硬岩段盾构掘进专项施工方案

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(

4ml

Q )、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，各模式可以互换。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；

（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，通过一段时间的实践，我们认为在富水条件下完全可以取消泡沫的注入，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，从该图可以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 2011年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。该区间在通过辉绿岩地层中，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，从图可以看出，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