城市建筑密集區土壓平衡盾構機全斷面硬巖掘進關鍵技術研究

李明輝

摘要：在城市建筑密集區域下方采用土壓平衡盾構機進行全斷面硬巖地層盾構隧道施工時，存在盾構掘進速度慢、姿態控制難度大、刀具磨損嚴重、頻繁開倉換刀、建筑沉降控制困難等問題。結合實際工程，介紹了土壓平衡盾構機選型、刀盤配置、掘進模式和參數、姿態控制、渣土改良、沉降控制等關鍵技術措施，確保在建筑密集區域下方盾構機安全順利進行全斷面硬巖掘進。

關鍵詞：建筑密集區域;硬巖;敞開式;沉降。

1工程概況

昆明市軌道交通4號線小屯站～金鼎山站區間位于明日城市花園、昆明氧氣廠、金鼎山科技園等建筑密集區域下方，區間單線長1459.326m，穿越一段長186m的全斷面硬巖——玄武巖，巖體完整、強度較高，硬巖段玄武巖芯樣最大飽和單軸抗壓強度最大值為131MPa，隧道范圍內平均值為62.8MPa，區間埋深10～70m，周邊環境及地質條件復雜。

2盾構機選型

根據小屯站～金鼎山站區間穿越較長距離的全斷面硬巖的地質特征，選擇性能適應地質條件的盾構機非常關鍵，盾構機選型主要注意以下幾個方面。

1）功率

根據全斷面硬巖的特點，選擇具有大推力、大扭矩和高轉速的盾構機。

2）刀盤

用于硬巖掘進的刀盤應以配置滾刀為主;刀箱和刀座應具有足夠的抗變形能力;為方便出渣，刀盤開口率應適當增大。

3）盾構機有耐磨設計和措施。

4）盾體中盾與尾盾之間采用鉸接連接，方便在小半徑曲線上掘進。

5）盾構機有人倉設計，位于中隔板上部，便于刀具更換。

小屯站～金鼎山站區間盾構機采用海瑞克S589、S590，總推力為40000kN、最大扭矩為5340kN.m，滿足全斷面硬巖掘進的功能要求。

3刀盤配置

小屯站～金鼎山站區間掘進前，兩臺土壓平衡盾構機掘進適應土層為軟土和硬素黏土，采用的是36刃滾刀的原裝刀盤，正面滾刀軌跡間距100mm，開口率是34%，渣土改良管道4組，刀盤厚度550mm。

這種刀盤及刀具配置在硬巖段掘進時，存在的問題是：

1）開口率偏小，遇到大塊渣石容易堵塞、卡刀盤，或是大塊渣石不能進入土倉，隨著刀盤在掌子面轉動，影響盾構機掘進效果，設備損耗較大。

2）盾構機在掘進硬巖時主要依靠滾刀對巖面碾壓破碎，這種刀盤滾刀數量偏少、刀中心距偏大，與巖面的有效接觸面積偏小，遇到強度高的硬巖時掘進效率低下，形成的渣石較大不利于出渣，影響掘進效果。

3）渣土改良管道偏少，在硬巖掘進時不利于渣土改良，影響出渣效率，并延長堅硬的巖石碎粒停留在土倉內的時間加快刀具磨損，從而增大開倉換刀頻率帶來更多的安全風險并延長施工周期、降低工效。

因此硬巖段由于巖層單軸抗壓強度高，選擇合適的刀盤配置才能保證盾構機在硬巖段的連續施工，加快盾構在該段的掘進速度。針對軟土段采用的刀盤在硬巖段掘進存在的問題，根據小屯站～金鼎山站區間硬巖段的地質特點，重新設計、加工適用于硬巖掘進的新刀盤。

硬巖段刀盤配置44刃滾刀，正面滾刀軌跡間距80mm，邊緣滾刀超出盾體直徑2cm，滾刀從刀盤中心向外呈螺旋線布置。開口率是38%，渣土改良管道6組，刀盤厚度650mm。

這種刀盤及刀具配置在硬巖段掘進時相對于軟土段使用的刀盤，具有以下優點：

開口率較大，避免大塊渣石堵塞、卡刀盤或是大塊渣石不能進入土倉隨著刀盤在掌子面轉動，提高了盾構機掘進效果;

2）刀盤滾刀數量較多、刀中心距較小，滾刀從刀盤中心向外呈螺旋線布置，與巖面的有效接觸面積較大，提高了對巖面碾壓破碎的速度，形成的渣石較小利于出渣，并且邊緣滾刀超出盾體直徑2cm，可降低周邊巖層卡住盾殼的現象發生。

3）渣土改良管道較多，在硬巖掘進時利于渣土改良，提高出渣效率，減少堅硬的巖石碎粒停留在土倉內的時間降低刀具磨損，并降低開倉換刀頻率。

4掘進模式及掘進參數

根據全斷面硬巖巖體完整、開挖斷面相對穩定不會出現掌子面失穩的情況，硬巖段掘進參數采用盾構總推力較小、刀盤扭矩較低、刀盤轉速較高的“小推力，低扭矩，高轉速”敞開式掘進模式。這種掘進模式大幅度降低了盾構機推進阻力和刀盤旋轉阻力，有效地提高了盾構機在硬巖地層中的掘進工效。

硬巖段主要掘進參數平均值為：

盾構總推力：6500KN

刀盤扭矩：1500KN·M

刀盤轉速：1.7轉/min

推進速度：20mm/min。

5姿態控制

在硬巖掘進過程中，盾構機姿態糾偏較為困難，掘進過程中應嚴格控制盾構機姿態，水平偏差控制在設計線路曲線轉向內側，最大偏差控制在30mm以內。考慮到管片上浮的影響，垂直偏差控制在-20～-30mm以內。硬巖掘進時盾構機振動較大，經常會引起VMT導向系統出現測量錯誤，因此在掘進過程要測量系統多檢查、勤校核，及時糾正錯誤。

6渣土改良

硬巖段掘進采用泡沫劑進行渣土改良。泡沫的功效主要在于分離或中和粘性土中的陰陽離子，降低其吸附性能，從而起到改善碴土的流動性、潤滑刀具等作用。

對于中風化玄武巖，由于滾刀將巖體的一部分磨成粉塵沉積在土倉內，具有一定的粘結力和吸附力，在盾構掘進施工中，易附著于刀盤上造成刀盤扭矩增大，或進入土倉后被壓密固化，可能造成掘進、排渣均無法正常進行的情況，宜采用泡沫劑進行改良，泡沫起著界面活性劑分散的作用，可有效防止粉塵附著于刀盤上和土壓倉內壁，防止出現泥餅現象，降低刀盤扭矩，使掘進工作順利進行。泡沫配置濃度為3%～5%。

7沉降控制

1）地面沉降原因分析

盾構機推進引起的地面沉降包括五個階段：