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硬岩段盾构掘进专项施工方案

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2020年4月19日
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硬岩段盾构隧道掘进施工技术
1 工程概况
本区间范围内上覆第四系人工堆积层()、第四系上更新统冲洪积层、下伏震旦系长岭子组钙质板岩、中生代燕山辉绿岩等。右线主要穿越的地质条件为中风化钙质板岩，天然抗压强度在50MPa以上。地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，局部地段基岩裂隙水与海水相互连通。
该工程选用了具备三种模式的复合式土压平衡盾构机。
2 刀盘刀具的设置
2.1 刀盘的布置
从一定程度上说，选择合理的盾构机设计是盾构隧道施工成败的关键，而其中最关键的是刀盘刀具的设计。根据地质条件，对刀盘刀具进行了合理的设计。刀盘设计为辐条加面板结构，设六个主刀梁和六个副刀梁（面板），刀盘的开口率为28%。刀盘前面共设置了5个添加剂注入口，其中3个为专用泡沫口，另外2个为专用的膨润土注入喷口。在磨损较多的部位,如刀盘进土口、刀盘开挖面、搅拌棒、刀盘边缘等处,大量堆焊了网格状耐磨硬质合金,大大提高了刀盘的耐磨性能和使用寿命。
2.2 刀具的布置
刀盘共布置了4把中心滚刀（8刃）、32把单刃滚刀，滚刀直径为432mm；配置了切刀48把，刮刀12把，切削刀具采用大块硬质合金结构形式刀具。滚刀的刀间距为90mm，刀具采取高低搭配，滚刀伸出量为165mm，刮刀伸出量为120mm。滚刀高出齿刀45mm，以便在硬岩地段掘进时保护切刀，掘进中以滚刀先破开岩层，刮刀将破碎的岩石刮进土仓。刀具采用耐磨性能和冲击性能都非常优越的E5（日本标准）类硬质合金头。
刀盘、刀具的布置详见图1和图2。

图1 盾构机刀盘正面

图2 盾构机刀盘背面
3 硬岩段盾构隧道的主要掘进技术
3.1 掘进模式的选择
承担本区间的盾构具有一机三模式功能，即土压平衡式、开趟式和半开趟式，各模式能够互换。在硬岩地层掘进中，由于掌子面很稳定，为了加快推进速度，一般采用开趟式推进，盾构机切削下来的碴土进入土仓内后，,即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有少量碴土。掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小，由于不需控制土仓压力,刀盘扭矩较低，掘进推力较低，掘进进度快。
3.2 掘进参数的设定
硬岩地段盾构施工主要掘进参数的设定原则以保护刀具为原则，掘进参数的选择以刀具贯入度为基准来控制掘进速度和总推力。正常推进时速度宜控制在25mm/min之内，同时根据监测数据适当加快或放慢推进速度。在此原则下，对该区间硬岩掘进参数设定如下:
（1) 盾构推进速度控制在0～25 mm/min之间；
（2) 总推力控制在8000～1 kN之间；
（3) 刀盘扭矩控制在1000～2 000 kN·m之间；
（4) 刀盘转速控制在1.6～2 r/min之间。
3.3 渣土改良情况
在硬岩段地层掘进中，由于以滚刀破岩为主，渣土破碎后直径在1～3cm左右，渣土以针片状碎石为主。在初期施工中，我们在刀盘前面注入泡沫以期对渣土进行改良，但实际效果很不理想。主要原因是由于地下水十分丰富，在大量地下水的稀释作用下，泡沫基本无法对碎石状渣土形成改良效果。为此，在后续施工中，我们大胆的提出取消泡沫注入，经过一段时间的实践，我们认为在富水条件下完全能够取消泡沫的注入，但要及时注意观察渣土的情况，一旦地下水有所变化就要及时调整渣土改良方案。

图3 没有注入泡沫的渣土
4 硬岩段盾构掘进存在的主要问题分析及应对措施
4.1 刀具磨损严重
在硬岩地层掘进，首先遇到的一个问题就是刀具的磨损。由于岩层强度高，刀具挤压、切削围岩效率低，对刀具、刀盘的磨损相应也大。因此在硬岩地层对刀具质量、刀具的检查与更换等提出了更高的要求。在掘进至41环,对刀具进行检查时发现，滚刀磨损较大，特别是边缘滚刀磨损严重，磨损情况见表1。为保证开挖直径，防止盾构机被卡住，确保盾构安全，我们对32～41号边缘滚刀进行了更换。
根据相关经验，边缘滚刀在磨损超过8mm，必须进行更换。从刀具检查情况来看，滚刀以正常磨损为主，没有出现偏磨等非正常损坏现象。更换下来的滚刀见图4、掌子面照片见图5，从该图能够看出掌子面滚刀破岩效果非常好，轨迹线清楚，一定程度印证了刀具的设计布置十分合理。

表1 9月4日晚开仓检查刀具磨损记录
刀具序号（#）
磨损量(mm)
滚刀位置
刀具序号(#)
磨损量(mm)
滚刀位置
9
2
正面
26
4
正面
10
2.5
正面
27
2.5
正面
11
2.5
正面
28
3
正面
12
3
正面
29
4
正面
13
2.5
正面
30
5
正面
14
3
正面
31
5
正面
15
2.5
正面
32
6
边缘滚刀
16
3
正面
33
6
边缘滚刀
17
3
正面
34
7.5
边缘滚刀
18
3
正面
35
7.5
边缘滚刀
19
4
正面
36
7.5
边缘滚刀
20
3
正面
37
7.5
边缘滚刀
21
3
正面
38
8
边缘滚刀
22
4
正面
39
7.5
边缘滚刀
23
3
正面
40
7.5
边缘滚刀
24
3
正面
41
10
边缘滚刀
25
4
正面

图4 更换下来的10把边缘滚刀

图5 掌子面滚刀轨迹线
9月14日，我们开仓对刀具进行了检查，发现2把新更换的边缘滚刀出现蹦圈现象，同时部分刮刀出现蹦刃现象。见图6、图7。

图6 边缘滚刀刀圈崩裂

图7 刮刀蹦刃
根据有关研究资料，23MPa的岩石强度是滚刀偏磨的分界线,因此在硬岩掘进中，滚刀非正常磨损现象比复合地层相对要少，但如果掌子面岩层破碎，节理发育，则同样会造成严重的偏磨等非正常磨损.在大连地铁101标港湾广场站～中山广场盾构区间的施工中就比较明显。该区间在经过辉绿岩地层中，平均强度在90MPa左右，但由于掌子面岩层裂隙多，节理发育，造成了很严重的刀具非正常磨损。该区间掌子面照片见图8，从图能够看出，滚刀的轨迹线基本没有，岩层节理发育、裂缝很多，掌子面不平整，岩石强度也较高。

图8 大连地铁港～中区间掌子面状况
由于掌子面的不平整、岩石强度高，造成该区间盾构施工进度十分缓慢，刀具磨损非常严重，必须每环进行刀具检查。滚刀损坏情况见图9。

图9 大连地铁港~中区间施工中滚刀损坏情况
4.2 应对措施
4.2.1 建立刀具的定期、不定期检查制度
对定期检查而言，就是在在掘进中应每隔20环进行刀具的检查和量测。在遇到地质情况有变化，掘进参数异常以及渣土出现异常等特殊情况下，应立即进行刀具检查。
4.2.2 刀具的磨损标准
在硬岩中推进，刀具在正常磨损情况下的更换标准为:边缘滚刀磨损超过8mm，中心滚刀磨损超过15～20mm时就需要进行更换。此时磨损的刀圈的刀刃变宽,其冲击压碎和切削岩石的能力降低，盾构掘进时的推力和扭矩就会增大，从而加大了盾构液压系统和电机系统的负荷，严重降低掘进效率。对非正常磨损的损害的刀具也需及时进行更换。因为一旦一把刀具失去作用，势必加重相邻刀具的负荷，加快相邻刀具的损害，并造成连锁反应，产生不可挽回的重大损失。
4.2.3 高度重视刀具更换质量
在更换过程中，要确保各安装面清洁干净、干燥，确保定位精度及螺栓的紧固质量。针对滚刀螺栓容易松动的现象，采取焊接钢筋固定螺栓的措施，实际使用效果良好。如果安装质量存在问题，则会造成很多困难。例如在边缘滚刀安装中，如因安装不到位有1mm的间隙，将直接影响开挖直径8～10mm，对中心滚刀而言，若螺栓没有按要求紧固到位，将会造成滚刀轴向窜到，进而造成刀具不正常损害。
4.3 管片上浮的问题
4.3.1 管片上浮的原因分析
（1）引起管片上浮的因素很多，如工程地质、水文地质、同步注浆质量、盾构姿态等。就七～西盾构区间而言，由于地下裂隙水十分丰富，围岩为岩层，收敛变形小，围岩与管片外侧存在14cm的空隙，为管片上浮提供了空间。
（2）管片脱出盾尾后，即使及时进行了同步注浆，也因为浆液初凝时间一般较长长，不但无法对管片提供约束，相反提供了上浮力。经计算，在砂浆注满的情况下，每环管片要承受的浮力为540kN，但管片的自重仅160kN，两者相差380kN，自然会造成管片上浮。管片在刚拼装完成后，受盾尾刷的限制，上浮受限，但会造成盾尾间隙上小下大的现象，严重会破坏盾尾刷。在管片脱出盾尾后，上浮逐渐加大，在脱出盾尾5～6环左右达到最大值，上浮量在12～14cm左右。
（3）由于线路纵坡为2.8%的下坡，一旦盾构机的轴线与线路纵轴线存在夹角，那么推力就会产生一个垂直向上的分力，加剧管片的上浮。对下坡线路，管片后方的水会往盾构机处汇集，加剧管片的上浮。
（4）盾构机的姿态也影响管片的上浮。盾构机在掘进中，要经过调整分区油缸的压力来盾构机的姿态。一般在掘进中，下部油缸的压力要大于上部油缸的压力。根据在始发阶段的经验，下部油缸的压力为100bar左右，上部油缸压力位70bar，上下油缸的压力差将产生的压力差在60t左右。不均匀的管片受力加剧了管片的上浮。
4.3.2 应对措施
（1）在掘进中，将盾构姿态下调10～12cm，以抵消管片上浮造成的轴线偏位。
（2）将注浆方式由同步注浆改为后方注浆。从设在盾尾的同步注浆管里进行同步注浆时，地下水极易将浆液稀释并流入土仓，注浆效果较差，并会给正常掘进带来一些困难。经实践摸索，采用后方注浆方式，注浆效果较好。后方注浆就是将浆液从盾尾后10环左右的管片注浆孔注入。
（3）尽量采用双液浆注浆，以便尽快固定管片。对同步注浆采用普通砂浆，但尽量缩短砂浆的初凝时间，尽量控制在6h以内。浆液应具有良好的稠度，能够适当添加外加剂，如高效减少早强剂。在注浆中，尽量降低注浆压力。加强二次补浆，二次补浆以双液浆为主。
（4）加强管片螺栓的紧固工作。我们采用的气动扳手用于螺栓紧固，紧固力必须达到该级螺栓要求的紧固力，同时加强对螺栓的复紧工作。
（5）加强对盾构姿态的控制，盾构纠偏要不能过急、过大，以免加剧千斤顶油缸压力差，严重造成管片环面受力不均。
4.4 管片的开裂、破损、错台的问题
4.4.1 原因分析
七~西区间在始发阶段，管片出现的开裂、破损、错台现象比较突出，严重的影响了盾构隧道的质量和外观。
（1）管片的整体外观和实体质量较差。管片局部出现严重的蜂窝，见图10。经我部对管片进行回弹检测，强度普遍偏低，特别是管片的边缘部位，回弹强度仅35Mp左右，说明管片砼存在离析、振捣不到位、管片的养护不当等的现象，管片的贯通裂缝见图11。

图10 管片边缘出现的严重蜂窝 图11 管片出现贯通裂缝
（2）在掘进中，盾构机姿态控制不好、管片选型不当、管片上浮会造成盾尾间隙过小，从而使管片被盾构机外壳挤压破损，见图12、图13.

图12 管片边缘出现的破裂 图13 管片出现破损
（3）操作人不熟练造成的管片破损等质量缺陷，见图14、图15.。

图14 管片吊装孔的破裂 图15 管片吊装孔的破损
（4）盾构机油缸行程差大、压力不均匀造成管片破损。
4.4.2 预防措施
要最大限度的减少管片存在的质量问题，应采取以下措施：
（1）加强管片的验收，最大程度的减少不合格管片进场。虽然管片由业主统一供应，但我们要严格按规范要求，对每块进场的管片进行细致的验收，对存在裂缝、缺边掉角等问题管片坚决不予进场。
（2）在管片的场内运输、井下运输及安装过程中，要加强对管片的保护，要轻拿轻放、平稳运输，不得碰撞。
（3）管片安装前要对管片进行清洗，特别是管片的吊装口和四周一定要清洗干净。
（4）加强对操作工人的培训，建立考核奖励机制。
（5）加强盾构姿态的控制，严格控制油缸的行程差、减少环面的不均匀受力、技术测量控制盾尾间隙。
（6）加强对吊装口的保护，取出吊装头时严禁硬拉和敲击吊装头。