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南京地铁四号线 TA03 标鼓鸡区间盾构刀盘磨损事件
一、 事故情况简述
南京地铁 4 号线鼓楼站～鸡鸣寺站盾构区间右线施工至 611 环，刀盘进入石英砂岩和粉质粘土的复合地层，为保证盾构顺利通过该段复合地层，采用带压换刀的方式将原有 38 把撕裂刀更换为滚刀，同时更换部分受损切刀和边缘刮刀。掘进 39 环后，即 650 环，出现掘进速度骤降，由 12mm/min 降至 2mm/min，项目部立刻组织人员进行二次带压进仓作业，检查并更换了部分面板及周边滚刀。由于更换 8把滚刀之后掌子面不稳定（顶部坍塌高度约 2.0 米），为了保证人员安全，停止换刀，中心滚刀未检查更换。
为确保盾构机通过掌子面坍塌区后安全换刀，恢复掘进了 651、652 环。掘进速度 2-3mm/mim，推进速度无明显改善，且出现喷涌现象。在掘进过程中，刀盘处地面出现塌陷，直径约 2.8m，塌坑区域位于快车道和非机动车道中间的绿化带内。当晚将塌陷处采用混凝土回填控制险情。
经过地面加固后，再次带压进仓检查，发现刀盘磨损范围以 1-3#双联滚刀为中心，2.65m 直径的圆形区域。
二、工程概况及水文地质情况
2.1 工程概况
2.1.1 设计概况南京地铁
4 号线 3 标工程主要位于南京市鼓楼区、玄武区，沿北京西路（省政府及省属单位）、北京东路（市政府及市属单位）敷设。
标段主要施工任务包含云南路站、云南路站～鼓楼站矿山法区间、鼓楼站、鼓楼站～鸡 鸣寺站（鸡鸣寺站非本标段施工范围）盾构区间工程，线路全长 2.214km。
鼓楼站～鸡鸣寺站盾构区间由鼓楼站出发以半径 500m 曲线转向东北方向，沿北京东路敷设至鸡鸣寺站，区间进入鸡鸣寺站前采用半径 2000m 及 1500m 反向曲线与 3 号线市政府站相接。
2.1.2 盾构机设计概况
区间施工采用中铁工程装备制造的中铁 41 号盾构机，刀盘直径6460mm，刀盘开口率 37%，刀盘转速为 0～3r/min，最大推力 3400t，最大掘进速度 80mm/min，额定扭矩 5500KNm，脱困扭矩 6800KNm。
2.1.4 周边建筑物情况
隧道周边只有一层混凝土结构公厕一座，距离隧道较远，影响较小。
2.1.5 交通情况
目前盾构机停机位置四分之三处于绿化树带下方，四分之一位于北京东路下方，该路段为双向四车道，路幅为 28 米。北京东路为南京市重要路段，来往车流量非常大，是连接江苏省政府和南京市政府主要干道。
2.2 工程水文情况
2.2.1 设计情况
根据详勘显示，中风化岩层中含有裂隙水，基岩裂隙水是本标段重要水源之一，富水程度差异较大，基岩中风化层由于裂隙连通性差，又多被填充，其渗透性较差，且具多变性和不均匀性。接受大气降水的补给及上层微承压水的补给，由于受裂隙分布及相互连通条件的影响，具多变性。
2.2.2 掘进过程中喷涌情况
复合地层掘进过程中，螺旋输送机出渣口有喷涌现象，地层中含水量很大。
2.3工程地质
2.3.1 盾构停机位置
鼓楼站～鸡鸣寺站区间隧道右线盾构推进至 653 环，刀盘位于659 环，盾构因刀盘磨损、地面坍陷停机，此处盾构机顶部埋深 13.35m。
2.3.2 隧道右线详勘地质情况
根据设计提交的详细勘探资料显示，隧道右线从 600 环到 653环范围纵剖面地质从上至下依次为杂填土、粉质粘土、2-3b4 淤泥质粉质粘土（厚度为 4.7m）、2-4b2 粉质粘土（厚度 4.6m）。盾构机主要穿越 3-2b2、3-1b1 粉质粘土地层。但从地质详勘右线 CK16+254里程横断面图显示，右线盾构区间在本里程前既已进入复合地层，上部地层为粉质粘土，下部地层为石英砂岩，Frb 为 45Mpa 左右。里程横断面图显示，右线盾构区间在本里程前既已进入复合地层，上部地层为粉质粘土，下部地层为石英砂岩，Frb 为 45Mpa 左右。
2.3.3 盾构刀盘位置
横断面地质分层地面坍陷点竖井开挖完成后，确定地层情况为：掌子面 70％为中风化石英砂岩，平均强度为 80MPa，在刀盘的右上处存在 3-2b2 粉质粘土层。
2.3.4 主要土体抗剪强度
三、事件经过及应急处置
盾构掘进过程中，项目部安排专人进行地面巡视及监测，在盾构掘进至 652 环位置，地面巡视人员在绿化带路沿石部位发现裂缝，项目部及时与政府部门及地铁公司做了沟通，立即组织人员对绿化带停机位置进行围挡封闭，绿化带植被进行清除，探明地下管线并采取保护措施，地面塌陷后及时回灌混凝土稳定周边环境，并迅速联系专家研究解决方案。
3.1进仓检查情况
653 环停机后，完成准备工作后带压进仓，检查情况如下：
3.1.1 刀具磨损情况滚刀磨损情况：
1-14#滚刀部分脱落或磨损严重，15#-18#正面滚刀偏磨，21#-30#正面滚刀正常磨损 20mm 左右。
切刀磨损情况：检查共计 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。
边缘刮刀磨损情况：共计检查 16 把，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。
3.1.2 刀盘检查情况
刀盘磨损范围以 1-3#双联滚刀为中心，2.65m 直径的圆形区域。
刀盘磨损宽度示意图 ：
3.2竖井方案确定及开挖
根据三次专家会议精神，确定了先采取地表袖阀管和树根桩注浆加固土体稳定地层，然后在盾构机切口处开挖小竖井对刀盘进行修复的方案。
3.2.1 袖阀管注浆加固
注浆范围为盾体左右两侧各 1.0m，刀盘前方 3.0m,刀盘后方 2.0m；布孔间距不大于 1.5m（二次加密布孔后间距 1.0 米左右）,布孔深度为刀盘上方 0.5m-1.5m，刀盘前方入岩 0.3 米，分两次共计注水泥浆86m3，水玻璃 13m3。
注浆范围及布置见下图。
3.2.2 树根桩注浆加固
为防止竖井开挖过程中前方土体失稳，根据专家会意见，在刀盘右前方打设两排树根桩。树根桩桩径φ150mm，桩间距 200mm，桩深入岩层 50cm，注入水泥-水玻璃双液浆。共打设树根桩 19 根，每根桩注入浆液约为 1t 水泥量。
3.2.3 竖井开挖
施工竖井平面为矩形，净空尺寸为1650mm×1800mm，竖井采用矿山法施工，刀盘上部为封闭矩形结构，刀盘范围为敞口“U”结构。为确保竖井开挖及刀盘修复施工安全，在竖井周边布设三根人工挖孔桩(一根 900mm、两根 800mm）。
3.3 刀盘修复
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（中铁工程装备公司）双方确定了刀盘修复流程如下：
刀盘修复时间为 2014 年 10 月 13 日-11 月 3 日。刀盘修复工作实行领导值班制度，注重修复过程中的安全检查及防护工作，尤其时刻观察掌子面的变化情况。
3.3.1 刀梁定位和焊接
由于旧刀梁变形区域较多，使用高温矫正后对接，对于变形量较大处，采取焊后对突起处刨除；焊缝采用多层多道焊；焊前预热，焊后保温。
3.3.2 滚刀刀箱定位
焊接新刀箱主要参照未磨损刀箱定位。
3.3.3 检测
刀盘修复完成后，双方委外对刀盘焊接部位进行超声波探伤按《GB11345-89》B 级执行，符合Ⅱ级要求。刀具安装结束后，刀具高低满足设计要求。 
四、事件原因分析 隧道穿越软硬不均地层时，刀具磨损较大。因此，在掘进过程中，根据岩层的特点及软硬不均地层的分布，合理配置刀具，加强刀具管理，提前储备好充足的刀具以备更换。对于更换下来的刀具进行维修，达到规范要求即可重新利用，从而提高了刀具的使用寿命，对于降低生产成本、节约检修更换时间，起到积极的作用。
4.2 刀具更换标准
正常磨损情况下刀具更换标准一般为：当周边刀刀圈磨损掉 10mm、面刀和中心双刃刀刀圈磨损掉 25mm 时就需要更换。此时刀圈的刀刃变宽，其冲击压碎和切削岩石的能力降低，盾构掘进时的推力和扭距就会增大，而加大了盾构液压系统和电机系统的负荷，而且切削下来的岩石也会磨损刀盘面，降低刀盘的使用寿命。
而如果在小于上述更换标准的情况之下频繁地进行刀具更换，则降低了刀具的利用效率，也将浪费许多宝贵的掘进施工时间。另外在非正常磨损的情况之下，如发生刀圈的刀刃破损严重、转动轴承坏掉、刀具润滑油脂泄露等情况，刀具就需要及时进行更换，因为这样会加重相邻刀具挤压切削岩石的负荷，不仅影响正常掘进，而且还会影响到与其相邻刀具的正常使用，会造成刀具连锁性大量破损。
4.3 建立定期和不定期刀具检查制度
建立严格的刀具管理制度，制定定期和不定期刀具检查制度，是盾构机在软硬不均段掘进中必要的保障，能够及早发现破损刀具，及时更换，有利于掘进效率的提高和盾构施工安全顺利地进行。
定期刀具检查制度：制定每掘进完成一定距离后，进行刀具的磨损常规检查，本项目根据地层情况指定每掘进 12 环进行刀具定期检查，通过检查对照后，决定是否更换。
停机检查时，尽量避开地表有建（构）筑物地段。在通过软硬不均地层以及地面有建（构）筑物通过前，加密对刀具检查，对磨损较大的刀具进行更换。刀具更换完成后，试运转后检查刀具的安装是否良好，若刀具安装不牢固，要重新复紧刀具螺栓。当盾构机处在软硬不均地层，尽量避免在土仓上部地层差的地段换刀。
必须在这样的地段频繁更换刀具时，根据在当前地层中刀具的磨损情况与线路前方的地质情况，准确定出更换刀具时的位置，提前对该位置地层进行加固处理，加固体达到强度要求后，再采取压气作业进行刀具更换，确保当盾构机到此位置时，安全顺利地更换刀具。
不定期刀具检查制度：现场施工人员（盾构主司机、值班土木工程师等）通过掘进过程中推力、扭矩等参数异常以及刀盘发出的响声、出碴情况判断刀盘的运转和磨损情况。当推进艰难时，开仓对刀具进行检查，对刀具磨损进行评估。
5、 软硬不均地层掘进注意事项
5.1 在条件允许下，经常、有计划地进入土仓了解工作面，了解工作面软硬不均程度和检查刀具状态，以确定掘进推力的大小，避免刀具超载工作受损。
5.2 软硬不均地层掘进时必须加强碴土改良，采取向土仓内加入泥浆或膨润土的方式，对砂层或其它软弱地层起泥模作用，土仓内高压空气不易逸出，可以有效防止软弱地层坍塌。
5.3 控制出土量，尤其是上部为软土时更为关键，防止坍塌。
5.4 针对防“泥饼”问题：盾构机必须配置泡沫注入系统，向刀盘前面、土舱和螺旋输送机注入泡沫，改善渣土流塑性，利于渣土进入土舱。
案例八：
武汉地铁 3 号线 7 标自来水管爆裂导致盾构被淹事故
一、事件情况简述
2014 年 12 月 24 日凌晨 4:40，解放大道与宗关站施工围挡交界处￠1000 自来水主管突然爆裂，大量高压水喷涌而出，从不同方向涌入车站主体基坑和已掘进的右线隧道内（左线未始发）。盾构机自12 月 24 日被淹至 2015 年 3 月 11 日恢复掘进，历经 3 个半月，经济损失约 3000 万元。
二、工程概况及水文地质情况
武汉地铁三号线七标施工任务是自王家湾至宗关站地铁区间，自王家湾车站起始沿龙阳大道两侧，过玫瑰街和琴台大道，穿越汉江到达宗关站。本区间长约 2323m，其中王家湾～中间风井采用矿山法施工，中间风井～汉江采用矿山法施做初期支护，盾构空推拼装管片的方法，宗关站～汉江区间采用泥水平衡盾构法施工，盾构始发井布设于宗关站，中间风井兼做盾构吊出井。
宗关站位于汉口解放大道和二环线交叉口东南，为地下三层车站，2 台盾构机自宗关站南端头始发穿越汉江。始发井隧顶埋深 16.2m。
1、右线盾构掘进完成 103 环，正在停机进行负环拆除。盾构停机位于全断面 4-1 粉细砂层，隧顶埋深 19.45m。盾构机停机位置周边建筑物较多。
2、左线盾构完成了组装调试，正在进行洞门凿除准备始发，洞门凿除完成了连续墙内侧钢筋割除，中间混凝土完成顶部 4m 凿除。
三、事件经过及应急处理
事件经过：2014 年 12 月 24 日凌晨 4:40，宗关站北端头外解放大道与车站施工围挡交界处￠1000 自来水主管突然发生爆裂，大量高压水喷涌而出，从不同方向涌入车站主体基坑和已经掘进的右线隧道内（左线尚未始发）。事件应急处理：项目部施工人员发现险情后迅速启动了应急预案。
1、开启 2 台 37Kw 应急防洪泵进行抽排；
2、组织人员抢险，但因水压水量过大，且进入基坑内通道较多，无法进行封堵；
3、迅速通知水务集团至现场进行处理；
4、对右线停机位置周边建筑物加密了监测频率，并准备进行周边人员疏散；
5、调集多台水泵至工地进行抽排基坑内积水。5:00，因车站基坑内积水过深淹没配电柜等导致停电。至 5:10，水务集团主供水管道阀关闭，涌水停止，初步估算车站内积水深 4m 约 20000m3。
四、原因分析
（一）事故直接原因：
本项目盾构借助其他单位施工的地铁车站始发，始发期间车站主体结构已全部完成，施工期间自来水管线由于地处地铁车站围挡以外，盾构始发施工期间基本不受管线干扰。险情发生后，相关水务部门对内对外均实行了全面的封锁，其抢险工作也不允许其他单位介入，因此无法获取管线爆裂的任何资料及信息。通过侧面了解，此次事故的原因估计为管线老化形成的局部爆裂进而发生连锁反应。
（二）事故管理原因：
（1）项目进场后进行了施工现场及周边管线调查，但对供水管道发生爆裂的可能性估计不足，对自来水厂应急反应速度预估过于乐观。
（2）由于盾构始发端所处宗关站由其他单位组织施工，区间隧道盾构机借助本站始发，造成场地工作面重叠，车站基坑防洪安全场地调查不足，防洪措施不具备针对性。
（3）应急防洪水泵虽已安装并能正常使用，但对主供水管道的泄水量估计不足，最终导致涌水进入隧道淹没盾构机。
五、事故后续处理及防范措施
（一）事故后续处理
1、集中力量抽排车站内积水
2、右线盾构
①将右线隧道内积水抽排完成后，开始进行设备检测，根据设备不同受损程度进行解体、修理恢复。
②优先恢复保压系统，在保压系统恢复前，采用泥浆管加压及内燃空压机各项保压措施，保证掌子面与地面建筑稳定安全。
3、左线盾构
①洞门凿除已完成连续墙内侧钢筋割除和中部顶部 4m 高混凝土凿除，存在安全隐患，已对洞门进行挂网喷浆，完成后停止降水，以减小对环境的影响；
②抽水完成后，检查设备，更换损坏部件（主要为部分电器系统和导向系统）；
③进行调试，准备始发。
4、常规设备恢复
（1）积水排完后，首先对外循环水泵、防洪泵及配件箱进行烘烤，烘烤完成后进行检测并恢复使用，以方便冲洗及施工用电。
（2）尽快恢复两条线的电瓶机车，恢复水平运输，方便作业。
5、S509 盾构机恢复
（1）首先接外部电源，恢复盾构机照明，以方便工作。
（2）用清水对被水淹没的位置冲洗，把残留的淤泥等污渍冲洗干净。
（3）将主控室及所有的动力柜、配件箱内清理干净，外接白炽灯放入主控室及动力柜、配电箱内，以提高温度，保持干燥。
（4）检查盾构机上所有被水淹没位置的元器件损坏情况，同时查找有无积水，若有积水，将积水清理干净。
（5）拆除被水淹没的所有电机及泵头，吊出后在地面上清洗、烘烤。
（6）拆除被水淹没的所有电气元件，清洗后放入集装箱内烘烤。
（7）保压系统拆除后清洗，然后返厂维修。
（8）元器件清洗烘烤完成后，能进行检测的在现场进行检测，需要委外检测的委外进行检测，电机烘烤完成后进行检测。确定损坏的进行采购更换。
（9）所有元器件清洗烘烤完成，盾构机上清洁工作完成，配件箱内烘烤完成后，将拆除的元器件原位安装，安装完成后，按照调试程序，通电进行调试。
6、S508 盾构机恢复
（1）隧道内积水抽排完毕后，首先接外部电源，恢复盾构机照明，以方便工作。关闭盾构机上所有气路、水路、液压阀门，恢复外循环水，对盾构机进行冲洗，包括配件箱内所有被水淹没的区域。
