土壓平衡盾構在中風化巖層中施工技術要點探究

肖維志

摘 要：根據土壓平衡盾構機自身的特點及廈門地區以殘積砂質黏性土和全風化、中風化花崗巖為主的地層特點，針對掘進過程中出現的異常排渣及刀具損壞等情況作出有針對性的措施，結合翁角站—馬青路站盾構區間施工過程中出現的問題加以分析，深入研究。

關鍵詞：中風化花崗巖;盾構刀具;掘進參數

1 施工項目概況及特點

1.1 施工項目概況

翁角路站—馬青路站區間采用盾構法施工，線路沿霞飛路敷設，兩臺土壓盾構機先后從翁角路站始發后從通風豎井吊出。隧道地表自上而下依次為：<1-1>雜填土、<1-2>素填土、<1-2-1>填石、<8-1>粉質粘土、<8-4>中砂、<8-4-3>礫砂、<11-1>殘積砂質黏性土、<12-1>全風化凝灰熔巖、<12-2>強風化凝灰熔巖、<17-1>全風化花崗巖、<17-2>散體狀強風化花崗巖、<17-3>碎裂狀強風化花崗巖、<17-4>中等風化花崗巖、<17-5>微風化花崗巖。其中區間在里程ZDK12+638.667～ZDK12+840.597（201.93 m）、YDK12+650.1～YDK12+848.944（198.844 m）穿越全斷面中風化、微風化巖層（中風化-微風化花崗巖，強度約40 Mpa～130 Mpa）、為基巖凸起段。其中有安排進入全斷面巖層后換刀計劃。

1.2 施工項目特點

（1）工程線路地質條件較復雜，盾構區間穿越全斷面中風化、微風化巖層（巖石強度最大達130 MPa），期間有168米為基巖凸起段。（2）盾構推進至基巖突起處，掘進速度緩慢，前期地層上軟下硬，對地層擾動較大，易發生地面沉降、突涌等現象。（3）盾構刀具在基巖突起段掘進，刀具在掌子面受力不均，刀具偏磨嚴重，甚至刀具崩斷，刀圈、螺栓斷裂。（4）在基巖突起段，更換盾構刀具困難，影響施工效率，施工人員在常壓進倉未知風險高。

2 盾構機在全斷面中掘進施工存在問題

2.1 刀具磨損及刀圈、螺栓掉落

全斷面巖層（中風化花崗巖）在土壓平衡盾構機掘進時依靠刀盤前滾刀進行切削，切削機理為刀圈對巖面進行擠壓，形成巖裂后崩落，機理示意如圖1所示。但是由于巖層硬度大，且出現軟硬不均，造成巖裂裂隙不貫通，無法崩落。進而出現滾刀滾過的溝槽深淺不一，刀具刀圈受力不均，造成刀圈掉落或螺栓大量崩斷掉落，還會造成滾刀卡住無法滾動，造成偏磨。另外，刀具在巖面不斷滾動會造成磨損，崩落下的個別大的巖塊在土倉內不斷撞擊刀具，也對刀具產生損壞。掉落的刀具與正常刀具相互碰撞造成的崩裂。刀具出現以上各種形式的損壞時，掘進參數會出現異常（如：刀盤扭矩異常增大、總推力增大、掘進速度下降、渣土溫度增大等）現象，須在已經計劃的裂隙水較少、掌子面穩定的合適位置進行常壓開倉檢查刀具刀盤和更換刀具。

2.2 噴涌，施工效率低

在全斷面中風化花崗巖中，由于巖層裂隙較多，地下水在裂隙中形成多個匯水面，造成掘進時，打開螺旋機閘門時就立即噴涌（噴涌時，需要關閉閘門，一些較大石塊又卡在閘門處，造成閘門不能及時關閉），噴涌的渣土含水量極大，大顆粒的石塊能滿足皮帶輸送，但一些顆粒小的會混合水直接泄露在皮帶機滾筒下面流向盾尾或直接滴漏在后方臺車區域流向隧道。為保證管片拼裝質量，拼裝前需要盾尾清潔后才能拼裝，這就造成施工效率低，隧道施工文明差。

2.3 管片上浮、滲漏水

由于地下裂隙水的豐富，盾尾管片極易上浮，并且由于上浮的不均勻性，也會造成相鄰管片形成錯臺和滲漏水。同時在全斷面巖層中掘進中，盾構機盾尾止漿板柔性大，由于沒有土的覆蓋壓力，同步注漿壓力過大時造成漿液直接從盾尾竄至盾體及刀盤中，造成了管片后部注漿量不足也是管片大量滲水的主要原因。

2.4 盾構機姿態不易調整且盾體旋轉

在全斷面硬巖中掘進，開挖面范圍內受力后都是不易變形的，所以不像在軟土中掘進容易糾偏;而且在硬巖中過多的對姿態進行糾偏也會造成刀具的損壞。由于盾構機在推進時刀盤轉動掌子面會反作用產生扭矩，造成盾構機盾體旋轉，硬巖中盾體無法像在軟土中可以釋放部分扭矩，所以盾體易出現扭轉。

2.5 換刀時巖面凸出，刀具無法安裝

當在掘進時，出現掘進參數異常時，如扭矩快速增大，掘進速度突然下降，渣土溫度過高，總推力增加速度無變化等仍繼續掘進，直至刀圈或螺栓從螺機中排出才停機開倉，這時刀盤上不轉動的刀具（偏磨）、刀圈掉落（只剩刀股）的位置已經不能切削掌子面巖層，逐漸沒有切削的巖層會向刀盤內凸出，在開倉換刀時，刀具就無法安裝上。

3 土壓平衡盾構在中風化巖層中施工技術優化途徑

3.1 對刀具的選取進行合理配置

刀圈是刀具切削掌子面的最外層保護，選取合適的合金刀圈和刀圈厚度不僅能達到好的切削效果，而且能夠延長刀具的使用壽命（合金過硬、刀刃太薄易造成刀圈崩裂，合金過軟、刀刃過厚無法達到切削效果）。同時對刀具的啟動扭矩也要有合理選取（啟動扭矩過大，刀具在不轉動情況下造成偏磨;啟動扭矩過小，刀具的軸承及密封使用壽命短），綜合考量，我們選取了廈工中鐵裝備的滾刀更換上。

3.2 注漿止水及泄漏接渣

由于地層裂隙發育較好裂隙水大，造成螺機出土時噴涌量大。通過打開盾尾管片注漿孔查看盾尾后方水量大，為阻斷后方來水，對盾構機盾尾三環（避免注漿凝固盾尾）后的5～8環管片進行二次注漿，注漿采用水泥漿+水玻璃雙液漿形式。注漿前對盾體及盾尾采用膨潤土保護。同時在掘進時在皮帶機下設置小渣斗，對皮帶機泄漏的渣土集中接漏，減少清理工作量。

3.3 堵漏及管片注漿抑制上浮

通過對管片底部注漿孔開孔放水來減小地下水的壓力，在進行二次注漿填充管片周圍空隙來固定管片抑制上浮。

3.4 合理控制掘進參數

新更換的刀具是沒有接觸掌子面的，需要在重新掘進時慢慢接觸掌子面再通過擠壓切削，才能發揮滾刀的破巖能力。開始掘進時一定要緩慢掘進，使各個刀具受力均勻且能夠緩慢轉動，防止刀具受力不均勻崩裂。正常掘進時，通過調整參數，加大泡沫劑的使用來潤滑刀具和改良渣土。采用高轉速，低推力的切削模式進行推進。不斷觀察切削出的渣土巖塊形狀，以“瓜子片”狀為最佳。

3.5 換刀期間巖面及其他處理措施

針對左線換刀期間出現的巖面凸起情況，可采取用舊滾刀代替新道具提前對凸起巖面進行破除，對無法破除的巖面也可采用人工切割破除（時間長，效果差），對已經變形的刀箱和螺桿，刀具無法拆卸的位置可采用氣割和水下切割來割除，動火作業時嚴格按照艙內動火安全操作程序進行操作。全斷面中風化巖層中，邊緣刮刀易造成損壞（合金塊脫落），所以可少量換取。刀具更換完成后，在掘進50 cm后需要再次開倉對刀具螺栓進行復擰。

3.6 加強盾構機維護保養

機電部門應組織人員跟隨盾構司機進行掘進期間值班巡視，對易發生故障部位精心檢查，對易出現突發故障的構配件提前計劃采購，確保盾構機能夠隨出故障，隨時修理，連續掘進提高進度。

4 結語

在上軟下硬地層盡量減少上部土體擾動，保持土倉壓力恒定，嚴格控制出土量，避免造成超挖，盾構司機及時判斷進行合理的渣土改良。每天真實的反映施工進度，施工情況，實時關注地表監測數據，當發現地表沉降異常，必要時進行地質勘探，及時進行二次注漿。在硬巖斷面掘進時，由于掘進時間長，盾構司機需耐心控制盾構掘進參數。通過低掘進速度、渣土溫度、扭矩異常、異常震動、異常噪聲等，判斷刀具的磨損程度，必要時進行停機檢查。

參考文獻：

[1]CJJ 217-2014，中華人民共和國行業標準《盾構法開倉及氣壓作業技術規范化》[S].

[2]江豪.土壓平衡盾構刀具研究現狀[J].工程機械，2021，1（10）：32-33.