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1、硬岩段盾构隧道掘进施工技术李谷阳（中铁五局城通分公司）摘要：大连地铁103标七十九中站-西安路站盾构区间右线以中风化钙质板岩为主，岩石强度在50Mpa左右，属于中硬质岩层，局部为辉绿岩，强度在90Mpa以上。盾构在长距离便岩中推动存在许多困难，我单位也缺乏相应的施工阅历。因此，本文试图通过对该区间盾构施工的实践，摸索出一些阅历，以提高我们的盾构施工技术水平，指导我们的下一步的施工。关键词，硬岩掘进盾构1工程概况大连地铁103标盾构隧道区间起于七十九中学站后端,经长兴街沿西南方向至西安路站前端，区间隧道长度为右线844.36m,左线840.94m,在中间设联络通道一处。区间沿线原始地貌为马栏河二
2、级阶地，现为街道。沿线高层建筑物密集，管线、管道众多。本区间范围内上覆第四系人工积累层（,）、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，自然抗压强度在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，由中铁隧道装备有限公司生产。2刀盘刀具的设置2.1 刀盘的布置从肯定程度上说，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。大连地铁103标七西区间依据地质条件，对刀盘刀具进行了合理的设计。刀盘设计为辐条加面
3、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机刀盘前面共设置了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运用寿命。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，切削刀具采纳大块硬质合金结构形式刀具。滚刀的刀间距为90mm,刀具实行凹凸搭配，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爱护切刀，掘进中以滚刀先破开
4、岩层，刮刀将裂开的岩石刮进土仓。刀具采纳耐磨性能和冲击性能都特别优越的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 掘进模式的选择担当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，为了加快推动速度，一般采纳开趟式推动，盾构机切削下来的硝土进入土仓内后，即刻被螺旋输送机排出，仓内仅有少量磴土。掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小，由于不需限制土仓压力，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
5、数的设定原则以爱护刀具为原则，掘进参数的选择以刀具贯入度为基准来限制掘进速度和总推力。正常推动时速度宜限制在25mmInin之内，同时依据监测数据适当加快或放慢推动速度。在此原则下，对该区间硬岩掘进参数设定如下：(1)盾构推动速度限制在025mm/min之间；(2)总推力限制在800012000kN之间；(3)刀盘扭矩限制在1000-2000kN-m之间；(4)刀盘转速限制在1.62r/min之间。3.3 渣土改良状况在硬岩段地层掘进中，由于以滚刀破岩为主，渣土裂开后直径在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，但实际效果很不志向。主要缘由
6、是由于地下水特别丰富，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，但要刚好留意视察渣土的状况，一旦地下水有所改变就要刚好调整渣土改良方案。图3没有注入泡沫的渣士4硬岩段盾构掘进存在的主要问题分析及应对措施1.1 刀具磨损严峻在硬岩地层掘进，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觉，滚刀磨损较大，特殊是边缘
7、滚刀磨损严峻，磨损状况见表1。为保证开挖直径，防止盾构机被卡住，确保盾构平安，我们对3241号边缘滚刀进行了更换。依据相关阅历，边缘滚刀在磨损超过8mm,必需进行更换。从刀具检查状况来看，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特别好，轨迹线清晰，肯定程度印证了刀具的设计布置特别合理。12011年9月4日晚开仓检查刀具磨损记录刀具序号(#)磨损量(IiIII)滚刀位置刀具序号偿)磨损量(I1.III)滚刀位置92正面264正面102.5正面272.5正面112.5正面283正面123正面294正面132.5正面3
8、05正面143正面315正面152.5正面326边缘滚刀163正面336边缘滚刀173正面347.5边缘滚刀183正面357.5边缘滚刀194正面367.5边缘滚刀203正面377.5边缘滚刀213正面388边缘滚刀224正面397.5边缘滚刀233正面407.5边缘滚刀243正面4110边缘滚刀254正面V7士*1*图4更换下来的10把边缘滚刀图5学子面滚刀轨迹线9月14日，我们开仓对刀具进行了检查，发觉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边缘谈刀刀典崩裂图7制刀施刃依据有关探讨资料，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
9、常磨损现象比复合地层相对要少，但假如掌子面岩层裂开，节理发育，则同样会造成严峻的偏磨等非正常磨损.在大连地铁IO1.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，造成了很严峻的刀具非正常磨损。该区间学子面照片见图8,从图可以看出，滚刀的轨迹线基本没有，岩层节理发育、裂缝许多，掌子面不平整，岩石强度也较高。图8大连地铁港中区间学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特别缓慢，刀具磨损特别严峻，必需每环进行刀具检查。滚刀损坏状况见图9。图9大连地铁港中区间施工中滚刀损坏状况1.2 应对措
10、施建立刀具的定期、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。在遇到地质状况有改变，掘进参数异样以及渣土出现异样等特殊状况下，应马上进行刀具检查。刀具的磨损标准在硬岩中推动,刀具在正常磨损状况下的更换标准为:边缘滚刀磨损超过8m11,中心滚刀磨损超过1520mm时就须要进行更换。此时磨损的刀圈的刀刃变宽,其冲击压碎和切削岩石的实力降低，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，严峻降低掘进效率.对非正常磨损的损害的刀具也需刚好进行更换。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，产生不行挽
11、回的重大损失。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。针对滚刀螺栓简单松动的现象，实行焊接钢筋固定螺栓的措施，实际运用效果良好。假如安装质量存在问题，则会造成许多困难。例如在边缘滚刀安装中，如因安装不到位有Inm1.的间隙，将干脆影响开挖直径810mm,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。1.3 管片上浮的问题4. 3.1管片上浮的缘由分析（1）引起管片上浮的因素许多，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，由于地下裂隙水特别丰富，围岩为岩层，收敛变形小，围岩与
12、管片外侧存在14Cm的空隙，为管片上浮供应了空间。（2）管片脱出盾尾后，即使刚好进行了同步注浆，也因为浆液初凝时间一般较长长，不仅无法对管片供应约束，相反供应了上浮力。经计算，在砂浆注满的状况下，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，严峻会破坏盾尾刷。在管片脱出盾尾后，上浮渐渐加大，在脱出盾尾56环左右达到最大值，上浮量在1214cm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
13、的上浮。对下坡线路，管片后方的水会往盾构机处汇合，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，要通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。依据在始发阶段的阅历，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。不匀称的管片受力加剧了管片的上浮。5. 3.2应对措施（1）在掘进中，将盾构姿态下调1012cm,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
14、进带来一些困难。经实践摸索，采纳后方注浆方式，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）尽量采纳双液浆注浆，以便尽快固定管片。对同步注浆采纳一般砂浆，但尽量缩短砂浆的初凝时间，尽量限制在6h以内。浆液应具有良好的稠度，可以适当添加外加剂，如高效削减早强剂。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。我们采纳的气动扳手用于螺栓紧固，紧固力必需达到该级螺栓要求的紧固力，同时加强对螺栓的匏紧工作。（5）加强对盾构姿态的限制，盾构纠偏要不能过急、过大，以免加剧千斤顶油缸压力差，严峻造成管片环面受力不均。4.4管片的开裂、
15、破损、错台的问题4.4.1缘由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，严峻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。管片局部出现严峻的蜂窝，见图100经我部对管片进行回弹检测，强度普遍偏低，特殊是管片的边缘部位，回弹强度仅35即左右，说明管片碎存在离析、振捣不到位、管片的养护不当等的现象，管片的贯穿裂缝见图11。图10管片边缘出现的严峻蜂窝图11管片出现贯穿裂编(2)在掘进中，盾构机姿态限制不好、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管片边缘出现的裂开图13管片出现破损(3)操作人不娴熟造成的管片破损等质量缺陷,图14管片吊装孔
