硬巖地層盾構機掘進技術探討

李 銳

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450003)

0 引言

隨著城市地鐵的不斷發展，盾構施工所涉及的地層也愈來愈復雜，針對盾構在硬巖地層的掘進施工技術，文獻［1－3］針對不良地質提出方案比選，優化掘進工作參數;文獻［4］簡略敘述了盾構機械結構;文獻［5－10］根據實際刀盤及地質相互關系，提出相應技術處理措施。筆者通過實踐經驗總結，以滿足現場操作為目的進行整理提煉，為盾構機硬巖掘進提供較真實有效的實例參考，供同行探討。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣州地鐵三號線北延4標位于廣州市白云區，盾構區間線路呈南北走向，地質和地表環境復雜，施工難度較大，為三號線北延段控制性工程。區間隧道施工采用2臺土壓平衡盾構機施工，其中左線為德國海瑞克盾構機，右線為加拿大LOVAT盾構機，盾構掘進線路長度為4 911.9 m。

本區段工程包括一站三區間，線路坡度為6‰，隧道上覆土厚度最大約35 m(位于白云山腳下)，最小覆土厚度約為4.5 m。盾構隧道管片采用錯縫拼裝，每環6塊組成，外徑6 000 mm，內徑5 400 mm，厚300 mm，環寬1.5 m，彎曲螺栓連接，遇水膨脹止水條止水，管片混凝土強度等級為C50，防水等級為S12。

本次研究依托工程中第三區間施工實例，該區間從永泰站東端始發，沿同泰路下方穿行，在竹韻山莊對面處右轉進入白云山下，下穿白云山和明日之星幼兒園后到達同和吊出井吊出。

1.2 地質概況

同—永區間位于華南準地臺，湘桂贛粵褶皺帶中的粵中拗褶皺束中部，廣花凹陷、增城凸起的交接部位。沿線地貌為廣花沖積平原，地勢較平坦，上覆地層主要為第四系人工填土層，陸相沖、洪積地層，殘積土層;下伏基巖為新生界第三系莘莊村組陸相碎屑沉積巖、二迭系棲霞組和上古生界石炭系下統大潭階石凳子組、測水組、石炭系中上統壺天群。

區間地下水主要為第四系孔隙水與裂隙水，地下水對混凝土結構和鋼結構具有弱腐蝕性。

根據詳勘階段提供的地質資料以及施工單位自行進行的地質雷達探測，盾構洞身地層大部分為全風化、強風化巖層，部分地段為中風化與微風化巖層，且巖石單軸抗壓強度較高，具體巖層分布情況如表1所示。

左線隧道各地層所占比例如圖1所示。

表1 同永區間左線洞身地層情況統計表Table 1 Stratum statistics of left line on Tonghe-Yongtai section

圖1 同永區間左線各地層所占比例餅圖Fig.1 Proportions of every single stratum of left line on Tonghe-Yongtai section

2 硬巖地段掘進問題

區間地層取芯抗壓實驗揭示，該地段中巖石單軸抗壓強度為30～115 MPa。如何快速有效通過該區間的硬巖地段，成為整個工程的重點和難點。

區間左線掘進至176環后，速度明顯變慢，刀盤扭矩波動較大，推力明顯增加，之后1個月時間僅完成掘進21環，期間共計開倉6次、換刀5次，除去地表加固和開倉換刀時間共計掘進8 d，平均2.6環/d。該段左線具體掘進、換刀情況詳見表2—表3。

表2 更換刀具前后掘進參數情況表Table 2 Tunneling parameters before and after replacing cutting tools

續表

表3 刀具檢查磨損量及更換情況表Table 3 Wearing and replacing situation of cutting toolsmm

續表

地層情況及刀具磨損情況如圖2、圖3所示。

3 分析問題產生的原因

通過掘進數據、開倉地層情況、刀具損耗統計以及對刀盤結構刀具分布的分析，找出了掘進困難及刀具異常損耗的原因。

1)地層過硬，巖石單軸抗壓強度最大為115 MPa，為保證掘進速度，盾構推力較大，由于巖層開挖輪廓較清晰，底層穩定性好;因此盾構與地層間的摩阻力較軟土地層減少了很多，推力更多地作用在掌子面上，滾刀軸承受力較大，造成刀具軸承架破裂、滾柱變形。

2)地層穩定性好，盾構采用敞開式掘進模式，刀盤刀具受巖層沖擊力較大，刀具裝配質量有缺陷或對地層的適應性不強，在硬巖段掘進中，在較高的壓力和振動下失效，主要表現為刀具刀體變形、刀具軸承失效、刀圈崩裂。

3)高硬度巖層加之大推力掘進，刀盤扭矩波動較大，刮刀以及單刃滾刀刀圈脫落，掉落土倉，與刀盤其他刀具發生碰撞，造成刀體撞傷變形、刀圈的撞傷以及刀具的異常損毀。

4)刀體受到大顆粒巖石擠壓，導致刀體受力變形，密封失效漏油，致使沙粒進入刀具內部，軸承無法正常轉動，造成刀具異常磨損。

5)地下水豐富，在刀具與掌子面接觸時存在打滑現象，達不到刀具的啟動扭矩，刀具不滾動，造成刀具弦磨和偏磨。

6)海瑞克盾構邊緣滾刀(31～39號)布置較為薄弱，每個邊緣輪廓軌跡上只有一把刀具，一旦發生刀具損壞，易引起周邊刀具的連鎖反應，致使開挖輪廓變小，造成盾構摩阻力變大，甚至導致盾構卡死。

4 制定方案

為保證正常掘進，做好刀盤、刀具的保護工作，為加快施工進度，決定在后續左、右線硬巖段掘進中采取以下措施。

4.1 施工措施

1)在掘進過程中向土倉內添加有一定濃度的膨潤土漿液進行碴土改良，保證螺旋輸送價運轉和出碴順暢，避免出現刀盤和螺旋輸送機被卡。

2)從主機徑向孔注入膨潤土，潤滑盾殼，避免出現盾殼被卡的情況。

3)加大刀具檢查頻率，正常情況下每2環檢查一次刀具，出現異常應立即開倉檢查刀具，及時更換刀具，避免刀具出現較大的磨損量，做好刀具的保護工作。

4)加強注漿控制，保證注漿質量，并且在盾尾后方每3環進行一次雙液漿封堵止水，減少地下水的流動性，避免盾尾后方的地下水流到刀盤前方。

5)加強對泡沫注入系統的保養和檢修，避免在泡沫管路不暢的情況下掘進。

6)盡量保持勻速推進。有序的調整參數，減少刀具的異常損傷，同時有利于碴土控制和改良。

7)如刀盤異響、碴土出現異物等情況，應選擇合適地點，盡快檢查刀具。

8)加強每環的碴土檢查和留樣，實時監控碴土溫度，若出現碴溫上升，應及時調整加水和泡沫情況，改良碴土，若溫度持續上升應停止掘進，排除問題后再恢復施工。

9)調整刀具啟動扭矩至40 N·m，邊滾刀刀圈選用材質好、硬度高的刀圈。

10)遵循“小推力、低轉速、勤檢查、早更換”的原則，穩步推進。

4.2 掘進控制

1)掘進參數。① 采用敞開模式掘進;② 控制刀盤低轉速(1.5～1.8 r/min);③ 控制貫入度(控制在5 mm以下);④推力1 400 t以下;⑤刀盤最大扭矩不得超過15 MPa，刀盤扭矩變化3 MPa以下。

2)嚴格控制盾構機姿態，盡量保證盾構機沿直線掘進，避免掘進方向出現大的調整和變化。

3)掘進過程中加強碴樣分析，根據碴樣情況及時調整掘進參數。

4.3 施工組織

1)實行項目技術骨干現場值班制度，項目相關技術負責人深入一線，了解現場掘進控制和施工情況，及時解決施工中出現的各種問題，保證施工順利進行。

2)實行掘進情況分析制度，每班下班后，由總工程師組織，經理、副經理、調度、盾構主司機、值班工程師參加，分析本班的掘進參數及施工情況，調整掘進參數，分析刀具磨損情況，解決施工中出現的異常問題，及時組織開倉換刀，保證掘進正常、順暢。

3)生產部門合理安排各工序施工，減少工序銜接時間，避免出現非正常停機的情況。

5 施工效果

在第189環開倉以后，通過采用小推力、刀盤低轉速、控制刀盤扭矩和扭矩變化、控制貫入度、向土倉內添加膨潤土等新措施后，刀具的非正常磨損較前3次開倉有很大程度的好轉，刀具損壞程度明顯減少，施工成本有效地降低，施工效率明顯提高，對最終總工期的實現起到了關鍵作用。

6 結論與討論

盾構法因其對環境影響小、占地面積小、施工不受天氣限制、安全、高效、快速等優點，已經在城市隧道施工技術中建立了穩固的地位，其適用地層范圍也從最初的軟土、砂卵土、軟巖擴充到硬巖。通過本工程的實踐證明，在區間隧道存在距離硬巖地層時，及時調整盾構掘進參數，加強刀具管理，增加輔助措施，盾構也能有效的進行施工。無需再對該種地段進行地面深孔爆破巖層或進行暗挖施工措施，能有效地縮短工期，降低施工風險。但對于長大斷面硬巖掘進，受盾構結構、能力的限制，依然存在低效率、高投入等問題，有待進一步解決。

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