盾構機穿越孤石及上軟下硬礫砂地層掘進現場施工分析

李偉忠、桂佑杰、岑旭文

（中建八局軌道交通建設有限公司，江蘇 南京 210046）

1 工程概況

某隧道盾構區間左線截至2020 年7 月10 日累計掘進310 環，2020 年10 月25 日進行開倉換刀。在左線自0 環到284 環洞身范圍內，地質情況依次為硬塑狀礫質黏性土、礫砂層、全風化黑云母花崗巖、強風化黑云母花崗巖（土狀）。從284 環開始進入上軟下硬礫砂地層，隧道拱頂為強風化黑云母花崗巖，底部為微風化黑云母花崗巖。單圓盾構機盾構（CREC015）在290環之前均為軟土地層，在該段范圍共遇到4 處孤石。第一處為64-74 環，第二處為158-166 環，第三處為245-248 環，第 四 處 為262-264 環。

某隧道盾構區間右線截至2020 年7 月10 日累計掘進367 環，已完成開倉換刀作業，繼續掘進。在盾構區間右線0 環到270 環，隧道洞身地質情況依次為硬塑狀礫質黏性土、礫砂層、全風化黑云母花崗巖、強風化黑云母花崗巖（土狀）。盾構在該段范圍內均為軟土地層。從271 環開始進入全斷面地段，隧道洞身范圍均為微風化黑云母花崗巖。337 環從全斷面到上軟下硬礫砂地層，掘到350 環到全斷面硬巖，357 環又到上軟下硬礫砂地層。右線掘進至今都是上軟下硬礫砂地層，隧道拱頂為強風化花崗巖，底部為微風化巖層。在270 環進入全斷面硬巖之前，在該段范圍共遇到3 處孤石。第一處為66-72 環、第二處為160-169環、第三處為265-268 環。右線從270 環開始進入上軟下硬礫砂地層。

2 孤石及上軟下硬礫砂地層掘進參數分析

左線過孤石時，盾構掘進各項參數變化差距較大（見圖1），掘進速度明顯下降，扭矩增大，加大推力無明顯效果[1]。在盾構機土倉壁旁，聽到有刀盤與地下障礙物或孤石碰撞摩擦的聲音。在孤石區域各項掘進參數為：掘進速度4～10mm/min，刀盤扭矩1500～2300kN·m，油缸推力1300～1900t，刀盤轉速0.8～1.2r/min，刀盤貫入度3～5mm/r 左右。盾構在軟土層正常掘進，掘進參數為：掘進速度35～45mm/min，刀盤扭矩1100～1500kN·m，油缸推力為1000～1400t，刀盤貫入度25～30mm/r 左右。左線進入上軟下硬礫砂地層后速度明顯下降，每環平均速度在1～3mm/min 左右，超挖刀在16 點位置速度降為0，轉到9 點位之后才恢復1～3mm/min 的速度，刀盤扭矩及推力增大，扭矩波動峰值較大。推進參數不穩定。

圖1 左線盾構掘進各項參數折線統計圖

右線在過孤石期間盾構掘進各項參數與左線基本相同（見圖2）。孤石區域各項掘進參數為：掘進速度6～12mm/min，刀盤扭矩1000～1400kN·m，油缸推力1200～1800t，刀盤轉速0.8～1.2r/min，刀盤貫入度5～10mm/r 左右。在沒遇到孤石時，掘進參數較為穩定。掘進參數為：掘進速度45～55mm/min，刀盤扭矩為1000～1500kN/m，油缸推力1000～1600t，刀盤轉速0.8～1.4r/min，刀盤貫入度35～45mm/r 左右。右線從全斷面硬巖到上軟下硬礫砂地層之后，掘進參數與左線基本相同。速度明顯下降，刀盤扭矩及推力增大，扭矩波動峰值較大。推進參數不穩定。

圖2 右線盾構掘進各項參數折線統計圖

在左線162 環位置鉆孔取芯，勘探孤石大小及孤石強度，鉆孔位置分別位于隧道中心及兩邊，共鉆設6個勘探孔，鉆孔深度為25m。勘探得出，在刀盤縱斷面范圍勘探到2 個孤石（見圖3）。根據勘探孔間距，得出孤石位置位于掘進方向靠刀盤中心區域，估測孤石大小為2m×1.5m×1m 及2m×1m×1m，孤石埋深為17.6～19.2m，23.3～25.4m。經第三方檢測單檢測得出孤石強度最大為173MPa，最小為155MPa。孤石平均強度為160.7MPa。

圖3 左線勘探孔芯樣照片

3 刀具磨損情況

盾構區間盾構機采用土壓平衡盾構，刀盤規格為（直徑×長度）φ6980。雙聯中心滾刀6 把，刀高160mm，正面單刃滾刀24 把，刀高160mm，邊滾刀12把，刀盤構造如圖4 所示。

圖4 刀盤刀具配置圖

盾構區間左線從始發至今共開倉3 次，第一次在262 環位置進行換刀，從始發到262 環左線盾構已經穿過3 次孤石，開倉前262 環扭矩及推力增大，其速度為0～2mm/min，扭矩波動大，推力加大，刀盤轉速減小，效果不明顯，掘進參數不見好轉。經換刀之后，速度能達到6～8mm/min。在264 環后，速度慢慢回升，推力1200t 左右，扭矩1000kN·m，進入正常狀態，速度可以保持在20mm/min 左右。共計換了5 把中心刀（S2+S4、S5+S7、S6+S8、S9+S11、S10+S12），S2+S4、S5+S7、S9+S11 斷 齒 嚴 重，刀 圈 磨 損 嚴 重；S6+S8、S10+S12 偏磨嚴重，刀圈崩裂。

第二次在283 環換刀，考慮盾構即將進入上軟下硬礫砂地層，為了順利地掘進，該次共計換了14 把單刀，基本集中在正面單刃滾刀及邊滾刀，其中正面滾刀8 把，邊緣滾刀6 把。有1 把正面滾刀（S34）、4 把邊緣滾刀（S38、S39、S41、S42）出現嚴重偏磨、斷齒。其余刀具均有不同程度的斷齒、缺口、磨損，磨損量在1.2～1.8cm 不等。換刀之后，因為在上軟下硬礫砂地層中，速度雖然無明顯加快，但推力及刀盤扭矩等參數較為正常。

第三次在297 環開倉換刀，共計換了13 把刀，中心刀（S1-S3）1 把，正面滾刀6 把，邊緣滾刀6 把。中心刀嚴重變形、斷齒、刀圈磨損嚴重。3 把單刀斷齒、偏磨嚴重，剩余刀具都有不同程度斷齒、磨損，磨損量在7～15mm 之間。S40 邊緣滾刀是在上一次開倉283環就更換過的重型扁齒刀。該次換刀前速度為0～1mm/min，基本無速度，扭矩波動較大在2100kN·m左右，推力1500t，換刀之后，速度保持在3mm/min 左右，扭矩及推力明顯下降。

盾構區間右線從始發至今大規模開倉換刀6 次，其中不包括在全斷面硬巖段換刀的次數及數量。在全斷面硬巖段掘進時，平均1.5 環就需開倉檢查刀具并更換磨損量超過5mm 或斷齒多的刀具。在推進過程中，遇到掘進參數異常，如扭矩波動較大、推力增大、貫入度降低或刀盤前面異響等，考慮刀具磨損較為嚴重，需開倉檢查刀具，對磨損超標的刀具進行更換，對磨損量正常且仍具有良好破巖能力的刀具進行保留，基本集中在邊緣滾刀及正面滾刀。

4 上軟下硬礫砂地層掘進、超排及過孤石存在的問題

其一，掘進速度慢，刀盤轉速在控制不當的情況下易造成刀具非正常損壞，對刀和刀盤損害較大。其二，盾構機姿態難以控制，上浮或盾殼被卡住、蛇形推進，注漿不及時易產生地面沉降甚至塌陷，隧道管片破損。其三，隧道拱頂地層自穩性較差，地面往下12m 左右均為回填垃圾，盾構在推進過程中容易產生超排。出渣量控制難度大。其四，硬巖段及上軟下硬礫砂地層對盾構刀盤磨損嚴重，上軟下硬礫砂地層掘進15 環左右，全斷面硬巖段盾構掘進2～3 環就需停機進行開倉換刀，換刀費用大，耗時長。其五，盾構在上軟下硬礫砂地層推進時，無速度或速度較慢，刀盤扭矩大，扭矩波動峰值也較大。加大推力，在降低刀盤轉速的情況下無貫入度。判斷刀具磨損嚴重，考慮開倉換刀，停機開倉區域地層自穩性較差，回填垃圾土體松散系數較大，地下水豐富難以控制，并且地面不具備加固條件，開倉風險較大。其六，因在機荷高速安全保護區內，未鉆設勘探孔。地質情況不明朗，右線在掘進過程中遇到基巖突變，從全斷面巖層到上軟下硬礫砂地層，再從上軟下硬礫砂地層到全斷面巖層。如發現不及時，掘進參數未及時根據地層變化而改變，容易損壞刀具，并對地層造成較大的擾動。其七，盾構在上軟下硬礫砂地層掘進時易發生噴涌，開挖面失穩引起地表沉降。其八，在沒遇到孤石時，盾構機處于軟土地層中掘進，各項掘進參數正常。遇到孤石后，局部刀具沖擊切削孤石巖面，因孤石強度高、完整性好、掘進受阻，扭矩波動較大，貫入度降低，推力增大。若操作不當或掘進參數未及時變化，會對刀具損傷極大。其九，上軟下硬礫砂地層掘進時，倉內溫度過高，從皮帶上測出溫度高達60℃左右。土倉內渣土極易糊出刀盤，結成泥餅。

5 孤石及上軟下硬礫砂地層掘進存在問題及后續處理方案及建議

其一，盾構在過孤石或上軟下硬礫砂地層推進過程中，若遇到掘進參數異常，扭矩波動較大，推力增大，無貫入度及速度等情況，應立即調整掘進參數，采用“低轉速”緩慢加減推力來控制刀盤扭矩，刀盤貫入度控制在3～5mm/r 以內。盡可能把刀盤扭矩波動減小至400。其二，在掘進到上軟下硬礫砂地層前將盾構姿態逐步下調，尾部垂直姿態調整至-30±5mm，不得超過-40mm，俯仰趨勢應根據實際情況控制，要求能保證盾構姿態穩定。盾構機趨勢非特別要求下不超過±6mm，姿態糾偏每環不得大于5mm，每環糾偏趨勢不得超過±2mm，以此控制盾構軸線。其三，過孤石及上軟下硬礫砂地層時，掘進速度慢，對地層擾動較大。故掘進后每隔5～8 環做一道止水環箍。注漿即將完成時，使用水玻璃單液漿封孔，采取“少量多次”原則，注漿壓力不大于0.5MPa。壓力波動較大時，應立即停止注漿，換對稱的注漿孔接著按相同配比進行注漿。環箍打完后，再對中間管片進行注漿。采用單液漿，水泥漿按1∶1 比例配置。在管片背部再次進行二次填充，防止地表沉降。其四，盾構遇孤石出現掘進參數異常時，應及時上報，不能盲目操作，更不能為了追求掘進速度而強推過去。要考慮刀具的受損程度，采取低轉速，控制刀盤扭矩，根據實際的掘進情況來加減推力，盡可能將刀具的損害降到最小。其五，盾構司機、值班工程師、地面調度及技術人員應勤觀察渣土特性，根據出渣特性結合實際地層來實時調整盾構掘進參數。其六，嚴格控制出渣量，上軟下硬礫砂地層掘進時土倉內的存土量應不少于2/3，嚴禁空倉推進。每斗出渣量必須與油缸行程相匹配，以每掘進30cm 以上出一斗渣計量，對出渣量進行動態控制，盡量保持欠挖狀態。盾構司機及調度做好出渣量統計并詳細記錄。在渣土運出翻渣的過程中，門吊司機必須認真記錄渣土稱重記錄，出渣異常時應立即向技術部門反映，根據渣土重量及體積反算出渣量，并保證記錄數據的真實性和有效性。其七，在推進過程中，每環向盾殼外部注入膨潤土，待管片脫離盾尾后及時進行二次補漿。在推進時若渣土溫度過高，為防止刀盤結泥餅，可適量減少泡沫原液的比例，往倉內注入清水來降低渣土溫度。其八，對于上軟下硬礫砂地層，為控制地面沉降，可適當加大同步注漿方量，適當調整同步注漿配比，加大水泥用量，減少粉煤灰及砂子用量，加快漿液的初凝時間。其九，根據上軟下硬礫砂地層換刀頻率及掘進參數變化的分析，判斷刀具磨損較為嚴重時，應主動采取措施進行開倉換刀，不能盲目地繼續推進。在施工過程中，做好地面巡視工作及監控量測。

6 結語

在某隧洞盾構區間地層施工中，通過分析孤石及上軟下硬礫砂地層的掘進參數及刀具磨損情況，提出在保證地面沉降可控的情況下，適當減少土壓力，加大刀盤轉速，根據推進情況適當減小推力，且向盾構外部注入膨潤土可以有效提高掘進速度。同時，在地層開挖時，應密切注意刀片轉矩及整體推力的動態，對刀片的磨損進行分析和判定，嚴格控制施工速度；減小刀片的磨耗，使更換刀的數量最小化，既能降低開槽機的風險，又能減輕工期壓力，還能節省建設費用。