土压平衡盾构机在硬岩夹芯地层中的掘进技术研究

朱乐峰

摘 要：随着城镇化进程的加快，我国重要基础设施建设取得了显著的成效。随着我国基础道路建设技术的不断提升，利用盾构机在复杂地形进行隧道开挖在一定程度上已经普及，各种施工技术也在不断升级和改善中，在进场阶段以及后续的施工过程中，一个良好有序的施工场地是非常重要的。本文就土压平衡盾构机在硬岩夹芯地层中的掘进技术展开探讨。

关键词：隧道掘进;硬岩夹芯地层;盾构机

0 引言

随着我国基础道路建设技术的不断提升，利用盾构机在复杂地形进行隧道开挖在一定程度上已经普及，各种施工技术也在不断升级和改善中，在进场阶段以及后续的施工过程中，一个良好有序的施工场地是非常重要的。

1 硬岩夹芯地层对盾构掘进施工的危害

中、微风化凝灰岩地层中出现风化夹层的现象在地铁工程中是很少见的，但这种地层的存在会对盾构施工造成较大的危害。由于硬岩地层中风化夹层出现的不可预见性很高，因此给地质勘察工作提出了很大的挑战。硬岩地层中风化夹层的存在破坏了开挖面岩石物理性质的均一性，使得盾构开挖面内地层的物理特性出现巨大差异，岩石强度、完整性等由于风化程度的不同存在较大的差别。这种开挖面内岩石物理特性的差异会对盾构机的刀具造成较大的伤害，从而降低施工效率，增加施工成本。盾构机一般在全断面硬岩地层中掘进时采用“高转速、低贯入度”的施工原则，而在硬岩夹芯层掘进时更宜用“低转速，低贯入度”的施工原则。往往由于风化夹层出现的随机性导致盾构施工时掘进参数得不到及时调整，从而加剧对盾构机刀具的损坏。

2 土压平衡盾构机在硬岩夹芯地层中的掘进技术

2.1 土压平衡盾构施工场地布置的应遵循的原则

（1）有序整洁。隧道施工所属的环境比较复杂，各项工序之间存在较多交叉作业的情况，应对施工场地进行规范化、有序化的整理，促进土压平衡盾构施工的正常进行。因此，在进行场地布置设计前，应对所有的施工流程、工序、材料运输要求等问题进行充分的考虑，可事先利用计算机进行场布预演，提前规避可能出现的问题，保证隧道施工的有序进行。场地有序布置是建立在完善合理的运输系统上，仅停留在表面整洁无法保证施工的正常进行，应重点考虑地面运输系统的构建，包括盾构管片的运输、龙门吊运输系统、废旧渣土运输系统等，应将所有的运作环节充分考虑其中，最大限度保证施工过程中的流畅性和高效性。（2）工作效率。在土压平衡盾构隧道施工时，应满足施工工期要求，最大限度在有限时间内完成应有的工程量。在提升工效上应从两方面入手：第一，遵循就近原则，土压平衡盾构机体庞大，主要机械设备运输困难，因此，在施工场地选址时必须就近安排，减少地面运输系统的压力。第二，各项设备配置应合理，在实际的场地设计中应以满足土压平衡盾构机的工作为中心，各类配置应结合施工的先后顺序有序安排，使得具体施工可以高效展开。

2.2 盾构机吊装

盾构机最大件一般都在100 t以上，一般采用履带吊现场吊装，吊装前需編制专项施工方案且需要专家论证。同时应对吊耳焊接质量委托第三方检测合格，吊装使用的钢丝绳绳头尽量选用工厂化压制的，如采用编结钢丝绳，编结长度务必符合不小于20d的规范要求。另外需复核履带下地基承载力（一般采用重型动力触探），吊装过程中设备、技术及安全部门安排专人现场监督专项施工方案的实施。

2.3 掘进模式

当盾构掘进过程中各项参数控制不当时，螺旋输送器会出现涌水、喷碴等情况，导致掘进过程中将要花费大量的人力、物力及时间来清理盾尾碴土。开挖面上部为碎裂状强风化地层，具有风化裂隙发育、强度较低的特点，但掘进时在一定时间内尚有自稳性。因受水的影响，需在掘进掌子面建立一定的压力来防止地下水涌入土仓，造成水土流失及螺旋输送器喷涌的情况发生。因此掘进采用盾构机半敞开模式，即在土仓内保留1/2～1/3的碴土，向土仓内注入压缩空气或泡沫、膨润土来维持开挖面上部土压，并辅助开挖作业。此地层掘进，上部碎裂状强风化地层只需掌子面进行切削便可破坏土层，但下部中风化地层硬度较高，对刀具的磨损较大，应适当的降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小。

2.4 周边环境监测

掘进时应根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）要求做好测点布置，地面和隧道内监测点宜在同一断面布设，并及时取得初始值，初始值从盾构掘进将影响该监测区域前10d开始。穿越建筑物时，刀盘到达建筑物前10环至盾尾推出建筑物后10环（穿越段）应加强监测和巡视。盾尾推出建筑物10～20环后，根据沉降监测情况对穿越段管片进行二次注浆。另外，监测务必与现场巡查相结合，每天不少于一次。特殊情况，如出渣量出现异常，应增加监测频次与巡查次数。

2.5 贯通整个施工场地的环形硬化道路设计

为了保证现场施工的便利性，减少阴雨天气对道路地面的影响，应设立永久性道路，保证车辆行驶运输的通畅，全面提升工作效率。在施工场地地面硬化道路设计中，为了最大限度地利用硬化地面，降低施工成本，可以将其设计成围绕整个施工场地的环境网状结构，增加车道的数量，缩算运渣车辆和运货车辆在场地内的运输距离，提升场地车辆来往工作效率，在建设过程中，设立好排水设施，保证硬化道路的使用寿命。

3 硬岩夹芯地层中盾构施工的改进措施及建议

硬岩夹芯地层在盾构法隧道施工中出现的频率虽然不高，但确实存在，且对盾构施工造成的危害和影响较大。针对这种地层的复杂性、随机性和危害性，提出以下改进措施及建议。（1）提高地质勘察的手段，增强对硬岩夹芯地层的预见性，为盾构工程的顺利进行提供技术支撑和保障。（2）为盾构机配置具备自动磨损监测功能的滚刀，滚刀的磨损超量或不能发生自转时可及时报警，提高盾构机自身的预警能力，防止因盾构机在硬岩夹芯地层中施工时刀具异常损坏后未及时发现而造成磨损刀盘的恶性事件。（3）提高盾构工程技术人员的风险意识和对硬岩夹芯地层的认知，特别是在微风化凝灰岩地层中，发现掘进参数有异常时，要立即停止掘进，及时进仓检查刀具及开挖面的情况。（4）当已经探明或已知的硬岩夹心层对盾构施工影响较大时，在条件具备的情况下建议进行预处理，并制定针对性的盾构掘进施工措施。

4 结语

盾构施工从端头加固、盾构机吊装、围护结构破除、始发、负环管片拆除、穿越复杂环境、开仓换刀、接收等多项施工过程均需要编制专项施工方案且需要专家评审。盾构施工从端头加固、盾构机吊装、围护结构破除、始发、负环管片拆除、穿越复杂环境、开仓换刀、接收等多项施工过程均需要编制专项施工方案且需要专家评审。安全风险不仅来自盾构作业本身，还有来自周边环境、不良地质及工程自身，施工过程中随时都可能发生险情，为此只有抓好施工过程重要环节的管控，才能减少或避免生产安全事故的发生。实践证明，虽然硬岩夹芯地层具有很高的不可预见性和复杂性，但只要相应的措施到位后，复合式盾构机也是可以应对的。当然，如果对有些方面再进行一些改进和加强，盾构机应对这种不利地层会更加从容。

参考文献：

[1]张厚美.盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用[J].现代隧道技术，2018，48（1）：61-65+74.

[2]竺维彬，王晖，鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策[J].现代隧道技术，2019，43（4）：72-76+82.

[3]竺维彬，鞠世健，钟长平，等.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2019.