盾构机穿越孤石及上软下硬砾砂地层掘进现场施工分析

李伟忠、桂佑杰、岑旭文

（中建八局轨道交通建设有限公司，江苏 南京 210046）

1 工程概况

某隧道盾构区间左线截至2020 年7 月10 日累计掘进310 环，2020 年10 月25 日进行开仓换刀。在左线自0 环到284 环洞身范围内，地质情况依次为硬塑状砾质黏性土、砾砂层、全风化黑云母花岗岩、强风化黑云母花岗岩（土状）。从284 环开始进入上软下硬砾砂地层，隧道拱顶为强风化黑云母花岗岩，底部为微风化黑云母花岗岩。单圆盾构机盾构（CREC015）在290环之前均为软土地层，在该段范围共遇到4 处孤石。第一处为64-74 环，第二处为158-166 环，第三处为245-248 环，第 四 处 为262-264 环。

某隧道盾构区间右线截至2020 年7 月10 日累计掘进367 环，已完成开仓换刀作业，继续掘进。在盾构区间右线0 环到270 环，隧道洞身地质情况依次为硬塑状砾质黏性土、砾砂层、全风化黑云母花岗岩、强风化黑云母花岗岩（土状）。盾构在该段范围内均为软土地层。从271 环开始进入全断面地段，隧道洞身范围均为微风化黑云母花岗岩。337 环从全断面到上软下硬砾砂地层，掘到350 环到全断面硬岩，357 环又到上软下硬砾砂地层。右线掘进至今都是上软下硬砾砂地层，隧道拱顶为强风化花岗岩，底部为微风化岩层。在270 环进入全断面硬岩之前，在该段范围共遇到3 处孤石。第一处为66-72 环、第二处为160-169环、第三处为265-268 环。右线从270 环开始进入上软下硬砾砂地层。

2 孤石及上软下硬砾砂地层掘进参数分析

左线过孤石时，盾构掘进各项参数变化差距较大（见图1），掘进速度明显下降，扭矩增大，加大推力无明显效果[1]。在盾构机土仓壁旁，听到有刀盘与地下障碍物或孤石碰撞摩擦的声音。在孤石区域各项掘进参数为：掘进速度4～10mm/min，刀盘扭矩1500～2300kN·m，油缸推力1300～1900t，刀盘转速0.8～1.2r/min，刀盘贯入度3～5mm/r 左右。盾构在软土层正常掘进，掘进参数为：掘进速度35～45mm/min，刀盘扭矩1100～1500kN·m，油缸推力为1000～1400t，刀盘贯入度25～30mm/r 左右。左线进入上软下硬砾砂地层后速度明显下降，每环平均速度在1～3mm/min 左右，超挖刀在16 点位置速度降为0，转到9 点位之后才恢复1～3mm/min 的速度，刀盘扭矩及推力增大，扭矩波动峰值较大。推进参数不稳定。

图1 左线盾构掘进各项参数折线统计图

右线在过孤石期间盾构掘进各项参数与左线基本相同（见图2）。孤石区域各项掘进参数为：掘进速度6～12mm/min，刀盘扭矩1000～1400kN·m，油缸推力1200～1800t，刀盘转速0.8～1.2r/min，刀盘贯入度5～10mm/r 左右。在没遇到孤石时，掘进参数较为稳定。掘进参数为：掘进速度45～55mm/min，刀盘扭矩为1000～1500kN/m，油缸推力1000～1600t，刀盘转速0.8～1.4r/min，刀盘贯入度35～45mm/r 左右。右线从全断面硬岩到上软下硬砾砂地层之后，掘进参数与左线基本相同。速度明显下降，刀盘扭矩及推力增大，扭矩波动峰值较大。推进参数不稳定。

图2 右线盾构掘进各项参数折线统计图

在左线162 环位置钻孔取芯，勘探孤石大小及孤石强度，钻孔位置分别位于隧道中心及两边，共钻设6个勘探孔，钻孔深度为25m。勘探得出，在刀盘纵断面范围勘探到2 个孤石（见图3）。根据勘探孔间距，得出孤石位置位于掘进方向靠刀盘中心区域，估测孤石大小为2m×1.5m×1m 及2m×1m×1m，孤石埋深为17.6～19.2m，23.3～25.4m。经第三方检测单检测得出孤石强度最大为173MPa，最小为155MPa。孤石平均强度为160.7MPa。

图3 左线勘探孔芯样照片

3 刀具磨损情况

盾构区间盾构机采用土压平衡盾构，刀盘规格为（直径×长度）φ6980。双联中心滚刀6 把，刀高160mm，正面单刃滚刀24 把，刀高160mm，边滚刀12把，刀盘构造如图4 所示。

图4 刀盘刀具配置图

盾构区间左线从始发至今共开仓3 次，第一次在262 环位置进行换刀，从始发到262 环左线盾构已经穿过3 次孤石，开仓前262 环扭矩及推力增大，其速度为0～2mm/min，扭矩波动大，推力加大，刀盘转速减小，效果不明显，掘进参数不见好转。经换刀之后，速度能达到6～8mm/min。在264 环后，速度慢慢回升，推力1200t 左右，扭矩1000kN·m，进入正常状态，速度可以保持在20mm/min 左右。共计换了5 把中心刀（S2+S4、S5+S7、S6+S8、S9+S11、S10+S12），S2+S4、S5+S7、S9+S11 断 齿 严 重，刀 圈 磨 损 严 重；S6+S8、S10+S12 偏磨严重，刀圈崩裂。

第二次在283 环换刀，考虑盾构即将进入上软下硬砾砂地层，为了顺利地掘进，该次共计换了14 把单刀，基本集中在正面单刃滚刀及边滚刀，其中正面滚刀8 把，边缘滚刀6 把。有1 把正面滚刀（S34）、4 把边缘滚刀（S38、S39、S41、S42）出现严重偏磨、断齿。其余刀具均有不同程度的断齿、缺口、磨损，磨损量在1.2～1.8cm 不等。换刀之后，因为在上软下硬砾砂地层中，速度虽然无明显加快，但推力及刀盘扭矩等参数较为正常。

第三次在297 环开仓换刀，共计换了13 把刀，中心刀（S1-S3）1 把，正面滚刀6 把，边缘滚刀6 把。中心刀严重变形、断齿、刀圈磨损严重。3 把单刀断齿、偏磨严重，剩余刀具都有不同程度断齿、磨损，磨损量在7～15mm 之间。S40 边缘滚刀是在上一次开仓283环就更换过的重型扁齿刀。该次换刀前速度为0～1mm/min，基本无速度，扭矩波动较大在2100kN·m左右，推力1500t，换刀之后，速度保持在3mm/min 左右，扭矩及推力明显下降。

盾构区间右线从始发至今大规模开仓换刀6 次，其中不包括在全断面硬岩段换刀的次数及数量。在全断面硬岩段掘进时，平均1.5 环就需开仓检查刀具并更换磨损量超过5mm 或断齿多的刀具。在推进过程中，遇到掘进参数异常，如扭矩波动较大、推力增大、贯入度降低或刀盘前面异响等，考虑刀具磨损较为严重，需开仓检查刀具，对磨损超标的刀具进行更换，对磨损量正常且仍具有良好破岩能力的刀具进行保留，基本集中在边缘滚刀及正面滚刀。

4 上软下硬砾砂地层掘进、超排及过孤石存在的问题

其一，掘进速度慢，刀盘转速在控制不当的情况下易造成刀具非正常损坏，对刀和刀盘损害较大。其二，盾构机姿态难以控制，上浮或盾壳被卡住、蛇形推进，注浆不及时易产生地面沉降甚至塌陷，隧道管片破损。其三，隧道拱顶地层自稳性较差，地面往下12m 左右均为回填垃圾，盾构在推进过程中容易产生超排。出渣量控制难度大。其四，硬岩段及上软下硬砾砂地层对盾构刀盘磨损严重，上软下硬砾砂地层掘进15 环左右，全断面硬岩段盾构掘进2～3 环就需停机进行开仓换刀，换刀费用大，耗时长。其五，盾构在上软下硬砾砂地层推进时，无速度或速度较慢，刀盘扭矩大，扭矩波动峰值也较大。加大推力，在降低刀盘转速的情况下无贯入度。判断刀具磨损严重，考虑开仓换刀，停机开仓区域地层自稳性较差，回填垃圾土体松散系数较大，地下水丰富难以控制，并且地面不具备加固条件，开仓风险较大。其六，因在机荷高速安全保护区内，未钻设勘探孔。地质情况不明朗，右线在掘进过程中遇到基岩突变，从全断面岩层到上软下硬砾砂地层，再从上软下硬砾砂地层到全断面岩层。如发现不及时，掘进参数未及时根据地层变化而改变，容易损坏刀具，并对地层造成较大的扰动。其七，盾构在上软下硬砾砂地层掘进时易发生喷涌，开挖面失稳引起地表沉降。其八，在没遇到孤石时，盾构机处于软土地层中掘进，各项掘进参数正常。遇到孤石后，局部刀具冲击切削孤石岩面，因孤石强度高、完整性好、掘进受阻，扭矩波动较大，贯入度降低，推力增大。若操作不当或掘进参数未及时变化，会对刀具损伤极大。其九，上软下硬砾砂地层掘进时，仓内温度过高，从皮带上测出温度高达60℃左右。土仓内渣土极易糊出刀盘，结成泥饼。

5 孤石及上软下硬砾砂地层掘进存在问题及后续处理方案及建议

其一，盾构在过孤石或上软下硬砾砂地层推进过程中，若遇到掘进参数异常，扭矩波动较大，推力增大，无贯入度及速度等情况，应立即调整掘进参数，采用“低转速”缓慢加减推力来控制刀盘扭矩，刀盘贯入度控制在3～5mm/r 以内。尽可能把刀盘扭矩波动减小至400。其二，在掘进到上软下硬砾砂地层前将盾构姿态逐步下调，尾部垂直姿态调整至-30±5mm，不得超过-40mm，俯仰趋势应根据实际情况控制，要求能保证盾构姿态稳定。盾构机趋势非特别要求下不超过±6mm，姿态纠偏每环不得大于5mm，每环纠偏趋势不得超过±2mm，以此控制盾构轴线。其三，过孤石及上软下硬砾砂地层时，掘进速度慢，对地层扰动较大。故掘进后每隔5～8 环做一道止水环箍。注浆即将完成时，使用水玻璃单液浆封孔，采取“少量多次”原则，注浆压力不大于0.5MPa。压力波动较大时，应立即停止注浆，换对称的注浆孔接着按相同配比进行注浆。环箍打完后，再对中间管片进行注浆。采用单液浆，水泥浆按1∶1 比例配置。在管片背部再次进行二次填充，防止地表沉降。其四，盾构遇孤石出现掘进参数异常时，应及时上报，不能盲目操作，更不能为了追求掘进速度而强推过去。要考虑刀具的受损程度，采取低转速，控制刀盘扭矩，根据实际的掘进情况来加减推力，尽可能将刀具的损害降到最小。其五，盾构司机、值班工程师、地面调度及技术人员应勤观察渣土特性，根据出渣特性结合实际地层来实时调整盾构掘进参数。其六，严格控制出渣量，上软下硬砾砂地层掘进时土仓内的存土量应不少于2/3，严禁空仓推进。每斗出渣量必须与油缸行程相匹配，以每掘进30cm 以上出一斗渣计量，对出渣量进行动态控制，尽量保持欠挖状态。盾构司机及调度做好出渣量统计并详细记录。在渣土运出翻渣的过程中，门吊司机必须认真记录渣土称重记录，出渣异常时应立即向技术部门反映，根据渣土重量及体积反算出渣量，并保证记录数据的真实性和有效性。其七，在推进过程中，每环向盾壳外部注入膨润土，待管片脱离盾尾后及时进行二次补浆。在推进时若渣土温度过高，为防止刀盘结泥饼，可适量减少泡沫原液的比例，往仓内注入清水来降低渣土温度。其八，对于上软下硬砾砂地层，为控制地面沉降，可适当加大同步注浆方量，适当调整同步注浆配比，加大水泥用量，减少粉煤灰及砂子用量，加快浆液的初凝时间。其九，根据上软下硬砾砂地层换刀频率及掘进参数变化的分析，判断刀具磨损较为严重时，应主动采取措施进行开仓换刀，不能盲目地继续推进。在施工过程中，做好地面巡视工作及监控量测。

6 结语

在某隧洞盾构区间地层施工中，通过分析孤石及上软下硬砾砂地层的掘进参数及刀具磨损情况，提出在保证地面沉降可控的情况下，适当减少土压力，加大刀盘转速，根据推进情况适当减小推力，且向盾构外部注入膨润土可以有效提高掘进速度。同时，在地层开挖时，应密切注意刀片转矩及整体推力的动态，对刀片的磨损进行分析和判定，严格控制施工速度；减小刀片的磨耗，使更换刀的数量最小化，既能降低开槽机的风险，又能减轻工期压力，还能节省建设费用。