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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(4mlQ)、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-3-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0～25mm/min之间；（2)总推力控制在8000～12000kN之间；（3)刀盘扭矩控制在1000～2000kN·m之间；（4)刀盘转速控制在1.6～2r/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12011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305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-5-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-7-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，不仅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。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，可以适当添加外加剂，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。-9-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。-11-