全斷面硬巖條件下的盾構掘進與管理

康寶生

(中鐵隧道集團有限公司專用設備中心，河南洛陽 471009)

0 引言

在重慶軌道交通六號線一期，中鐵隧道集團采用2臺羅賓斯敞開式TBM施工。在重慶軌道交通六號線二期投入7臺中鐵裝備(CREC)復合式TBM，在會展中心支線項目投入2臺土壓平衡盾構和2臺中鐵復合式TBM施工。

在歐美國家，一般將隧道掘進機統稱為TBM;在日本和我國，習慣上將硬巖掘進機稱為TBM，將軟巖掘進機稱為盾構。盾構與TBM的主要區別在于:1)盾構能主動提供穩定工作面的壓力，而TBM(無論是單護盾TBM還是雙護盾TBM)則不能;2)盾構和護盾式TBM依靠管片提供推力(雙護盾TBM也可以依靠圍巖提供推力)，敞開式TBM依靠圍巖提供推力。中鐵復合式TBM與傳統的土壓平衡盾構沒有太大區別，當應用于軟硬不均、上軟下硬的復合地層和軟土時，采取土壓平衡模式掘進。考慮到重慶地區全斷面硬巖掘進土壓平衡模式不易建立，提出了采用氣壓平衡模式下螺旋輸送機出碴方式的理念。因此，本文仍將中鐵復合式TBM稱為盾構。

對于盾構在軟巖以及軟硬不均地層中掘進已經有較多的研究總結文章，而對于盾構在硬巖中掘進的研究相對較少。李銳［1］、靳世鶴［2］、王小忠［3］、李茂文等［4］對硬巖地層盾構掘進施工技術進行了探討;張勇智［5］對硬巖隧道掘進機(TBM)刀具管理進行了分析研究;楊書江［6］對成都地鐵泥水平衡及土壓平衡盾構法施工進行了對比分析;王玉卿［7］介紹了重慶地鐵復合式TBM施工應用情況。上述文章從不同角度和側面探討了盾構(TBM)施工技術，但就盾構在諸如重慶地區這樣全斷面、長距離硬巖中的掘進與管理，尤其是在創新管理思路、樹立硬巖掘進理念等方面進行系統分析論述的尚不多見。本文結合設備制造商提供的設備使用管理注意事項和使用管理的經驗教訓，就全斷面硬巖條件下的盾構掘進與管理進行探討。

1 工程概況

重慶軌道交通六號線二期盾構區間線路總長16.65雙線km，分茶園段、蔡家段和北碚段3個區段。重慶會展中心配套市政交通工程項目盾構區間隧道左線長4 186 m，右線長4 083 m。

六號線二期盾構區間通過地層基本上以砂質泥巖和砂巖為主，泥巖和砂巖抗壓強度為10～60 MPa，較大部分地段的巖層產狀比較平緩。全線地表出露地層較簡單，主要由人工填土、粉質黏土、砂巖和砂質泥巖組成。沿線地下水可劃分為第四系松散層孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水，水量差異較大。蔡家段地層結構中，砂巖、泥巖、砂巖泥巖混合段所占比例分別為40.19%、48.44%、11.37%，其中砂巖強度(單軸抗壓)為29.7 ～41.1 MPa，砂質泥巖強度為 6 ～16.1 MPa;北碚段隧道埋深為20～55 m，位于巖石地層內。隧道穿越砂質泥巖、砂巖，最大坡度為25‰，巖層級別為Ⅲ級和Ⅳ級，單軸抗壓強度大部分為6.1～31.9 MPa，少數地段超過60 MPa。地下水為基巖裂隙水，水量較少。茶園段全線地表出露地層較為簡單，即由第四系全新統松散土層和侏羅系中統沙溪廟組基巖為陸相河湖碎屑沉積，主要由砂質泥巖和砂巖組成，隧道圍巖中以基巖為主，圍巖性質變化、差異較大，基巖飽和抗壓強度為 4.8 ～27.9 MPa，天然抗壓強度為 8.1 ～37.3 MPa，且軟硬相間。

會展中心盾構段隧道頂部覆土厚度為10～86 m。地層由第四系全新統松散層和侏羅系中統沙溪廟組巖層組成，基巖主要為砂質泥巖和砂巖。中等風化砂質泥巖的飽和抗壓強度為3.8～9.7 MPa，巖體等級為Ⅳ～Ⅴ級;砂巖呈灰色，中等風化的飽和抗壓強度標準值為33.4 MPa，巖體等級為Ⅲ級;里程K9+300～K12+142段圍巖較淺，砂巖呈紅色，中等風化，飽和抗壓強度標準值為25.3 MPa，巖體等級為Ⅳ級。

2 盾構主要配置情況

中鐵9臺盾構和羅威特(LOVAT)2臺盾構的主驅動均為變頻電機驅動，其鉸接方式都為歐美盾構慣用的被動鉸接式。盾構主要技術參數見表1。

表1 盾構主要技術參數Table 1 Parameters of shield machines

為防止在全斷面硬巖掘進中盾構出現大的滾動，中鐵盾構在前盾盾殼頂部安裝了2個液壓油缸撐靴穩定器，在7臺大功率盾構的前盾和中盾下部又增加了8個液壓擺動油缸(見圖1)。其思路是:在硬巖掘進巖層不能給盾體提供足夠的扭轉阻力時，將穩定器支撐在徑向開挖面上隨盾體向前移動;穩定器與盾體底部及上部與開挖面的接觸點一起形成一個三角形支撐結構，撐靴油缸可以吸收主機傳來的振動，同時對刀盤振動形成半剛性約束，減少刀盤的振動，增大盾體與開挖面的摩擦力以獲得更大的反扭矩，減少盾體由于刀盤扭矩引起的滾動。

在會展中心支線項目使用的2臺羅威特盾構，是專門針對廣東地區軟硬不均、上軟下硬的復合地層設計的，進場前經多方論證，認為其能夠滿足重慶地區施工需要。

3 盾構掘進中出現的主要問題

在重慶全斷面硬巖掘進中，無論是羅威特盾構還是中鐵盾構都出現過一些問題，但總體來說，掘進比較順利。11臺盾構在重慶施工期間的最高月進度情況見表2。

圖1 中鐵盾構圖Fig.1 CREC shield machine

3.1 中鐵盾構出現的主要問題

1)中心刀異常損壞。損壞的中心刀無法正常拆卸，大多只能采取氣體割除的辦法拆除。9臺盾構施工概況見表3，中心刀異常損壞情況見表4。由表4可知，中心刀的異常損壞一般多發生在300～500環，為多把集中損壞。隨著后期刀具管理的加強，中心刀異常損壞現象已呈減少趨勢。新中心刀見圖2，嚴重磨損無法拆卸的中心刀見圖3，割除報廢的中心刀見圖4。從表3和表4可以看出:中鐵20號盾構因其所處地質狀況較好(主要為砂質泥巖)，中心刀沒有出現異常損壞;中鐵27號盾構2011年4月6日始發，掘進僅1個多月時間，未顯示中心刀異常磨損;其余7臺盾構中心刀均有不同程度異常磨損。

表2 11臺盾構最高月進度數據Table 2 Maximum monthly advance rates of different shield machines m

表3 9臺中鐵盾構施工概況Table 3 Tunneling data of 9 CREC shield machines

表4 中鐵盾構中心刀異常損壞情況統計Table 4 Statistics of abnormal damages of CREC shield center cutters

圖4 割除報廢的中心刀Fig.4 Dismantled center cutter

2)滾刀壓塊脫落。滾刀壓緊塊螺栓斷裂或松動，壓緊塊移位，從而失去壓緊刀具的功能，導致滾刀楔形塊移位或丟失，滾刀刀圈變形，刀具難于拆卸，嚴重時造成刀具損壞(見圖5和圖6)。

圖5 楔形塊移位Fig.5 Displacement of wedge block

圖6 壓緊塊移位、楔形塊丟失Fig.6 Displacement of compacting block and missing of wedge block

3)卡盾。一種情況是由于注漿加固停機時間長，盾尾被水泥砂漿包裹造成卡盾，經過處理比較容易脫困;另一種情況則是盾殼被巖體卡住，停機處理時間長、費用高。1臺盾構在直線段被卡，采用礦山法處理45 d脫困;另2臺在650 m曲線上被卡，采取多種措施后1臺脫困，另1臺采用礦山法處理50多d才脫困。對于盾構卡盾的原因有不同的看法，一種認為是刀盤開挖直徑不夠，另一種認為是換刀不及時;另外，當出現卡盾跡象時調向糾偏過猛也會造成卡盾。

4)筒體和螺旋軸葉片磨損。一臺盾構掘進952環，螺旋輸送機底部第2節法蘭后20 mm左右的位置出現了10 cm×3 cm的破損面(見圖7);另一臺掘進935環時發現螺旋輸送機基本不出土，只出水，土倉內土壓逐漸增大。清理土倉后發現螺旋輸送機軸葉片磨損嚴重，耐磨層基本磨損，特別是土倉中的螺旋輸送機軸葉片磨損更加嚴重(見圖8)。

圖7 螺旋輸送機筒體磨穿Fig.7 Worn out of case of screw conveyor

3.2 羅威特盾構出現的主要問題

1)軸葉片磨損。羅威特L247盾構掘進完成會展中心右線(約2 230 m)后，螺旋輸送機軸葉片出現了比較嚴重的磨損(磨損情況好于中鐵盾構)。磨損情況見圖9，新葉片示意圖見圖10。

2)設計缺陷。液壓系統漏油嚴重、修理困難，管片安裝機抓舉頭抓舉不牢。

3)馬達多次發生故障。在掘進647～1 219環過程中，羅威特L246盾構螺旋輸送機馬達7次損壞，最嚴重的掘進7環就損壞。其中1次與液壓油污染有關，1次與螺旋輸送機驅動齒輪磨損有關。

4 全斷面硬巖盾構掘進需要重點注意的問題

4.1 樹立新的理念

要按照全斷面硬巖掘進的理念管理使用盾構。施工初期，對盾構在全斷面、長距離硬巖地層中掘進認識不足、準備不充分，特別是還沒有樹立全斷面硬巖盾構掘進的理念，仍然按照傳統的土壓平衡盾構掘進理念和方法操作使用和管理，故障率高、進度慢。經過不斷總結經驗教訓，充分理解重慶地區的地質特點，在全斷面硬巖情況下，按照硬巖掘進的工況要求和掘進理念指導、管理和操作盾構，使施工得以順利進行。按照硬巖掘進理念管理使用盾構，既包括加強刀具管理、合理選擇掘進參數、仔細控制盾構姿態，又包括同步注漿控制和管理。盾構在全斷面硬巖中掘進，地表不易發生坍塌和隆起，這與在軟土或者軟硬不均地層中掘進地表變化情況有較大不同，對同步注漿的要求也不完全相同。因此，要合理確定注漿量和注漿壓力等主要參數，并根據硬巖地層情況選擇和調整漿液質量以達到最佳，否則，盾構姿態也會因為注漿出現問題，造成卡盾或者管片錯臺、破損(見圖11)，影響施工質量。牢固樹立硬巖掘進理念對防止盾構卡盾尤為重要。

圖11 管片錯臺、破損情況Fig.11 Dislocation and damage of segment

4.2 合理選擇掘進參數

合理的掘進參數對保護刀具、確保盾構順利推進非常重要。在軟巖施工中，往往采用大推力、低轉速、大貫入度。在全斷面硬巖中，要采用提高轉速、降低推力、減小貫入度的方法進行盾構推進。在硬巖情況下，總推進力過大，容易造成刀具過載，發生刀具軸承、刀圈等異常損壞;貫入度過大，容易造成刀具受軸向力增大，發生因密封漏油導致軸承損壞、刀圈移位或斷裂等異常損壞。要根據地層情況，合理選擇總推進力，確保刀具不過載;合理選擇刀盤轉速，660 kW盾構轉速應達到2 r/min，1 200 kW 盾構應達到 3.5 ～4.5 r/min;刀具貫入度控制在8～10 mm/r為宜。

4.3 嚴密監控盾構姿態，謹慎進行盾構糾偏

嚴格控制盾構姿態，盡量保證盾構沿直線掘進，避免盾構掘進方向出現大的變化和調整，正常掘進時盾構豎直和水平方向姿態的調整量不超過6 mm/環。推進過程中特別要關注掘進姿態和盾尾鉸接壓力變化，鉸接和盾尾應處于正常的浮動狀態，鉸接油缸壓力應控制在10 MPa以下，鉸接油缸行程應控制在80 mm以內，其行程差應控制在20 mm以內。掘進中如果盾構總推力，特別是鉸接壓力和行程有逐步增大的趨勢時，應及時分析、調整掘進參數，通過收放鉸接油缸調整鉸接壓力及行程差來控制盾尾姿態，必要時開倉確認保徑刀磨損量。在硬巖掘進中，當邊刀磨損5～8mm后，盾構會出現卡盾和轉向困難的趨勢，要注意換刀。在曲線段掘進時尤其要注意鉸接釋放量，使盾尾姿態盡可能與曲線半徑相吻合。盾構姿態發生變化需要調整或糾偏時，調整的幅度要適當，每環的糾偏量不要過大，盡量接近理論糾偏值。

4.4 切實加強刀具管理

1)確保安裝質量。更換刀具時，要將安裝面清潔干凈，刀座、壓緊塊結合面無損傷;要保證螺栓及螺孔質量;在緊固螺栓時，要對壓緊塊敲擊震動，確保安裝到位;螺栓緊固要保證緊固力矩。對于刀盤外圍刀具，特別是44號和43號刀具，若其壓緊塊表面有1 mm的顆粒存在或刀具安裝不到位造成1mm的間隙存在，將減少盾構的開挖半徑約3 mm。

2)及時檢查。由于進入砂巖地層，巖石強度普遍為40～70 MPa，刀具磨損速度較泥巖地層加快，應縮短刀具檢查的間隔時間(掘進15環左右或更短檢查一次);換完刀具掘進第1環后開倉檢查刀具螺栓、壓塊等情況，發現問題及時處理，刀具螺栓松動后重新安裝時要注意結合面的清潔;每掘進15環或每天進行刀具檢查。如果檢查間隔時間長，一旦發生螺栓失效，將導致刀具產生移位或晃動，并在振動和沖擊作用下，進一步損壞刀座和壓緊塊，從而使刀具安裝的配合面受到損壞，以至于發生連鎖反應，導致后期刀具大面積出現問題。

3)嚴格控制刀具磨損量。為確保盾構開挖直徑，需密切關注保徑刀磨損量，盾構通過直線段或大半徑曲線段時，44號刀的最大磨損量不得超過10mm;盾構通過小半徑曲線段時，應該更加注意保徑刀的磨損檢查，該刀最大磨損量不得超過8 mm。若地質情況穩定時，每天應檢查一次外圍刀具的磨損量。在更換44號保徑刀時，需要同時更換與其相鄰的43號和42號等過渡刀，以保證44號保徑刀工作的環境。

5 值得思考的幾個問題

1)加強項目管理，搞好施工組織。盾構施工是專業性較強的綜合技術工程，是對項目管理水平的綜合檢驗。在軟巖(土)中掘進，即使發生卡盾，可以通過鉸接油缸的收放或者使用拉桿，一般都能使盾殼脫困;但當掘進至硬巖特別是全斷面硬巖時，出現卡盾跡象時，如果急于求成，用軟巖掘進理念處理往往適得其反。當卡盾情況比較嚴重時，不但使用鉸接油缸不能脫困，即使焊接拉桿也同樣不起作用。若著急蠻干，會損壞鉸接油缸，造成盾尾嚴重變形。此時，唯一的辦法就是采用鉆爆法從刀盤向盾尾開挖，徹底清除卡盾的巖石，這樣停機時間長、損失大。因此，嚴密、科學的施工管理和施工組織是確保盾構順利推進的重要條件。

2)加強教育培訓，增強各級人員的責任心。要認真落實項目領導現場值班制度，把問題發現在“掌子面”，解決在“掌子面”。特別是要堅持“班會”、“例會”制度，通過分析掘進參數、總結施工情況，從蛛絲馬跡中發現問題并及時解決。羅威特L246盾構螺旋輸送機馬達連續7次發生故障，第7次損壞后，管理、技術和作業人員冷靜分析、逐條排查頻繁損壞的可能原因，就更換馬達時安裝精度、清洗系統并換油、加強掘進管理提出了明確要求和量化指標。即在安裝調試和掘進過程中，螺旋輸送機馬達最大轉速不能超過15 r/min，設置12 r/min為警戒線，超過該數值時必須上報項目總工批準。自本次修復后，盾構連續掘進275環未發生故障，每天掘進14～16環，直至完工。

3)嚴格考核管理，強化文明施工。與泥水盾構相比，土壓平衡盾構的出渣方式決定了要搞好文明施工確實需要花費更大的力氣、采取更多的措施。多個項目實踐證明，搞好文明施工，就能使設備維修保養到位、設備故障率低、施工質量高。文明施工并不會過多占用施工時間，但其提高盾構施工的效率是可觀的。強化文明施工，必然促使項目各級人員對施工中的設備和管理細節進行重視，能夠及早發現問題，及時處理。

4)落實質量標準，重視組裝調試。盾構組裝調試是保證盾構正常施工的一個重要環節，不管是舊設備還是新設備，必須按照相關的技術文件要求進行組裝，大到各系統的調試，小到螺栓的緊固都要認真對待，嚴格執行標準。隨著盾構數量的增加，加之工期壓力，個別項目管理人員錯誤地從盾構組裝上節約時間，認為組裝調試遺留的問題可以邊掘進邊改進。其實往往組裝期間留下的問題，在施工中不易處理甚至無法處理，只能等到設備到達合適的位置才能處理，設備長時間處于帶病作業狀態，影響施工進度。

6 結論與討論

在全斷面硬巖中使用盾構，必須用硬巖施工的理念進行盾構管用養修，重點是加強刀具管理，及時檢查和更換刀具，尤其是刀盤外周刀具;根據巖層特點合理選擇掘進參數也很重要;全斷面硬巖盾構掘進不易建立土壓平衡模式，當采用氣壓模式或敞開式模式掘進時，土倉中的渣土較少，流動性不好，不能很好地將螺旋輸送機的螺旋軸懸浮起來，螺旋輸送機轉速過快，加快了螺旋輸送機軸和筒壁的磨損，要注意適當增加土倉內的渣土量，降低螺旋輸送機轉速;合理進行渣土改良，有利于降低溫度和減少摩擦、保護刀具、降低螺旋輸送機磨損，提高掘進效率。

如盾構主要配置情況所述，為防止盾構在全斷面硬巖中掘進出現滾動，9臺中鐵盾構分別安裝了撐靴穩定器和擺動油缸，但由于多種原因，施工中并未使用，沒有檢驗其功效，本文對此不作討論和評價。實踐證明，在全斷面硬巖中，刀盤開挖直徑是一個特別需要重視的問題。從設計制造方面來說，刀盤開挖直徑取決于刀盤外周刀具的高度;從使用來說，刀盤開挖直徑與刀盤外周刀具的磨損量密切相關。在設備采購階段，也有片面強調減小開挖直徑以減少注漿量的說法，這是不正確的。刀盤的開挖直徑必須與地質情況相適應，不能以軟巖盾構刀盤的開挖直徑與砂卵石地層甚至硬巖盾構刀盤的開挖直徑進行比較。在密實膠結的砂卵石地層(也稱為“鐵板砂”)尤其是全斷面硬巖情況下，足夠的開挖直徑對確保盾構正常掘進，特別是防止卡盾尤為重要。因此，在盾構設計制造過程中，必須對工程地質和水文地質情況進行全面了解，如有必要及時做好補勘，這對盾構刀盤刀具進行有針對性設計制造和配置至關重要。

無論何種品牌盾構，在使用中都會不可避免地出現一些問題，有的是設計不合理產生的，有的是制造缺陷或者零部件質量問題引起的。根據地質情況選擇合適的掘進參數和碴土改良方式、嚴格執行操作和維修保養規定，是保持設備性能完好、確保施工的重要環節;牢牢把握“人和機器要和諧、機器和地層要和諧、人和地層要和諧”的盾構選型、使用和管理理念，是盾構法施工的關鍵。在全斷面硬巖中掘進，按照硬巖掘進理念管理使用盾構，遵循“小推力、高轉速、低貫入度、勤檢查、早更換”的原則，能夠保證盾構順利推進，取得較高的掘進速度。

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