨损
根据潜水员进仓检查的图片，可发现SG15刀具也存在和SG20一样的磨损情况：
图14 SG15磨损状况照片
4.3、掌子面取样
图15 掌子面全貌图16 掌子面样品
如图15所示，掌子面表现出很好的完整性，似乎地层非常致密。随后，潜水员对掌子面进行了取样。
取样结果如上图，事实证明，掌子面表面形成了一层25mm厚的致密、均匀的泥饼。
结论
推进受阻的原因可确定为：
由于边缘刀具和先行刀具的磨损，导致掘进速度的下降和扭矩的上升。同时，由于泥浆质量较好，掘进过程中的泥膜较易形成，在掘进速度大幅降低时，掘进耗时过长，泥膜在刀具的挤压与摩擦之下逐步加厚、致密，形成一层泥饼，致密的泥饼又导致扭矩更大。
应对措施
原因分析清楚之后，采取了如下针对性措施，恢复了正常推进。
6.1更换磨损的刀具，确保刀盘具备良好的开挖能力；
6.2恢复掘进前使用低粘度低比重的浆液长时间（约3小时）循环，同时空转刀盘，将将开挖仓内粘性颗粒尽量携带出去；
6.3恢复掘进后，继续使用低粘低比重浆液缓慢推进，缓慢磨削泥饼，确保将泥饼破坏。
6.4后续掘进过程中，控制新鲜泥浆比重不超过1.25kg/cm³，增大泥浆流量，控制出浆比重不超过1.35 kg/cm³，以减少边缘刀具的二次磨损，减少粘土成块的机会。