硬巖地層盾構機掘進技術探討

劉鵬軍

（西安中鐵工程裝備有限公司 陜西西安 710299）

由于硬巖地層盾構機的工作條件比較特殊，在實際工作過程中盾構機配置要求比較高，作為施工質量保證，該項課題的研究，更好地提升盾構機的掘進效率，通過相關的措施，進一步優化掘進過程中出現的一些問題，實現安全、高效生產。

作為地下空間資源開發重要工具之一，盾構機在隧道開發相關的工程建設中至關重要。改革開發以來，我國的工程建設如火如荼，盾構機作為挖掘隧道的專用設備，其本身質量優劣越發影響到成型隧道建設的工期及隧道質量。目前全國已經投入了數千臺，產生的經濟效益超過400億元。其次，我國在盾構機的研發中也是取得了舉世矚目的成績，現已完全形成獨立研發、獨立制造、獨立生產及獨立施工的一整套完整的生產鏈條。在一些新項目建設中，國產盾構機已經能夠為國家建設提供一己之力，現已走出國門，面向世界。隨著技術的越發成熟，盾構機的發展也是會越來越先進，工藝設計也會越來越精進，依然成為高鐵之后的又一張中國“明信片”。

1 盾構機施工難點分析

1.1 刀具質量要求較高

由于硬巖地層地質條件的特殊性，要求盾構機的刀具（滾刀）質量非常高，刀盤扭矩要求也比較高，一般都采用電驅。在硬質巖層中，刀具配置單刃滾刀較多，單刃滾刀破巖能力強，更換較為簡單（重量），雙刃滾刀更換較難；刀盤布置刀間距單刃變化也更多等，除此之外，刀具強度太高遇到硬的巖石容易崩刃，使用單刃刀能夠極大地節約成本。

1.2 工作過程中的姿態控制難且容易自轉

在硬質巖層掘進時，由于地層較為穩固，掘進形成的隧洞比盾體外徑大，硬巖掘進一般都采用空倉掘進，盾殼底部與形成的隧洞摩擦較小，在施工中由刀盤旋轉中形成的扭矩下使得盾構機進行側轉，從而使盾構機姿態發生變化，需要操作手時刻切換刀盤旋轉，如刀盤以一個方向旋轉，容易達到最大轉動角，使盾構機被迫停機。

1.3 地下地質條件特殊

掘進過程中，硬巖掘進可能會遇到一些地下水集結的富水帶，水量豐富，掘進過程中很容易出現噴涌。大量的地下水夾雜一些碎石和泥土，從螺旋機的出口澎涌而出，對于施工進度影響較大，清理時間長，嚴重時可能需要停工處理，甚至會將整機淹沒等。大大減低了掘進效率，增大隧道施工成本。

1.4 其他影響

在掘進全斷面巖層時，需要增大同步注漿量，進而來補充隧道與盾殼之間的環縫，而同步注漿不到位時，造成管片上浮、破損等現象，在一些全斷面巖層掘進過程中，一般采用敞開掘進，這種掘進方式下漿液會快速到管片底部，使得管片上浮。

2 硬巖地層盾構機掘進技術措施探討

2.1 空倉掘進時刻注意巖層的變化

在空倉掘進的時候工作人員要時刻關注出土的基本情況，由于硬質巖層的地質條件不均勻，有時候可能會出現一些軟土或者夾層之內的，這個時候需要及時操作盾構機的基本工作參數，如果操作不當，很有可能造成出現地層沉降或者塌方危險，在施工前技術人員要根據地質勘探圖紙分析掘進前方地層狀況，隧道頂部如是軟土或是巖層厚度不超過1m，就要適時保壓，防止超排渣土。

同時空倉掘進也要時刻關注富水巖層、裂隙水等涌水相應，涌水較大時，會在很短的時間內對盾構機進行淹沒，這樣的打擊是致命的。

2.2 加強刀具的管理

在巖層掘進過程中，需要根據實際情況來選擇合適的刀具，刀具的刀盤布置也是很重要的，如最外圓需要同軌跡盡量布置兩把刀具，增大破巖能力。強度太高很容易導致崩刀現象，強度太低也是容易造成磨損發生。就連刀具連接螺栓也是至關重要的，一般常采用強度適中的10.9級螺栓連接。而加強刀具的管理，保證能夠及時的更換和保養。在巖層掘進過程中，由于刀具的磨損較快，導致刀具的更換周期較短，所以，在一般的施工現場都需要配備足夠的刀具或更換刀刃的刀具維修車間，保證工作能夠正常進行，如果由于刀具原因造成停機想象，這種情況下出現的損失就沒必要。

盾構機在掘進過程中，刀具會發生一定程度的磨損，這個時候需要注意其磨損量，一般來說，邊緣滾刀的磨損量為10mm，正面的磨損量為20mm的時候需要調整刀具位置或者更換刀具，更換完新刀具（滾刀）后，要緩慢啟動刀盤使得扭矩平穩后停機，進倉對更換的刀具及連接情況進行檢查。在掘進過程中，如果發現問題，要及時的停機進行檢查，確保掘進過程中的安全。同時，時刻進倉對刀具情況進行測量、記錄，并且要檢查刀具的緊固情況，由于工作一段時間之后，工具出現松動的情況也是較多。在掘進到一定程度上，可以根據掘進參數來確定刀具的工作狀態以及磨損量，進尺量小，推力大，扭矩大，刀盤溫度高，都是刀具磨損的信號。

2.3 加強掘進參數的控制

在硬質巖層的掘進過程中，需要遵從基本的“高轉速、小扭矩、大推力”的基本思想，在敞開掘進過程中，盾構推進速度要控制在1-2cm/min，刀盤的轉動速度控制在2-3rpm/min，扭矩在4000n.m之內，總的推力需要控制在1600~2200kN之間。

3 掘進過程中出現的主要問題及原因分析和采取對策

3.1 同步注漿管堵塞

在掘進初期，由于同步注漿頻繁發生堵塞問題，除了送漿管道的彎道較多的影響之外，主要是由于使用的土壤為鈣基膨潤土，后來經過試驗選取了鈉基膨潤土，能夠很好地改善堵塞這一問題。但是由于粉煤灰的量，仍然存在漿液容易離析的現象。后面經過多次試驗，最終找到了合適的配比，較好的解決了管道堵塞問題，每環掘進，一定要滿足同步注漿的量，如不足時，可降低掘進速度來滿足同步注漿的量。同步注漿完成后，根據掘進速度，要及時清理管道，同時加大后續測量。

3.2 管片破裂

主要受到推進油缸剪切和拼裝完成后的管片碰撞等因素引起。管片在受到以下幾個因素的綜合作用會導致了破損和裂縫：①可能是由于拼裝完成后，推進油缸加壓頂推到管片的時候出現局部應力集中，出現管體的破裂；②管片緊固螺栓在打入過程中用力過大，使得管片局部應力變化，出現裂紋；③拼裝的管片與盾尾間的間隙過小，盾殼擠壓管片，表現為管片內弧面的碎裂；④注漿壓力均勻，在地層彈性模量較大情況下管片單邊受壓；⑤盾構機掘進的姿態與成型隧道的姿態不一致，導致拼裝的管片或已成型的隧道管片外表面損傷等。

4 結語

綜上所述，硬質巖層在掘進過程中的問題還是較多，在以后的實踐過程中根據實際情況來不斷增進盾構機的結構，讓盾構機能夠安全的工作的同時提高工作效率。加強對其關鍵環節與重點要素的重視程度，并注重其具體實施措施與方法的科學性。