硬岩地层盾构机掘进技术探讨

李 锐

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450003)

0 引言

随着城市地铁的不断发展，盾构施工所涉及的地层也愈来愈复杂，针对盾构在硬岩地层的掘进施工技术，文献［1－3］针对不良地质提出方案比选，优化掘进工作参数;文献［4］简略叙述了盾构机械结构;文献［5－10］根据实际刀盘及地质相互关系，提出相应技术处理措施。笔者通过实践经验总结，以满足现场操作为目的进行整理提炼，为盾构机硬岩掘进提供较真实有效的实例参考，供同行探讨。

1 工程背景

1.1 工程概况

广州地铁三号线北延4标位于广州市白云区，盾构区间线路呈南北走向，地质和地表环境复杂，施工难度较大，为三号线北延段控制性工程。区间隧道施工采用2台土压平衡盾构机施工，其中左线为德国海瑞克盾构机，右线为加拿大LOVAT盾构机，盾构掘进线路长度为4 911.9 m。

本区段工程包括一站三区间，线路坡度为6‰，隧道上覆土厚度最大约35 m(位于白云山脚下)，最小覆土厚度约为4.5 m。盾构隧道管片采用错缝拼装，每环6块组成，外径6 000 mm，内径5 400 mm，厚300 mm，环宽1.5 m，弯曲螺栓连接，遇水膨胀止水条止水，管片混凝土强度等级为C50，防水等级为S12。

本次研究依托工程中第三区间施工实例，该区间从永泰站东端始发，沿同泰路下方穿行，在竹韵山庄对面处右转进入白云山下，下穿白云山和明日之星幼儿园后到达同和吊出井吊出。

1.2 地质概况

同—永区间位于华南准地台，湘桂赣粤褶皱带中的粤中拗褶皱束中部，广花凹陷、增城凸起的交接部位。沿线地貌为广花冲积平原，地势较平坦，上覆地层主要为第四系人工填土层，陆相冲、洪积地层，残积土层;下伏基岩为新生界第三系莘庄村组陆相碎屑沉积岩、二迭系栖霞组和上古生界石炭系下统大潭阶石凳子组、测水组、石炭系中上统壶天群。

区间地下水主要为第四系孔隙水与裂隙水，地下水对混凝土结构和钢结构具有弱腐蚀性。

根据详勘阶段提供的地质资料以及施工单位自行进行的地质雷达探测，盾构洞身地层大部分为全风化、强风化岩层，部分地段为中风化与微风化岩层，且岩石单轴抗压强度较高，具体岩层分布情况如表1所示。

左线隧道各地层所占比例如图1所示。

表1 同永区间左线洞身地层情况统计表Table 1 Stratum statistics of left line on Tonghe-Yongtai section

图1 同永区间左线各地层所占比例饼图Fig.1 Proportions of every single stratum of left line on Tonghe-Yongtai section

2 硬岩地段掘进问题

区间地层取芯抗压实验揭示，该地段中岩石单轴抗压强度为30～115 MPa。如何快速有效通过该区间的硬岩地段，成为整个工程的重点和难点。

区间左线掘进至176环后，速度明显变慢，刀盘扭矩波动较大，推力明显增加，之后1个月时间仅完成掘进21环，期间共计开仓6次、换刀5次，除去地表加固和开仓换刀时间共计掘进8 d，平均2.6环/d。该段左线具体掘进、换刀情况详见表2—表3。

表2 更换刀具前后掘进参数情况表Table 2 Tunneling parameters before and after replacing cutting tools

续表

表3 刀具检查磨损量及更换情况表Table 3 Wearing and replacing situation of cutting toolsmm

续表

地层情况及刀具磨损情况如图2、图3所示。

3 分析问题产生的原因

通过掘进数据、开仓地层情况、刀具损耗统计以及对刀盘结构刀具分布的分析，找出了掘进困难及刀具异常损耗的原因。

1)地层过硬，岩石单轴抗压强度最大为115 MPa，为保证掘进速度，盾构推力较大，由于岩层开挖轮廓较清晰，底层稳定性好;因此盾构与地层间的摩阻力较软土地层减少了很多，推力更多地作用在掌子面上，滚刀轴承受力较大，造成刀具轴承架破裂、滚柱变形。

2)地层稳定性好，盾构采用敞开式掘进模式，刀盘刀具受岩层冲击力较大，刀具装配质量有缺陷或对地层的适应性不强，在硬岩段掘进中，在较高的压力和振动下失效，主要表现为刀具刀体变形、刀具轴承失效、刀圈崩裂。

3)高硬度岩层加之大推力掘进，刀盘扭矩波动较大，刮刀以及单刃滚刀刀圈脱落，掉落土仓，与刀盘其他刀具发生碰撞，造成刀体撞伤变形、刀圈的撞伤以及刀具的异常损毁。

4)刀体受到大颗粒岩石挤压，导致刀体受力变形，密封失效漏油，致使沙粒进入刀具内部，轴承无法正常转动，造成刀具异常磨损。

5)地下水丰富，在刀具与掌子面接触时存在打滑现象，达不到刀具的启动扭矩，刀具不滚动，造成刀具弦磨和偏磨。

6)海瑞克盾构边缘滚刀(31～39号)布置较为薄弱，每个边缘轮廓轨迹上只有一把刀具，一旦发生刀具损坏，易引起周边刀具的连锁反应，致使开挖轮廓变小，造成盾构摩阻力变大，甚至导致盾构卡死。

4 制定方案

为保证正常掘进，做好刀盘、刀具的保护工作，为加快施工进度，决定在后续左、右线硬岩段掘进中采取以下措施。

4.1 施工措施

1)在掘进过程中向土仓内添加有一定浓度的膨润土浆液进行碴土改良，保证螺旋输送价运转和出碴顺畅，避免出现刀盘和螺旋输送机被卡。

2)从主机径向孔注入膨润土，润滑盾壳，避免出现盾壳被卡的情况。

3)加大刀具检查频率，正常情况下每2环检查一次刀具，出现异常应立即开仓检查刀具，及时更换刀具，避免刀具出现较大的磨损量，做好刀具的保护工作。

4)加强注浆控制，保证注浆质量，并且在盾尾后方每3环进行一次双液浆封堵止水，减少地下水的流动性，避免盾尾后方的地下水流到刀盘前方。

5)加强对泡沫注入系统的保养和检修，避免在泡沫管路不畅的情况下掘进。

6)尽量保持匀速推进。有序的调整参数，减少刀具的异常损伤，同时有利于碴土控制和改良。

7)如刀盘异响、碴土出现异物等情况，应选择合适地点，尽快检查刀具。

8)加强每环的碴土检查和留样，实时监控碴土温度，若出现碴温上升，应及时调整加水和泡沫情况，改良碴土，若温度持续上升应停止掘进，排除问题后再恢复施工。

9)调整刀具启动扭矩至40 N·m，边滚刀刀圈选用材质好、硬度高的刀圈。

10)遵循“小推力、低转速、勤检查、早更换”的原则，稳步推进。

4.2 掘进控制

1)掘进参数。① 采用敞开模式掘进;② 控制刀盘低转速(1.5～1.8 r/min);③ 控制贯入度(控制在5 mm以下);④推力1 400 t以下;⑤刀盘最大扭矩不得超过15 MPa，刀盘扭矩变化3 MPa以下。

2)严格控制盾构机姿态，尽量保证盾构机沿直线掘进，避免掘进方向出现大的调整和变化。

3)掘进过程中加强碴样分析，根据碴样情况及时调整掘进参数。

4.3 施工组织

1)实行项目技术骨干现场值班制度，项目相关技术负责人深入一线，了解现场掘进控制和施工情况，及时解决施工中出现的各种问题，保证施工顺利进行。

2)实行掘进情况分析制度，每班下班后，由总工程师组织，经理、副经理、调度、盾构主司机、值班工程师参加，分析本班的掘进参数及施工情况，调整掘进参数，分析刀具磨损情况，解决施工中出现的异常问题，及时组织开仓换刀，保证掘进正常、顺畅。

3)生产部门合理安排各工序施工，减少工序衔接时间，避免出现非正常停机的情况。

5 施工效果

在第189环开仓以后，通过采用小推力、刀盘低转速、控制刀盘扭矩和扭矩变化、控制贯入度、向土仓内添加膨润土等新措施后，刀具的非正常磨损较前3次开仓有很大程度的好转，刀具损坏程度明显减少，施工成本有效地降低，施工效率明显提高，对最终总工期的实现起到了关键作用。

6 结论与讨论

盾构法因其对环境影响小、占地面积小、施工不受天气限制、安全、高效、快速等优点，已经在城市隧道施工技术中建立了稳固的地位，其适用地层范围也从最初的软土、砂卵土、软岩扩充到硬岩。通过本工程的实践证明，在区间隧道存在距离硬岩地层时，及时调整盾构掘进参数，加强刀具管理，增加辅助措施，盾构也能有效的进行施工。无需再对该种地段进行地面深孔爆破岩层或进行暗挖施工措施，能有效地缩短工期，降低施工风险。但对于长大断面硬岩掘进，受盾构结构、能力的限制，依然存在低效率、高投入等问题，有待进一步解决。

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