长距离硬岩隧道的盾构施工

长距离硬岩地层的盾构隧道施工
作者：刘文勋
(中铁十五局集团有限公司城交公司广东深圳518131 ) 摘要：深圳地铁3号线3102标段翠竹站～田贝站隧道左线所处地层以硬岩为主，区间以盾构法施工为主，矿山法施工为辅。

在总结翠田左线施工经验的同时对盾构长距离穿越硬岩地层的施工方法和经验进行总结：通过合理的配置刀盘刀具、以适宜的掘进模式、选择合理的掘进参数及同步注浆参数、同时加强对刀具的管理，可以很好的解决盾构在长距离硬岩段遇到的难题。

关键词：盾构、长距离、硬岩、刀具
Long-Distance Shield Tunnel
Construction In Hard Rock
Liu Wenxun
(Urban Transport Company Of China Railway 15th Construction Bureau Co. ,
Ltd.Shenzhen 518131, Guangdong, China)
Abstract：The left running tunnel between Cuizhu station and Tianbei station on No. 3 line of Shenzhen Metro is mainly located in hard rock . It`s mainly constructed by shield machine. Mining method, supplemented by the construction. In conlusion, the construction experience of the left line Cui -Tian Shield Tunnel, while the long distance through the Hard Rock experience of construction methods and concluded:Through the rational allocation of the tool cutter,select the appropriate driving mode,select areasonable driving parameters and Grout parameters,while strengthening the management of the tool cutter,can solve hard rock shield in the long-distance Shield Tunnel problems encountered.
K e y w o r d s：S h i e l d L o n g-D i s t a n c e H a r d R o c k T o o l c u t t e r
随着我国城市化进程的加快，城市的地面交通已经越来越难满足人们的出行要求，影响了城市经济的发展。

近年来地铁的建设如雨后春笋般出现在各大中城市。

目前国内的地铁隧道建设以盾构法为主。

盾构在穿越长距离硬岩地层的技术还不完善，珠三角城市的地质比较复杂且以硬岩为主。

传统的矿山法已显现了诸多弊端，如果盾构法能在成洞速度上有所突破将很好的解决硬岩隧道施工的难题。

1.工程概况
1.1工程范围
翠田区间隧道自翠竹站东侧端头向北侧左转穿过东门北路北侧住宅小区，到达大头岭南侧，继续向西北左转穿越大头岭，过大头岭后右转延翠竹路北行至田贝站南侧端头。

左线区间设范围里程ZDK10+165.970～ZDK11+374.800（含短链16.138m），总长1192.7m。

其中ZDK10+165.970～ZDK10+635.000和ZDK11+022.000～ZDK11+374.800为盾构开挖盾构衬砌隧道， ZDK10+635.000～ZDK11+022.000为矿山法开挖盾构衬砌隧道。

1.2工程地质
翠竹站至田贝站区间左线隧道洞身穿越地层统计从上图可以很清晰的认识翠田左线盾构穿越地层的地质组成状况。

<11-1>全风化花岗片麻岩（Zyk）
褐黄、灰黄色为主，夹杂灰黑、灰白等色，岩石完全风化，岩心呈硬塑～坚硬土柱状。

根据室内试验，物理力学指标平均值ρ=1.94g/cm3，w=24.78%，e=0.74，ＩL=0.38，a0.1-0.2=0.38MPa-1，Es0.1-0.2=4.53MPa ，天然快剪标准值c=19.2kPa，φ=19.45°。

根据原位测试，标准贯入试验N=30～50击/30cm，平均击数N=41.1击/30cm。

该层埋深1.2～22.8m，层状分布于残积土层下。

<11-1-2>全风化花岗片麻岩（Zyk）
褐黄、褐灰、灰绿等色，岩石完全风化，岩心呈坚硬土柱状，局部夹强风化岩块，手捏及散。

合金钻进。

根据原位测试，标准贯入试验平均击数N=61.7击/30cm。

钻探揭示该层埋深6.6～28.4m，层状分布，局部尖灭。

<11-2>强风化花岗片麻岩（Zyk）
褐黄色，灰褐色，棕灰色等，岩石风化强烈，裂隙很发育，原岩结构清晰可见，岩芯呈半岩半土状、碎块状，岩块手可折断。

风化不均匀，局部夹中等岩块，岩块手折不断。

根据室内点荷载试验，Is(50)=0.65～1.61Mpa（单轴饱和抗压强度Rc=17.7～33.7Mpa）。

钻探揭示该层埋深5.3～38.2m，不连续分布。

<11-3>中等风化花岗片麻岩（Zyk）
灰褐、浅灰、青灰色，片麻构造。

岩石裂隙发育，裂隙面有铁质浸染，岩芯呈块状、短柱状，岩石矿物成分主要为长石、石英、云母，岩块断面较新鲜，锤击声较脆。

根据室内点荷载试验，Is(50)=0.49～4.09MPa，换算成单轴饱和抗压强度Rc=14.35～68.00MPa；饱和抗压强度fr=25.0～72.2MPa，天然抗压强度fr=35.9～81.4MPa。

钻探揭示埋深7.1～46.1m。

岩石坚硬，金钢石钻进。

<11-4>微风化花岗片麻岩（Zyk）
深灰色、青灰色，片麻状构造，岩石致密、坚硬，局部裂隙较发育。

岩芯多呈柱状，少量块状，断面新鲜，锤击声脆，金钢石钻进。

根据室内点荷载试验，Is(50)=1.78～4.59MPa，换算成单轴饱和抗压强度Rc=37.61～73.65MPa；饱和抗压强度fr=27.6～127.1MPa，天然抗压强度fc=21.4～103.6MPa，抗拉强度Rt=9.7 MPa。

岩石致密坚硬，金钢石钻进。

在实际施工中局部发现单轴饱和抗压强度为137MPa的岩石，鉴于该地层的复杂性，对刀盘的配置和刀具提出了更高的要求。

在实际施工中科学的配置刀盘；选择耐磨性能高的刀具；掘进中加大对刀具的检查；合理的安排更换刀具将有效的提高掘进速度。

2.选用盾构机
针对本标段工程的要求、地层特点以及盾构机的购置费用等因素，经过综合考虑，最终选择了德国海瑞克公司生产的外径为6280mm的复合式土压平衡盾构机。

2.1盾构机组成
盾构机由主机和后配套设备组成。

其中主机包括：刀盘，刀盘驱动、盾体、推进系统、控制室、人仓、螺旋输送机、管片拼装机等；后配套设备系统包括：出渣系统、渣土改良系统、管片输送系统、同步注浆系统、液压系统、、控制系统、供电系统、压缩空气系统、水循环系统和通风系统等。

2.2盾构机相关参数
1，盾构机总长：75m
2，刀盘外径：6280mm
3，盾构机外径：6250mm
4，盾构机内径：6000mm
5，刀盘开口率：28%
2.3关于刀盘
刀盘钢结构材料采用Q345R铸钢。

整个刀盘为焊接结构面板式，在刀盘上焊接了安装各种刀具的刀座。

刀盘和主驱动通过一个较厚的中心铸钢件扭力臂式法兰盘联接，以传递足够的扭矩和推力，可以正反向旋转，正反向切割效果相同。

刀盘为面板式结构，受力布局合理。

开口槽为沿盘面十子线分布八个长条扇形孔开口槽，开口槽壁板设计成与盘面钢板倾斜（后扩张八字）的型式，有利于泥土平顺地进入土仓，提高掘进效率。

开口槽的最大宽度为200mm，渣土由开口槽进入土仓后通过螺旋输送机排出。

刀盘充分考虑硬岩的特点，在容易磨损的部位大量堆焊了网格状的耐磨硬质合金颗粒。

并在刀盘圆周设计了耐磨合金环。

这大大提高了的刀盘的耐磨性和使用寿命。

2.4关于刀具
针对刀盘上三个不同区域（中心区、正面区及边缘区）的特性，滚刀、刮刀、齿刀对土层的不同作用，在充分研究了该区间的地质结构的前提下确定了刀具的布置：中心双刃滚刀4把、单刃滚刀32把（包括12把边缘滚刀）、边缘刮刀16把、齿刀64把。

滚刀高出刀盘面板175mm，刮刀与齿刀高出刀盘面板140mm。

滚刀设计高出刮刀与齿刀35mm在掘进时可以有效的起到保护刮刀与齿刀的作用，滚刀以滚压作用破碎岩石，刮刀对开挖面进行松动切割。

边缘刮刀对开挖隧道圆周进行校正。

海瑞克刀盘示意图
3．盾构掘进
3.1掘进参数的控制
盾构在硬岩中掘进需要更大的推力，对刀具的磨损更严重，管片的错台与破损也更加严重，需要加强对掘进参数的有效控制。

根据3102标的实际施工，总结出如下经验：1，在稳定的硬岩地层选择敞开式的掘进方式，这样可以减小推力在盾构机上的消耗，从而有效的增大盾构机对掌子面的作用力，提高刀具破岩的效果。

2，尽可能的提高刀盘的转速，掘进中一般设置1.8~2.0r/min.。

这样可以有效的减小刀盘的扭矩。

3，掘进中要控制盾构的掘进速度，减小刀具的磨损，一般情况控制在30mm/min内，同时根据反馈的掘进参数适当的加快或减缓掘进速度。

4，总推力一般控制在9000~15000kN，刀盘扭矩控制在20000~30000kN·m。

3.2掘进的控制
1，施工中发现硬岩岩渣的流塑性很差。

施工中需调节泡沫剂的用量来改良岩渣的流塑性。

这样可以使螺旋机出土更通畅，形成更好的土塞效应来控制土仓内的压力。

2，在硬岩地层掘进中，围岩对盾构机的扰动比较大，容易发生盾构机的自转和振动比较大的情况。

掘进中应控制好盾构的掘进姿态，在改变掘进姿态时需平稳过渡。

改变过猛会加大对刀具的磨损，影响管片拼装的质量（容易发生管片破损、错台现象）。

同时也以通过反转刀盘来调节盾构机的滚动角，纠正盾构机的自转偏离。

3，由于围岩的强度比较高，刀具在挤压切削岩体时会释放大量的热量，导致刀具温度
急剧升高，这样就加速了刀具在挤压切削岩体的磨损，同时也导致土仓温度升高，土仓温度很容易高达80℃，隧道的温度也很容易达到40℃，严重影响到了正常的盾构施工。

对于刀具我们可以及时的加入泡沫剂和润滑剂来改良土壤的质量和降低刀具与围岩的摩擦。

对于环境温度的上升我们可以通过冷却循环水系统来降低环境的温度，保证盾构施工的正常进行。

3.3注浆
在硬岩地层盾构掘进后围岩的收敛小，拼装好的管片壁后会与围岩有14cm的空隙，如果得不到有效的填充，管片在千斤顶的作用下会产生上移现象，掘进时管片会有剧烈的晃动，不利于管片的成型，严重时将影响管片的拼装质量，产生错台、破损、渗水等管片拼装质量问题。

合理的同步注浆可以有效的避免上述问题：根据掘进速度严格控制注浆速度;根据地层埋深调节注浆压力：根据注浆压力控制注浆量。

良好的同步注浆质量将保证浆液在围岩和管片间形成一层致密的填充层，这有利于拼装后的管片成型并形成盾构隧道的第一道防水层。

硬岩地层的浆液在调配时宜加大水泥的用量保证浆液的尽早凝结。

同步注浆有时很难有效的控制，导致注浆不充分，围岩与管片间无法完全填充，存在部分空隙；同时，地层较大的渗透力和结构变化也会导致注浆参数的设置不合理、注浆不及时。

因此需要及时进行二次注浆完成管片与围岩空隙的再次填充。

避免空隙较大引起的管片质量问题和地面沉降。

在掘进初期，同步注浆管频繁发生堵管现象。

除了注浆管曲折弯曲的原因外。

浆液的质量也有很大影响。

在把易沉淀和胶结的钙基膨润土换成钠基膨润土后。

堵管的频率大大的降低了。

4．刀具
在长距离硬岩的施工中，刀具的质量与管理很大程度上决定了掘进的速度。

在长距离硬岩施工中造成刀具的磨损可以归结为三点：刀具的质量、围岩的坚硬程度、人工操作。

为保证盾构施工又快又好的进行，必须采取针对性的技术与管理措施。

4.1加强刀具的管理
盾构穿越微风化地层时 ,刀具磨损较大:因此在掘进时 ,加强刀具管理,提前储备好充足的刀具以备更换。

对于更换下来的刀具进行补焊 ,达到规范要求返回重新利用 ,提高了刀具的使用率 ,降低生产成本、节约检修更换时间。

4.2刀具更换标准
盾构在硬岩地层中掘进 ,正常磨损情况下刀具更换标准一般为:当周边刀刀圈磨损掉10～15mm、面刀和中心双刃刀刀圈磨损掉 20～25mm时就需要更换 ,此时刀圈的刀刃变宽 ,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距增大 ,从而加大了盾构液压系统和电机系统的负荷 ,而且切削下来的岩石也会磨损刀盘面 ,降低刀盘的使用寿命;而如果在小于上述更换标准的情况之下频繁地进行刀具更换 ,则降低了刀具的利用效率 ,也将浪费许多宝贵的掘进施工时间。

另外在非正常磨损的情况之下 ,如发生刀圈的刀刃破损严重、转动轴承坏掉、刀具润滑油脂泄露等情况 ,刀具就需要及时进行更换 ,因为这样会加重相邻刀具挤压切削岩石的负荷 ,不仅影响正常掘进 ,而且还会影响到与其相邻刀具的正常使用 ,会造成刀具连锁性大量破损。

4.3建立定期和不定期刀具检查制度
1，定期刀具检查制度。

制定每掘进完成一定距离后 ,进行刀具的磨损常规检查，通过检查对照后 ,决定是否更换。

停机检查时 ,尽量避开软弱地层和地表有建(构 )筑物地段。

刀具更换完成后,试运转后检查刀具的安装是否良好 ,若刀具安装不牢固 ,要重新复紧刀具螺栓。

2，不定期刀具检查制度。

现场施工人员 (盾构操作手、值班土木工程师等 )通过掘过
程中推力、扭矩等参数异常以及刀盘发出的响声、出碴情况判断刀盘的运转和磨损情况。

当推进艰难时 ,开仓对刀具进行检查 ,对刀具磨损进行评估。

建立严格刀具管理制度 ,制定定期和不定期刀具检查制度 ,是盾构机在硬岩段掘进中必要的保障 ,能够及早发现破损刀具 ,及时更换 ,有利于提高掘进效率和保证盾构施工安全。

4.4 建立完善的刀具更换流程
由于刀具的更换需要在土仓中进行 ,作业空间狭小 ,而一把滚刀一般重达 150 kg,工拆卸、调运、安装难度比较大 ,突发事件多 ,若是要更换中心刀 ,难度更大:因此建立完善的刀具检查更换流程是至关重要的 ,能够加快刀具的更换速度 ,保证换刀人员的生命安全 ,为盾构掘进提供更多的时间保障 ,从而加快掘进速度 ,提高施工效率。

参考文献：
【1】靳世鹤.广州地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工的对策[ J ].都市快轨交通 , 2007, 20 (3) : 64 - 66 . 【2】张勇智.硬岩隧洞掘进机 (T BM)刀具的管理 [ J ] 现代隧道技术 , 2007, 44 (1) : 70 - 72 . 【3】周文波.盾构法隧道施工技术及应用 [M ]北京: 中国建筑工业出版社 , 2004
【4】周诗俊 ,王金安.曲线隧道盾构引起地表沉降分析 [ J ]地下空间与工程学报 , 2007 (5): 127 - 131 . 【5】王小忠. 盾构机在长距离硬岩中掘进的探讨 [ J ]. 铁道工程学报 , 2006, 94 (4) : 52 - 56 .。