土压平衡盾构机在硬岩中掘进的适应性分析

文/郝保安、王栓、郑晓飞、罗兴元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江苏南京 210000

土压平衡盾构机在硬岩中掘进的适应性分析

文/郝保安、王栓、郑晓飞、罗兴元 中交隧道工程局第三工程有限公司 江苏南京 210000

广州市轨道交通七号线8标南村站～中间风机房盾构区间以硬岩为主，通过对盾构机的配置及相关参数的分析，结合盾构在硬岩段的掘进施工情况，探讨土压平衡盾构机在硬岩中掘进的适应性。

盾构机；硬岩；掘进；适应性

一.工程概况

广州市轨道交通七号线8标南村站～中间风机房（不含）盾构区间，区间线路最小曲线半径R=350米，线路纵断面为下坡，最大坡度26‰，线路埋深12.04m～36.73m,隧道顶覆土7.86m～32.55m。线路主要穿过＜7＞强风化泥质粉砂岩、＜8＞中风化泥质粉砂岩、＜6Z＞混合花岗岩全风化带、＜7Z＞混合花岗岩强风化带、＜8Z＞混合花岗岩中风化带、＜9Z＞混合花岗岩微风化带等。

＜8Z＞中风化混合花岗岩：灰黄色、褐黄，细粒花岗变晶结构，条带状构造。裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状局部短柱状，岩质较硬。天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30M pa，平均值为26.76M pa。＜9Z＞微风化混合花岗岩：浅灰、灰白色、青灰色，花岗变晶结构，条纹、条带构造。局部裂隙较发育，岩芯呈柱状，局部机械破碎呈碎块状，RQD为50～90%，岩质坚硬。天然单轴极限抗压强度值为26.4～107.3M pa，平均值为73.0M pa。

盾构区间左线长1678.269m，硬岩地层962.57m，占左线线路的57.35%；盾构区间右线长1703.560m，硬岩地层776.806m，占右线线路的45.6%。

地下水水位普遍较浅，局部埋藏较深，稳定水位埋深为1.0～3.6m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切。每年5-10月为雨季，大气降水充沛，水位会明显上升，而在冬季因降雨减少，地下水位随之下降，年变化幅度为2.5-3.0m。

二.土压平衡盾构机情况

本标段选用的S475、S476两台盾构机先后于2008年8月、10月从广州海瑞克隧道机械有限公司出厂。两台盾构机均为液压驱动式土压平衡盾构机，具有高转速、大推力和大扭矩的特点，可以用于复合地层隧道掘进施工。盾体中盾和尾盾之间采用铰接连接，便于在曲线上掘进。盾构机配备有适用该标段地层掘进的刀具、渣土改良系统、完善的人仓和保压系统、同步注浆系统和二次注浆系统，且人仓位于中隔板的上部，以方便刀具更换。

2.1 盾构机的构成

盾构机由主机及后配套辅助系统构成。主机包括刀盘、刀盘驱动、盾体、推进系统、操作室、人闸、螺旋输送机、管片拼装机等。后配套系统包括出渣系统、渣土改良系统、管片运输系统、同步注浆系统、液压系统、油脂系统、控制系统、供电系统、压缩空气系统、水循环系统和通风系统等。

2.2 盾构机的相关参数

盾构机刀盘设计为辐条面板式，开口率为28%（全盘滚刀安装时），开挖直径为6280mm。配置64把齿刀，31把单刃滚刀，4把双刃滚刀，8把边刮刀，1把超挖刀。

其中单刃滚刀和双刃滚刀可以更换为羊角刀，刀盘有液压马达来驱动最大转速可达4.5 rpm,额定扭矩为4500KNm,脱困扭矩为5300KNm。

盾构机的管片设计为外径6000mm，内径5400mm，管片长度1500mm。

渣土运输系统为螺旋输送机加皮带输送。螺旋输送机最大扭矩224KNm,理论出土量385m³/h，通过卵石尺寸直径290mm。

盾构推进系统有10组双油缸和10组单油缸组成，总推力可达34210KN，行程为2000mm。

管片拼装系统为液压驱动式拼装机，有6个自由度，可以正负200度旋转。

人闸系统有两个主副人仓保压系统组成，工作压力可达3ba r,有良好的保压性能，可以进行带压作业。

盾尾密封装置为三道钢丝刷组成的两腔式油脂密封。

盾尾和中盾的铰接密封为橡胶唇形密封，可通过调节压紧块来调整密封压力，并有紧急气囊可在唇形密封失效时紧急充气防止铰接渗漏。

同步注浆系统有两台KSP12泵（每台泵注浆能力为10m³/h）实现同步注浆，在盾尾有4 个+4个备用注浆口。

盾构机配有一套二次注浆系统，可实现双液浆或单液浆的注入。

渣土改良系统有泡沫系统和泥浆（膨润土）注入系统组成，两个系统相互独立。泡沫注入口刀盘4个，压力仓壁4个，螺旋输送机6个，最大泡沫注入量10m³/h。膨润土刀盘有4个注入点，泵流量10m³/h。

装机总功率约为1630KW，总长度约为80m。

三.盾构机的适应性分析

3.1 刀盘及刀具的适应性分析

本区间盾构机多次通过＜8Z＞混合花岗岩中风化带、＜9Z＞混合花岗岩微风化带地层。＜8Z＞中风化混合花岗岩：天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30M pa，平均值为26.76M pa。＜9Z＞微风化混合花岗岩：天然单轴极限抗压强度值为26.4～107.3M pa，平均值为73.0M pa。施工过程中，经取芯实测岩石抗压强度值122M pa，石英含量高达40～45%。

（1）刀盘结构设计为带有进料口的切割式圆盘，带有4条支撑臂的厚壁法兰板支座用来连接主驱动和刀盘，在刀盘后部装有一个旋转接头装置，将盾体内的泡沫剂等液体供给旋转的刀盘。刀盘设计充分考虑了本段岩石较硬的特点，在磨损较多的部位，如刀盘进土口、刀盘开挖面、搅拌棒、刀盘边缘等处，大量堆焊了网格状耐磨硬质合金。并在刀盘轮缘上设计了3道耐磨合金环，大大提高了刀盘的耐磨性能和使用寿命。

（2）在本标段地层下，刀盘上安装有64把齿刀，8把边刮刀，31把单刃滚刀，4把双刃滚刀，1把超挖刀。我部采用标准钢刀圈滚刀，滚刀的承载力为25t，适应掘进的岩石强度为50～150MPa，高于本标段岩石的最高强度。刀具在刀盘上的超前量较大，正面滚刀的超前量为175mm，齿刀超前量为140mm，滚刀高出齿刀35mm,以便在硬岩地段掘进时保护齿刀和刮刀。滚刀与齿刀层次间距为40mm，滚刀的轨迹间距为10～100mm，利于硬岩的破碎。该刀具配置能满足对地层的破岩要求。

刀具采用背装式换刀，更换刀具较快，且易于操作。

图3.1 刀具及刀盘刀具布置图

3.2推进系统的适应性分析

盾构推进系统有20组推进油缸，有10组双油缸和10组单油缸组成。在推进过程中，推力8000～15000KN，就能满足盾构在硬岩中掘进的需要。盾构机有足够的推进能力，总推力可达34210KN。

盾构采用的SLS-T隧道激光导向系统，盾构的姿态可以随时反映在操作室内，结合人工对管片的姿态测量结果，通过调整推进油缸的推力可以对盾构的姿态进行灵活的调整。推进油缸分4个区域，每个区域可以单独调整其推力而改变盾构的掘进方向。盾体中盾和尾盾之间采用铰接连接，这样可以减少盾构的长径比从而使盾构姿态容易改变，使盾构保持正确的姿态。

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3.3 出渣系统的适应性分析

渣土运输系统为螺旋输送机加皮带输送，在施工过程中，螺旋输送机的扭矩20～110knm，而螺旋输送机的最大脱困扭矩为224knm，理论出土量385m³/h。

盾构机刀盘的转速为0-4.5 rpm，在硬岩中掘进时通过提高刀盘的转速来破碎岩层。刀盘背面焊接的搅拌棒能进一步破碎岩块，可有效防止大块硬岩进入螺旋机，螺旋输送机的出土速度可以从0到22 rpm无级调速，能对硬岩地层进行进一步破碎，防止卡死。

在水量较大的岩层地段施工时，通过渣土改良系统向土仓内加入泡沫剂或者膨润土，以减少进入螺旋机的各岩块之间的摩擦力，防止碎石块在螺旋机内堆积将螺旋机卡死。

3.4 注浆系统的适应性分析

同步注浆系统有两台KSP12泵，四根管路来实现同步注浆。每环的设计注浆量为6.0m³,而每台注浆泵注浆的能力为10m³/h，满足施工需要。

在硬岩段施工时，围岩稳定性较好，盾构开挖直径略大于盾体直径，盾体与围岩之间有一定空隙。并且在硬岩段掘进时土仓压力较小，在掘进过程中同步注浆无法一次填充管片与围岩之间的空隙。如果注浆压力过大，则浆液会在高压下流向盾体前方，进入土仓，从而造成浆液浪费。因此过岩层段注浆采用单液浆、双液浆结合使用的方式，双液浆注浆采用KBY50/10-11注浆泵通过凿穿管片的吊装孔，利用注浆头进行注浆。每隔1-2环在管片上部1点、11点位进行同步二次补注浆，以充填同步注浆过程中遗留的空隙，从而保证管片与围岩之间充填密实。注双液浆时，控制注浆压力在0.4Mpa以下，并在盾尾倒数第4环开观察孔，防止注浆压力过大击穿盾尾刷，损坏盾尾密封系统。采用单液浆、双液浆结合使用可保证注浆效果满足施工要求。

3.5 密封系统的适应性分析

盾构机盾尾密封装置为三道钢丝刷组成的两腔式油脂密封，有油脂管8个。盾尾有良好的密封性，理论上每个密封室可承受10ba r压力。本盾构有三道盾尾刷具有两个密封室，只要油脂注入饱满即能确保密封效果，可以确保在36米高水压状况下盾尾不漏水，满足在硬岩段的掘进施工。

盾尾和中盾的铰接密封为橡胶唇形密封，可通过调节压紧块来调整密封压力，并有紧急气囊可在唇形密封失效时紧急充气防止铰接渗漏。

主轴承密封系统由内密封和外密封两个密封系统组成，内密封系统负责盾体常压部分的密封，外密封系统负责开挖舱的密封，主轴承密封系统以承受7.5ba r压力。

螺旋机出料口门完全关闭后，可承受4.5ba r的压力。在硬岩地段中，隧道上方有较厚隔水层，最大水压远小于4.5ba r，因此盾构机密封系统满足在硬岩掘进施工。

3.6 管片质量控制的适应性分析

在盾构掘进过程中，易出现管片上浮、渗漏水、错台、破损等质量病害，该盾构机施工中通过采取如下措施，能保证管片质量。

（1）调整同步注浆配比，缩短浆液凝固时间，并及时进行二次补注浆。将管片与围岩间的空隙充填密实，形成管片第一道防水屏障，同时稳定管片。

（2）每隔10环做一道止水环，截断管片壁后集水，减少地下水浮力，增加衬砌环顶部受力，防止管片上浮。

（3）勤测管片姿态，根据管片实测姿态的变化规律，将盾构机竖直方向姿态调整到-30～-40mm之间，以抵消管片脱出盾尾后的上浮量。

（4）管片拼装前，检查管片的完整性及止水条的粘贴情况，将盾尾和管片止水条清理干净，再拼装管片，防止管片错台和渗漏水。

（5）管片拼装后，顶出推进油缸的过程中，将油缸撑靴扶正，确保管片受力均匀。在盾构推进过程中，严格控制油缸推力，保证管片受力均匀，控制油缸的推力差值在50ba r以内，防止管片受力不均造成破损。

（6）在掘进过程中，对盾尾三环的管片螺栓进行再次复紧，以免管片受力不均造成错台、渗漏水等。

结论：

该标段所选的两台海瑞克S475、S476复合式土压平衡盾构机，盾构机的各个技术参数均能满足盾构在硬岩段的施工要求。盾构机配备有适用该标段地层掘进的刀具，通过渣土改良系统注入泡沫改良渣土，利用同步注浆系统、二次注浆系统选择合理的注浆工艺等，使盾构机能很好的适用于全断面硬岩段掘进，并能有效的控制管片的质量。

[1]马云新.广州地铁复合地层中盾构机掘进适应性分析[J].山西建筑,2009,35（6）：322-323.

[2]王小忠.盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨[J].铁道工程学报,2006,94（4）；52-56.

[3]GB 50446-2008盾构法隧道施工与验收规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2008.