硬巖地層盾構機掘進技術探討

劉鵬軍

（西安中鐵工程裝備有限公司 陜西西安 710299）

由于硬巖地層盾構機的工作條件比較特殊，在實際工作過程中盾構機配置要求比較高，作為施工質量保證，該項課題的研究，更好地提升盾構機的掘進效率，通過相關的措施，進一步優(yōu)化掘進過程中出現(xiàn)的一些問題，實現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。

作為地下空間資源開發(fā)重要工具之一，盾構機在隧道開發(fā)相關的工程建設中至關重要。改革開發(fā)以來，我國的工程建設如火如荼，盾構機作為挖掘隧道的專用設備，其本身質量優(yōu)劣越發(fā)影響到成型隧道建設的工期及隧道質量。目前全國已經(jīng)投入了數(shù)千臺，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益超過400億元。其次，我國在盾構機的研發(fā)中也是取得了舉世矚目的成績，現(xiàn)已完全形成獨立研發(fā)、獨立制造、獨立生產(chǎn)及獨立施工的一整套完整的生產(chǎn)鏈條。在一些新項目建設中，國產(chǎn)盾構機已經(jīng)能夠為國家建設提供一己之力，現(xiàn)已走出國門，面向世界。隨著技術的越發(fā)成熟，盾構機的發(fā)展也是會越來越先進，工藝設計也會越來越精進，依然成為高鐵之后的又一張中國“明信片”。

1 盾構機施工難點分析

1.1 刀具質量要求較高

由于硬巖地層地質條件的特殊性，要求盾構機的刀具（滾刀）質量非常高，刀盤扭矩要求也比較高，一般都采用電驅。在硬質巖層中，刀具配置單刃滾刀較多，單刃滾刀破巖能力強，更換較為簡單（重量），雙刃滾刀更換較難；刀盤布置刀間距單刃變化也更多等，除此之外，刀具強度太高遇到硬的巖石容易崩刃，使用單刃刀能夠極大地節(jié)約成本。

1.2 工作過程中的姿態(tài)控制難且容易自轉

在硬質巖層掘進時，由于地層較為穩(wěn)固，掘進形成的隧洞比盾體外徑大，硬巖掘進一般都采用空倉掘進，盾殼底部與形成的隧洞摩擦較小，在施工中由刀盤旋轉中形成的扭矩下使得盾構機進行側轉，從而使盾構機姿態(tài)發(fā)生變化，需要操作手時刻切換刀盤旋轉，如刀盤以一個方向旋轉，容易達到最大轉動角，使盾構機被迫停機。

1.3 地下地質條件特殊

掘進過程中，硬巖掘進可能會遇到一些地下水集結的富水帶，水量豐富，掘進過程中很容易出現(xiàn)噴涌。大量的地下水夾雜一些碎石和泥土，從螺旋機的出口澎涌而出，對于施工進度影響較大，清理時間長，嚴重時可能需要停工處理，甚至會將整機淹沒等。大大減低了掘進效率，增大隧道施工成本。

1.4 其他影響

在掘進全斷面巖層時，需要增大同步注漿量，進而來補充隧道與盾殼之間的環(huán)縫，而同步注漿不到位時，造成管片上浮、破損等現(xiàn)象，在一些全斷面巖層掘進過程中，一般采用敞開掘進，這種掘進方式下漿液會快速到管片底部，使得管片上浮。

2 硬巖地層盾構機掘進技術措施探討

2.1 空倉掘進時刻注意巖層的變化

在空倉掘進的時候工作人員要時刻關注出土的基本情況，由于硬質巖層的地質條件不均勻，有時候可能會出現(xiàn)一些軟土或者夾層之內(nèi)的，這個時候需要及時操作盾構機的基本工作參數(shù)，如果操作不當，很有可能造成出現(xiàn)地層沉降或者塌方危險，在施工前技術人員要根據(jù)地質勘探圖紙分析掘進前方地層狀況，隧道頂部如是軟土或是巖層厚度不超過1m，就要適時保壓，防止超排渣土。

同時空倉掘進也要時刻關注富水巖層、裂隙水等涌水相應，涌水較大時，會在很短的時間內(nèi)對盾構機進行淹沒，這樣的打擊是致命的。

2.2 加強刀具的管理

在巖層掘進過程中，需要根據(jù)實際情況來選擇合適的刀具，刀具的刀盤布置也是很重要的，如最外圓需要同軌跡盡量布置兩把刀具，增大破巖能力。強度太高很容易導致崩刀現(xiàn)象，強度太低也是容易造成磨損發(fā)生。就連刀具連接螺栓也是至關重要的，一般常采用強度適中的10.9級螺栓連接。而加強刀具的管理，保證能夠及時的更換和保養(yǎng)。在巖層掘進過程中，由于刀具的磨損較快，導致刀具的更換周期較短，所以，在一般的施工現(xiàn)場都需要配備足夠的刀具或更換刀刃的刀具維修車間，保證工作能夠正常進行，如果由于刀具原因造成停機想象，這種情況下出現(xiàn)的損失就沒必要。

盾構機在掘進過程中，刀具會發(fā)生一定程度的磨損，這個時候需要注意其磨損量，一般來說，邊緣滾刀的磨損量為10mm，正面的磨損量為20mm的時候需要調(diào)整刀具位置或者更換刀具，更換完新刀具（滾刀）后，要緩慢啟動刀盤使得扭矩平穩(wěn)后停機，進倉對更換的刀具及連接情況進行檢查。在掘進過程中，如果發(fā)現(xiàn)問題，要及時的停機進行檢查，確保掘進過程中的安全。同時，時刻進倉對刀具情況進行測量、記錄，并且要檢查刀具的緊固情況，由于工作一段時間之后，工具出現(xiàn)松動的情況也是較多。在掘進到一定程度上，可以根據(jù)掘進參數(shù)來確定刀具的工作狀態(tài)以及磨損量，進尺量小，推力大，扭矩大，刀盤溫度高，都是刀具磨損的信號。

2.3 加強掘進參數(shù)的控制

在硬質巖層的掘進過程中，需要遵從基本的“高轉速、小扭矩、大推力”的基本思想，在敞開掘進過程中，盾構推進速度要控制在1-2cm/min，刀盤的轉動速度控制在2-3rpm/min，扭矩在4000n.m之內(nèi)，總的推力需要控制在1600~2200kN之間。

3 掘進過程中出現(xiàn)的主要問題及原因分析和采取對策

3.1 同步注漿管堵塞

在掘進初期，由于同步注漿頻繁發(fā)生堵塞問題，除了送漿管道的彎道較多的影響之外，主要是由于使用的土壤為鈣基膨潤土，后來經(jīng)過試驗選取了鈉基膨潤土，能夠很好地改善堵塞這一問題。但是由于粉煤灰的量，仍然存在漿液容易離析的現(xiàn)象。后面經(jīng)過多次試驗，最終找到了合適的配比，較好的解決了管道堵塞問題，每環(huán)掘進，一定要滿足同步注漿的量，如不足時，可降低掘進速度來滿足同步注漿的量。同步注漿完成后，根據(jù)掘進速度，要及時清理管道，同時加大后續(xù)測量。

3.2 管片破裂

主要受到推進油缸剪切和拼裝完成后的管片碰撞等因素引起。管片在受到以下幾個因素的綜合作用會導致了破損和裂縫：①可能是由于拼裝完成后，推進油缸加壓頂推到管片的時候出現(xiàn)局部應力集中，出現(xiàn)管體的破裂；②管片緊固螺栓在打入過程中用力過大，使得管片局部應力變化，出現(xiàn)裂紋；③拼裝的管片與盾尾間的間隙過小，盾殼擠壓管片，表現(xiàn)為管片內(nèi)弧面的碎裂；④注漿壓力均勻，在地層彈性模量較大情況下管片單邊受壓；⑤盾構機掘進的姿態(tài)與成型隧道的姿態(tài)不一致，導致拼裝的管片或已成型的隧道管片外表面損傷等。

4 結語

綜上所述，硬質巖層在掘進過程中的問題還是較多，在以后的實踐過程中根據(jù)實際情況來不斷增進盾構機的結構，讓盾構機能夠安全的工作的同時提高工作效率。加強對其關鍵環(huán)節(jié)與重點要素的重視程度，并注重其具體實施措施與方法的科學性。