盾構(gòu)長距離硬巖掘進技術(shù)探討

劉峰

河北雄安軌道快線有限責(zé)任公司，中國·河北 雄安 071700

1 工程概況

1.1 工程范圍

尖山路口站～堯化新村站區(qū)間隧道主要沿尖山路和堯佳路下方穿行，并下穿銀貢山。區(qū)間線路場地分屬兩個地貌單元，分別為崗地～坳溝地貌單元和剝蝕殘丘地貌單元。區(qū)間隧道采用復(fù)合盾構(gòu)機施工，起訖里程為右DK31+508.152～右DK33+063.800，右線總長1555.648m，左DK31+508.150～左DK33+063.800，左線總長為1556.702m（含長鏈1.052m），區(qū)間左右線總長為3112.350m。線路先分別以18‰、5‰下坡，然后以22.5‰、23.9‰上坡，隧道埋深在8.2～40.5m。

1.2 工程地質(zhì)情況

區(qū)間主要穿越地層為：淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、全風(fēng)化閃長巖、強風(fēng)化閃長巖與中風(fēng)化閃長巖。區(qū)間隧道從始發(fā)到接收穿越巖層主要變化特征為：上軟下硬段-軟土段-上軟下硬段-硬巖段（平均強度約65Mpa，最大強度170Mpa，巖石質(zhì)量等級為IV～V級）。其中，區(qū)間地層分布情況如表1所示。

表1 區(qū)間地層分布情況表

擬建隧道K31+508～K31+830長度為322m，主要位于軟～可塑粉質(zhì)粘土層和強風(fēng)化巖層中，局部穿越含礫粉質(zhì)粘土，卵礫石室內(nèi)單軸抗壓強度（點荷載）最大為127Mpa，強度較硬。

K31+830～K32+735里程段，長度為905m：下穿銀凸山、繞城高速，旁穿煤炭地質(zhì)局多棟建筑，隧道斷面主要為中風(fēng)化巖層，K32+735～K33+063里程段，長度為328m：位于堯佳路正下方，隧道斷面主要為中風(fēng)化巖層。巖芯呈短柱狀、柱狀，局部呈長柱狀，巖石強度變化較大，較硬巖～堅硬巖，根據(jù)試驗，巖石最大單軸抗壓強度達147Mpa，點荷試驗換算的單軸抗壓強度最大值不小于180Mpa。巖體風(fēng)化、變質(zhì)程度差異較大，強度不均，對盾構(gòu)機刀具選型、掘進速度及掘進方向控制等影響大。

1.3 管片類型

本區(qū)間采用土壓平衡式盾構(gòu)機掘進，管片采用鋼筋混凝土管片，設(shè)計強度等級為C50，抗?jié)B等級≥P12，鋼筋混凝土鋼筋采用HPB300級和HRB400E級鋼。管片分為六塊：三個標(biāo)準(zhǔn)塊A、兩個鄰接塊B、一個小封頂塊K。如圖1所示，管片內(nèi)徑為5500mm，外徑為6200mm，管片厚度為350mm，管片寬度為1200mm，楔形環(huán)單邊楔形37.2mm，楔形角0.3438°，盾構(gòu)管片接觸面縱縫設(shè)凸凹榫，環(huán)縫不設(shè)凸凹榫。管片連接螺栓為機械性能等級8.8級的普通螺栓鋼管片及鋼制預(yù)埋件均采用Q235B鋼。

圖1 管片襯砌結(jié)構(gòu)圖

2 盾構(gòu)機主要配置情況

2.1 盾構(gòu)機主要構(gòu)件相關(guān)參數(shù)

①開挖直徑：6470mm。

②盾構(gòu)機外徑：6440mm。

③盾構(gòu)機內(nèi)徑：6200mm。

④刀盤開口率：35%，中心開口率38%。

⑤扭矩：最大扭矩6449KN，脫困扭矩7739KN。

2.2 刀盤

2.2.1 針對性設(shè)計

新制刀盤為復(fù)合刀盤，開挖直徑φ6470mm，開口率35%（中心開口率達38%），結(jié)構(gòu)形式為輻條+面板+格柵的形式，在粒徑進行篩選的同時，提高掘進效率，降低滯磨率。如圖2所示，6主梁＋6面板＋6圓管扭腿。扭腿分布半徑方向布置厚傳力筋板。提高整體結(jié)構(gòu)剛性，傳遞扭矩更加均勻。刀盤上合理配置滾刀與刮刀，既能滿足破巖能力達到200MPa以上，又能適應(yīng)在軟土地層中使用。

圖2 刀盤示意圖

刀盤外周設(shè)置有2圈合金耐磨環(huán)+1圈hard500耐磨塊+16把圓周保護刀，面板貼8+7復(fù)合耐磨板，扭腿等處焊接HF680耐磨網(wǎng)格。針對始發(fā)段軟土地層，出場刀盤設(shè)計可安裝加強型18寸刀圈的鑲齒滾刀，刮刀及邊刮刀采用合金耐磨耐沖擊重型刀具。與此同時，刀盤的背面和邊緣過渡區(qū)，也焊有致密耐磨網(wǎng)格，確保刀盤的耐磨性能。如圖3～圖5所示，刀盤的中部和外周設(shè)置有磨損檢測，用于預(yù)警刀盤外周和面板的磨損情況。刀盤面板焊接碳化鎢耐磨復(fù)合鋼板+16把保護刀+整圈合金塊。

圖3 刀盤耐磨塊

圖4 單刃鑲齒滾刀

圖5 碳化鎢耐磨

2.2.2 刀具

刀具配置如表2所示。

表2 刀具配置

3 盾構(gòu)掘進

3.1 全斷面強、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖地層掘進參數(shù)控制

在較完整地層掌子面成形良好，巖石質(zhì)量強度較高，應(yīng)采用高刀盤轉(zhuǎn)速、低推進速度掘進，降低刀盤貫入度。完整巖層巖石較硬，每環(huán)推進時間較長，渣溫較高，因此掘進時要向刀盤和螺旋機多加泡沫，向土倉加水，對刀盤和螺機進行冷卻、潤滑，從而降低刀具和螺旋帶的磨損速度，為了防止刀具超載，不能因為追求速度而盲目增加推力。

在破碎地層中掘進時刀盤扭矩變化大，有較大的振動和響聲，對刀具的損傷較大，可能出現(xiàn)較大塊巖石的崩落和震斷刀圈。掘進中要適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速和掘進速度，降低貫入度，盡量減少大石塊崩落的數(shù)量，避免出現(xiàn)頻繁卡螺機現(xiàn)象。加強盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封效果；隨時觀察出渣口渣土情況。在地質(zhì)條件允許的情況下，適當(dāng)增加檢查刀具的頻率。其中，表3為249～553環(huán)盾構(gòu)機推進 參數(shù)。

表3 249～553環(huán)盾構(gòu)機推進參數(shù)

破碎巖層及完整巖層掌子面情況如圖6、圖7所示。

圖6 較完整掌子面情況

圖7 較破碎掌子面情況

3.2 全斷面中風(fēng)化閃長巖地層掘進參數(shù)控制

此地層巖石強度較大，但整體結(jié)構(gòu)性好。在全斷面硬巖中，要采用提高轉(zhuǎn)速、降低推力、減小貫入度的方法進行盾構(gòu)推進。在硬巖情況下，總推進力過大，容易造成刀具過載，發(fā)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(fā)生因密封漏油導(dǎo)致軸承損壞、刀圈移位或斷裂等異常損壞。要根據(jù)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(zhuǎn)速。在全斷面中風(fēng)化閃長巖地層掘進參數(shù)如表4所示。

表4 554-752環(huán)盾構(gòu)機初步推進參數(shù)

在全斷面中風(fēng)化閃長巖地層中掘進開倉檢查刀具情況：正刮刀刀刃崩失多處合金塊，邊滾刀磨損較大，邊滾刀刀刃均已磨尖，具體進入圖8所示。

圖8 全斷面中風(fēng)化閃長巖掌子面

4 硬巖掘進中出現(xiàn)的問題

4.1 刀具磨損

4.1.1 刀具磨損現(xiàn)狀統(tǒng)計

尖～堯區(qū)間左線硬巖掘進段總累計開倉19次。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，刀具異常磨損多集中在800～1000環(huán)之間，在該段硬巖掘進中，部分區(qū)段巖石強度高，巖石強度超過150MPa；巖石強度變化大，RQD值在7%～80%之間，巖石較破碎。

在該段巖層中掘進，多數(shù)邊緣滾刀存在擋刀環(huán)丟失、刀圈脫落、刀具偏磨、崩刃等現(xiàn)象，大部分刮刀存在崩齒現(xiàn)象，邊緣刮刀全部更換。后期通過對刀具的管理和對掘進參數(shù)優(yōu)化控制，刀具異常磨損的情況得到改善。具體刀具檢查磨損量及更換情況如表5、圖9、圖10、圖11所示。

圖9 滾刀偏磨

圖10 刀圈移位

圖11 刀圈脫落

表5 刀具檢查磨損量及更換情況

4.1.2 解決措施

①掘進參數(shù)控制：一是采用保氣壓模式掘進；二是控制刀盤低轉(zhuǎn)速（1.2～1.5r/min）；三是控制貫入度（控制在5mm～10mm以內(nèi)）；四是推力1500t以下。

②在盾構(gòu)機掘進期間，要不斷向掘進時要向刀盤多加泡沫，向土倉加水，對刀盤進行冷卻、潤滑，就是降低刀具的磨損速度。

③在盾構(gòu)在硬巖段掘進時，要控制好盾構(gòu)姿態(tài)，一旦盾構(gòu)掘進姿態(tài)出現(xiàn)偏差，要奉行“掘進長距離，緩糾偏”的思想，而不能是通過猛糾，造成刀具的無謂磨損。

④盾構(gòu)在硬巖地層中掘進，正常磨損情況下刀具更換標(biāo)準(zhǔn)一般為：當(dāng)周邊刀刀圈磨損掉10～15mm、面刀和中心雙刃刀刀圈磨損掉20～25mm時就需要更換，此時刀圈的刀刃變寬，其沖擊壓碎和切削巖石的能力降低，盾構(gòu)掘進時的推力和扭矩增大，從而加大了盾構(gòu)液壓系統(tǒng)和電機系統(tǒng)的負(fù)荷，而且切削下來的巖石也會磨損刀盤面，降低刀盤的使用壽命。

⑤建立定期和不定期刀具檢查制度：根據(jù)在硬巖掘進中刀具磨損及換刀頻率總結(jié)規(guī)律，每隔10～50m定期開倉檢查；當(dāng)掘進參數(shù)出現(xiàn)異?；蚨軜?gòu)司機通過掘進中聲響或渣樣變化不定期進行檢查。

⑥掘進過程中加強碴樣分析，根據(jù)碴樣情況及時調(diào)整掘進參數(shù)。

4.2 卡螺機

螺機卡停的螺機設(shè)定壓力在200bar以上，若超過設(shè)定值則會出現(xiàn)螺機卡死現(xiàn)象，在推進中要時刻注意螺機參數(shù)變化。

4.2.1 原因分析

①渣土得不到很好的改良則會使渣土黏性過大，導(dǎo)致螺旋機被堵死，若渣土過干也會對螺機形成堵塞，增加螺機扭矩和壓力。

②由于石塊粒徑太大，石塊太多造成螺旋機過載不能轉(zhuǎn)動。

③渣石長時間在螺機中存儲失水，使石粉流塑性降低，在螺旋機中固結(jié)。

具體如圖12、圖13所示。

圖12 石塊粒徑過大

圖13 石粉在筒壁固結(jié)

4.2.2 解決措施

①若螺機出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，先用螺機反轉(zhuǎn)看看是否能把卡螺機的渣土反轉(zhuǎn)回土倉內(nèi)，若正反轉(zhuǎn)不能解決問題再考慮動用螺機伸縮功能，把卡住螺機的渣石擠壓磨碎。

②若是出現(xiàn)螺機內(nèi)渣土失水固結(jié)情況，嘗試往螺旋機內(nèi)注入泡沫等改良劑，增加渣土的流塑性。

③如果以上方法不能脫困時，打開螺旋機觀察窗，正反轉(zhuǎn)螺機，如若有大石塊時將其取出。

注意在每環(huán)推進結(jié)束后，及時反轉(zhuǎn)螺機，避免桶壁內(nèi)留存渣土。

4.3 跳刀盤

在掘進至530環(huán)左右時，頻繁出現(xiàn)跳刀盤、扭矩限制器脫扣等問題，該段地層比較破碎，掘進時刀盤扭矩變化大，有較大的振動和響聲。

4.3.1 原因分析

①掌子面較為破碎，刀盤切削后掌子面凹凸不平，刀盤轉(zhuǎn)動期間與周邊圍巖卡住導(dǎo)致扭矩飆升，刀盤跳停。

②土倉內(nèi)渣土過多，造成過高的無效扭矩，導(dǎo)致電機扭矩限制器脫扣，刀盤跳停。

③渣土改良不到位，沒有形成良好的流塑性。

具體如圖14、圖15所示。

圖14 圍巖破碎

圖15 掌子面部分存在空穴

4.3.2 解決措施

①如果掌子面穩(wěn)定性較好，可以多出渣，減少土倉內(nèi)渣土的量從而降低渣土的摩擦阻力，減小扭矩；注入潤滑效果好的泡沫劑，做好渣土改良，減少刀盤與掌子面及倉內(nèi)渣土的摩擦。

②將主動鉸接油缸縮回，使刀盤回退與掌子面留出少許間隙后再轉(zhuǎn)刀盤。

③將推進油缸縮回，使得撐靴與管片間留有1cm間隙。

④使用脫困扭矩反復(fù)進行刀盤正反轉(zhuǎn)。

⑤以上方法用過都不能脫困時，進倉找出卡住刀盤的障礙物，將其處理掉，再用脫困扭矩反復(fù)進行刀盤正反轉(zhuǎn)。

5 實際效果

上述硬巖掘進中出現(xiàn)的問題及相應(yīng)的解決措施在本工程中得到實踐，采用上述措施后，各問題均得到了有效控制，因此證明上述各措施發(fā)揮了作用，刀具管理、掘進手法得到進一步優(yōu)化，成型隧道質(zhì)量進一步提高。

6 結(jié)論

在全斷面硬巖中采用盾構(gòu)法，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(jù)巖層特點合理選擇掘進參數(shù)也很重要。此外，及時關(guān)注管片質(zhì)量，最終以成型隧道質(zhì)量作為盾構(gòu)施工的評判依據(jù)，及時建立每環(huán)管片的跟蹤臺賬，方便后期追溯。在全斷面硬巖中掘進，按照硬巖掘進理念管理使用盾構(gòu)，遵循“小推力、高轉(zhuǎn)速、低貫入度、勤檢查、早更換”的原則，能夠保證盾構(gòu)順利推進，取得較高的掘進速度。