01长距离硬岩段盾构掘进施工技术.doc

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硬岩段盾构隧道掘进施工技术
李谷阳
（中铁五局城通分公司）

摘要：大连地铁103标七十九中站~西安路站盾构区间右线以中风化钙质板岩为主，岩石强度在50Mpa左右，属于中硬质岩层，局部为辉绿岩，强度在90Mpa以上。盾构在长距离硬岩中推进存在很多困难，我单位也缺乏相应的施工经验。因此，本文试图通过对该区间盾构施工的实践，摸索出一些经验，以提高我们的盾构施工技术水平，指导我们的下一步的施工。
关键词：硬岩掘进盾构
1工程概况
大连地铁103标盾构隧道区间起于七十九中学站后端,经长兴街沿西南方向至西安路站前端，区间隧道长度为右线844.36m，左线840.94m，在中间设联络通道一处。区间沿线原始地貌为马栏河二级阶地，现为街道。沿线高层建筑物密集，管线、管道众多。本区间范围内上覆第四系人工堆积层()、第四系上更新统冲洪积层、下伏震旦系长岭子组钙质板岩、中生代燕山辉绿岩等。右线主要穿越的地质条件为中风化钙质板岩，天然抗压强度在50MPa以上。地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，局部地段基岩裂隙水与海水相互连通。
该工程选用了具备三种模式的复合式土压平衡盾构机，由中铁隧道装备有限公司生产。
2刀盘刀具的设置
2.1刀盘的布置
从一定程度上说，选择合理的盾构机设计是盾构隧道施工成败的关键，而其中最关键的是刀盘刀具的设计。大连地铁103标七～西区间根据地质条件，对刀盘刀具进行了合理的设计。刀盘设计为辐条加面板结构，设六个主刀梁和六个副刀梁（面板），刀盘的开口率为28%。刀盘前面共设置了5个添加剂注入口，其中3个为专用泡沫口，另外2个为专用的膨润土注入喷口。在磨损较多的部位,如刀盘进土口、刀盘开挖面、搅拌棒、刀盘边缘等处,大量堆焊了网格状耐磨硬质合金,大大提高了刀盘的耐磨性能和使用寿命。
2.2刀具的布置
刀盘共布置了4把中心滚刀（8刃）、32把单刃滚刀，滚刀直径为432mm；配置了切刀48把，刮刀12把，切削刀具采用大块硬质合金结构形式刀具。滚刀的刀间距为90mm，刀具采取高低搭配，滚刀伸出量为165mm，刮刀伸出量为120mm。滚刀高出齿刀45mm，以便在硬岩地段掘进时保护切刀，掘进中以滚刀先破开岩层，刮刀将破碎的岩石刮进土仓。刀具采用耐磨性能和冲击性能都非常优越的E5（日本标准）类硬质合金头。
刀盘、刀具的布置详见图1和图2。

图1盾构机刀盘正面

图2盾构机刀盘背面
3硬岩段盾构隧道的主要掘进技术
3.1掘进模式的选择
承担本区间的盾构具有一机三模式功能，即土压平衡式、开趟式和半开趟式，各模式可以互换。在硬岩地层掘进中，由于掌子面很稳定，为了加快推进速度，一般采用开趟式推进，盾构机切削下来的碴土进入土仓内后，,即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有少量碴土。掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小，由于不需控制土仓压力,刀盘扭矩较低，掘进推力较低，掘进进度快。
3.2掘进参数的设定
硬岩地段盾构施工主要掘进参数的设定原则以保护刀具为原则，掘进参数的选择以刀具贯入度为基准来控制掘进速度和总推力。正常推进时速度宜控制在25mm/min之内，同时根据监测数据适当加快或放慢推进速度。在此原则下，对该区间硬岩掘进参数设定如下:
（1)盾构推进速度控制在0～25mm/min之间；
（2)总推力控制在8000～12000kN之间；
（3)刀盘扭矩控制在1000～2000kN·m之间；
（4)刀盘转速控制在1.6～2r/min之间。
3.3渣土改良情况
在硬岩段地层掘进中，由于以滚刀破岩为主，渣土破碎后直径在1～3cm左右，渣土以针片状碎石为主。在初期施工中，我们在刀盘前面注入泡沫以期对渣土进行改良，但实际效果很不理想。主要原因是由于地下水十分丰富，在大量地下水的稀释作用下，泡沫基本无法对碎石状渣土形成改良效果。为此，在后续施工中，我们大胆的提出取消泡沫注入，通过一段时间的实践，我们认为在富水条件下完全可以取消泡沫的注入，但要及时注意观察渣土的情况，一旦地下水有所变化就要及时调整渣土改良方案。

图3没有注入泡沫的渣土
4硬岩段盾构掘进存在的主要问题分析及应对措施
4.1刀具磨损严重
在硬岩地层掘进，首先遇到的一个问题就是刀具的磨损。由于岩层强度高，刀具挤压、切削围岩效率低，对刀具、刀盘的磨损相应也大。因此在硬岩地层对刀具质量、刀具的检查与更换等提出了更高的要求。在掘进至41环,对刀具进行检查时发现，滚刀磨损较大，特别是边缘滚刀磨损严重，磨损情况见表1。为保证开挖直径，防止盾构机被卡住，确保盾构安全，我们对32～41号边缘滚刀进行了更换。
根据相关经验，边缘滚刀在磨损超过8mm，必须进行更换。从刀具检查情况来看，滚刀以正常磨损为主，没有出现偏磨等非正常损坏现象。更换下来的滚刀见图4、掌子面照