某核電工程海底排水隧洞長距離硬巖盾構掘進技術

丁濤 謝建剛

摘 要：在新時代背景下，陸續在沿海區域啟動一批核電工程建設，海底排水隧洞作為核電工程機組冷卻水排放的重要構筑物，順利完成海底排水隧洞的建設尤為關鍵。海底排水隧洞多采用盾構法施工，在海底復雜的地質條件下進行盾構掘進，能否順利穿越各種復雜的地層直接影響核電工程整體建設的進度，海底排水隧洞也逐漸成為核電工程建設的關鍵路徑。本文結合某核電工程海底排水隧洞盾構掘進實際施工情況，闡述了盾構機在長距離硬巖段掘進施工技術，并針對硬巖段盾構卡機原因分析、脫困處理技術及刀具管理做了詳細闡述。

關鍵詞：核電工程;海底隧洞;硬巖掘進;脫困處理;刀具管理

1 工程概況

某核電工程全廠規劃建設6臺百萬千瓦級壓水堆核電機組，工程采用以海水為冷卻水的直流供水系統，低放廢液將隨溫排水排至海域。一期工程建設2臺核電機組，每臺機組修建1條海底排水隧洞，排水隧洞在海底呈燈泡型線型布置（兩條隧洞末端連通），平面最小曲線半徑300m。排水隧洞全長約3.5km，其中礦山法段長度約0.7km，盾構段長度約2.8km。盾構隧洞外徑7.4m，內徑6.7m，管片環寬1.2m，厚度35cm，管片采用“3+2+1”通用楔形管片方案。

排水隧洞最大埋深約22.3m，最小埋深約10.9m，最大水深約25.6m，頂部承受的最大水壓約0.35MPa。隧洞通過地層主要為中粗砂、殘積土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，其中硬巖段（微風化、中風化花崗巖地層）占盾構隧洞段長度40%，約1.1km;復合地層段（即上軟下硬地層，下部為微風化、中風化花崗巖，上部為強風化花崗巖或中粗砂）占盾構隧洞段長度18%，約0.5km;軟巖地層（全、強風化花崗巖）約占盾構隧洞段長度42%，約1.2km。硬巖段微風化巖天然狀態下單軸最大抗壓強度達161MPa，石英含量約31%。

2 盾構機刀盤設計

排水隧洞工程盾構機選用廣州海瑞克隧道機械有限公司生產的泥水平衡盾構機，盾構機編號為S-976，該盾構機刀盤開挖直徑7760mm，采用了輻條+面板型式的復合式6臂結構設計。因本工程排水隧洞盾構段地質條件復雜，刀盤需要滿足不同條件下的掘進需求，結合實際情況對刀盤進行了針對性設計。

常規的輻條式刀盤由輻條及布設在輻條上的刀具構成，其特點是刀盤的切削扭矩小，排土容易，土倉內土壓可有效地作用到掘進面上，對于地下水壓力大、易坍塌的土體，易發生噴涌，輻條是刀盤只能安裝切削刀。面板式刀盤由輻條、刀具、開口及面板構成，同時安裝滾刀和切削刀具。輻條+面板式刀盤兼有面板式和輻條式刀盤的特點，由較寬的輻條和小塊輻板組成，切刀和滾刀分別布置在寬輻條的兩側和內部，滿足硬巖段掘進刀盤剛度及軟巖段刀盤切削地層出渣開口率等條件下綜合需求。因此，盾構刀盤采用輻條+面板式，考慮到運輸的需求，刀盤設計成3塊，在始發井井口組焊完成后整體吊裝下井。

刀盤開口率31%，為防止掘進過程中刀盤結泥餅，在刀盤中心正面區域布置了2個沖刷口，用于對刀盤中心范圍加強沖刷。另外，刀盤背部安裝了2個主動攪拌棒，盾體上安裝了2個被動攪拌棒，用來攪拌挖掘倉內的渣土。

為提高盾構機刀盤的整體耐久性，刀盤設計過程中增加了耐磨防護設計，在盾構刀盤正面、周邊區域及周圈采用耐磨材料加強，其中正面采用“WNM”耐磨板，周邊區域采用“Vaudit”耐磨板，周圈耐磨環采用“WNM”耐磨板焊接，并在耐磨板上鑲嵌硬質合金。另外，還對刀箱進行了耐磨防護。同時，在盾構機刀盤正面增加了磨損檢測裝置，分別刀盤正面和邊緣區域分別配置了1個磨損探測裝置，用于反饋刀盤的磨損情況。

3 硬巖段盾構卡機處理

3.1 事件經過

2021年4月9日夜班，盾構機掘進至SSK2+749.0里程停機，停機時掘進參數無明顯異常變化，扭矩波動范圍0.7Mn.m～1.2Mn.m.，渣樣揭示地層為全斷面微風化花崗巖，正常交接班后白班進行正常的常壓開倉換刀作業。刀具更換完成后立即恢復掘進，繼續掘進約30cm后盾構機掘進參數發生異常，主推進油缸總推力為3547t（推進油缸額定最大推力為5946t，因2組油缸故障無法使用，實際推進油缸最大推力約4000t），貫入度為0.7mm/rot，轉速為1.53rpm，經現場操作手初步判斷盾構機卡死，現場總指揮通知立即停機開倉檢查，經常壓開倉發現盾構機前盾已經與巖面完全接觸無任何間隙，在刀盤頂部發現巖脊，無法繼續掘進。

3.2 盾體卡死原因分析

S-976盾構機開挖直徑為7760mm，邊緣刮刀的直徑為7730mm，刀盤切口環直徑為7710mm，前盾直徑為7710mm，中盾直徑為7700mm，尾盾直徑為7690mm，盾構機結構尺寸如下圖所示。

盾構掘進正常狀態下，通過刀盤滾刀切削巖面，形成開挖直徑為7760mm的空間拼裝管片，保證盾構機主機通過。當刀盤邊滾刀磨損一定程度后，開挖直徑逐漸變小，當開挖直徑接近7730mm，通過磨損邊緣刮刀切削巖面保證開挖直徑，刀盤扭矩逐漸增加則停機進行刀具更換。

刀具檢查過程中，管理人員對更換刀具的檢查和反饋工作缺失，在工作中形成思維定勢，當掘進參數無異常情況下，直接更換刀具繼續掘進，因刀具偏磨開挖直徑變小前期參數無明顯變化，當前盾步進至欠挖位置時，此時盾體已經卡住。

4 硬巖段盾體卡死處理方法

4.1 常規處理方法

因盾構機在硬巖段最大的風險就是盾構機與巖面卡死，處理難度大、工期長極大影響的盾構施工進度。盾構機在硬巖段卡死常規的處理方法主要有以下幾種：

1、增加外置千斤頂直接掘進通過：盾構機卡死狀態下，既有的推進油缸總推力難以擠壓破碎巖石，通過在盾構機推進油缸附近增加外置千斤頂的方式，加大盾構機的總推力通過前盾盾體擠壓破碎巖面，從而實現硬巖盾體卡死脫困。采用這種方法的弊端在于，若巖體欠挖較厚盾構機盾體易變形，且一旦卡死后續處理難度極大，且處理周期較長。

2、鉆孔爆破處理：通過在盾構機前盾切口位置鉆孔爆破的方式，將與盾構機接觸的巖面進行爆破處理，通過松動爆破破碎巖體，再恢復掘進。鉆孔爆破處理方法對爆破效果難以控制，且爆破程序及安全管理要求高，在核電工程始施難度較大，周期較長。

3、機械擴挖：通過手持切割機對切口位置進行切割處理，將欠挖部分逐漸切割。該方法的弊端在于切割范圍較大，且盾構機開挖倉內為相對密閉空間，機械切割處理方法會產生較大的粉塵，對作業人員身體健康產生極大危害。

4、巖面熱處理：巖面熱處理方法即采用氧氣乙炔燃燒產生高溫對巖面進行炙烤，使得巖石崩裂。該方法可處理的巖面范圍有限，當前盾與巖面卡死的面積較大時，無法處理。

以上方法，在以往盾構施工案例中已有應用，處理的時間均較長，對工期產生較大影響。結合本工程實際情況，主要采用主動交接推進，開挖倉加壓回退盾體的方式進行脫困處理。

5 硬巖段盾構掘進管理

本工程海底排水隧洞硬巖段掘進距離較長，約1.1km，遠高于常規盾構隧洞硬巖段掘進距離，且巖石單軸抗壓強度高，刀具消耗量大。因此，為減小長距離硬巖段刀具異常消耗問題，針對硬巖段掘需從日常刀具管理環節加強，降低刀具異常耗量，達到加快進度節約成本的目的。

同時，因盾構機在經歷硬巖段長距離掘進，邊緣刮刀無法安裝難以對開挖直徑不足起到預警作用，加之邊滾刀產生偏磨情況下前期刀盤扭矩變化較小極易再次造成盾構卡機現象，因此，盾構硬巖段掘刀具更換需重點進行管理。

5.1 硬巖段盾構掘進技術管理

結合以上實際情況，盾構機在該工況下掘進重點關注主動鉸接油缸伸縮值、刀具更換距離、掘進參數等問題。

1、為減小因盾構機卡機處理難度，在硬巖段掘進過程中，將主動鉸接油缸伸至110～120mm，以保證盾構機出現卡機狀態下可進行回收鉸接操作進行脫困處理，減小處理難度。

2、按照每掘進5～10環必須進行常壓開倉檢查刀盤、刀具進行管理，及時檢查和更換刀具減小卡機風險。

3、在掘進過程中，操作手需重點關注扭矩及推力的變化。當刀盤扭矩產生較大波動時及時停機檢查邊緣滾刀磨損情況;當推進油缸推力異常增加且刀盤扭矩變小時，應停機進行全面檢查。

5.2 刀具采購維修管理

1、建立刀具動態臺帳。通過臺賬實時反應刀具、配件入庫、出庫和庫存情況，避免刀具消耗量過大，出現供應不及時導致的停窩工情況。

2、根據盾構隊的刀具需求及庫存要求提前配備相應的刀具。首先，提前考慮刀具及配件采購周期，進口刀具采購周期兩個月，國內滾刀采購周期1個月。其次，在一般情況下，保證庫存有整盤刀具更換的備用梳理。同時，盾構刀具采購計劃必須超前，實際庫存少于計劃庫存時，立即啟動采購程序。

3、新刀具及配件入庫驗收。首先，根據廠家提供刀具及配件清單、基本參數及質量證明資料（合格證等）進行驗收并將資料存檔保存。進場新刀按要求觀察刀具及配件的外觀，保存是否完整、有無損傷（磕破、滲油、漏油、端蓋松動等），并根據廠家提供的參數測試刀具的啟動扭矩及刀具刀圈的硬度。

啟動扭矩：用扭矩扳手轉動刀圈并讀出數值，若數值在廠家提供的范圍內之內，做好記錄，完成實驗過程，刀具可以投入使用，否則，新購刀具退回供應商。

硬度：用里氏硬度儀進行測試，若數值在廠家提供的范圍內之內，做好記錄，完成實驗過程，刀具可以投入使用，否則，新購刀具退回供應商。

4、舊刀具入庫驗收。首先，根據修刀間提供的維修單進行驗收，并將資料存檔保存（每一把刀）。其次，觀察修刀的外觀，配件的更換是否和維修單一致、刀軸號是否根據使用次數按要求進行刷漆標記、有無損傷（磕破、滲油、漏油、端蓋松動等）。根據原廠家及刀圈配件提供的參數測試刀具的啟動扭矩及刀具刀圈的硬度等。

啟動扭矩：用扭矩扳手轉動刀圈并讀出數值，若數值在廠家提供的范圍內之內，做好記錄，完成實驗過程，這把刀可以投入使用，否則，自修的刀具返回修理間。

硬度：用里氏硬度儀進行測試，若數值在廠家提供的范圍內之內，做好記錄，完成實驗過程，這把刀可以投入使用，否則，自修的刀具返回修理間。

5、刀具維修過程管理。在修刀過程中，物資管理部門需不定期進行旁站監督，留下影像資料，跟蹤更換的刀具配件，質量管理部分對維修好的刀具進行檢驗，重點對刀具的密封壓力、啟動扭矩進行檢查。

6、監督檢查維修間的維修單填寫情況，維修單應準確反映所維修刀具的所有信息，包括損耗情況、更換部件、刀具編號等，填寫不全或不清不簽字驗收。

6、結束語

本工程排水隧洞硬巖段距離長，掘進施工難度較大，通過以上硬巖段掘進管理方法，盾構機在剩余的約300m硬巖段掘進順利，未出現因刀具異常損壞產生的盾構卡機風險，同時通過有效的施工工序管理及刀具管理，刀具的消耗量有明顯的降低。本文通過以上實際案例的分析，可為類似工程提供經驗借鑒。

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