微风化砂岩及砂砾岩地层盾构掘进技术探讨

王家祥

摘要：珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段[沙涌站～沙园站]区间盾构隧道穿越俗称“磨刀石”地层的微风化砂岩、砂砾岩地层，该地层具有抗压强度高、岩石质量高及石英含量高的特点。通过对该地层进行一系列的分析及盾构刀盘加固改造、刀具配置及盾构掘进参数的设计，取得了良好的阶段性效果，引发对相同地层的技术探讨。

关键词：微风化砂岩；砂砾岩；盾构推进参数控制；开仓换刀；刀具配置

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.094

0引言

随着我国城市化的快速发展，地面交通系统已经越发的繁忙，地下轨道交通作为城市的重要资源已經得到了广泛重视，地下轨道交通的施工技术也日新月异，其中盾构法施工具有地层适应范围广、施工效率高、安全质量可靠等优点，已在我国地下轨道交通施工工程中得到了普遍的使用。现以珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段[沙涌站～沙园站]区间隧道盾构穿越微风化砂岩、砂砾岩为例，阐述盾构机在微风化砂岩、砂砾岩地层中的掘进技术，以供探讨和参考。

1工程概况

1.1设计概况

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段[沙涌站～沙园站]区间隧道采用盾构法施工，区间双线总长2954.577m，隧道埋深15～28m，平面最大转弯半径300m，最大坡度27‰。盾构机从沙涌站始发，下穿芳村大道、沙涌河、沙涌水闸、珠江主航道后，下穿光大花园密集建筑物，最后到达沙园站吊出井，完成区间隧道的盾构掘进任务。

1.2地质概况

隧道穿越地层主要为<7>层强风化砂岩、<8>中风化砂岩及<9>微风化砂岩、砂砾地层，右线地质纵剖面图如图1。

图1中绿色区域为<9>微风化砂岩、砂砾岩地层，该地层长度占整个隧道长度的40%左右。地质补勘探明<9>微风化砂岩、砂砾岩的平均天然单轴抗压强度85MPa左右，部分地段围岩最大天然单轴抗压强度为132MPa，石英含量高达65%。微风化砂岩、砂砾岩地层裂隙不发育，岩石质量指标RQD100%。岩芯及掌子面情况如图2、图3。

2施工难点分析

2.1地质围岩强度高，掘进效率低

对于硬岩地层，盾构掘进速度主要由滚刀的破岩能力决定。由于刀具自身材质问题，滚刀对60MPa以下的岩石具有很强的破岩能力，盾构掘进效率较高；对超过75MPa的硬岩破岩能力大大下降，盾构掘进效率极其低下。区间隧道<9>微风化砂岩、砂砾岩地层平均抗压强度高达85MPa，无风化裂隙，岩石质量指标RQD=100%，盾构贯入度2～3.5mm/min，掘进速度3～5mm/min。

2.2地层石英含量高，刀具磨损严重

区间<9>微风化砂岩、砂砾岩石英含量高达65%，石英具有坚硬、耐磨、化学性能稳定的特点，对刀盘、刀具的磨损较大。盾构推进过程中，需要经常开仓检查刀具磨损情况，尤其的周边刀的磨损情况，以避免开挖半径减少造成的盾构机卡死事故。

2.3围岩稳定性好，管片上浮严重

在软卧地层中围岩自稳性差，应力释放快，塑性形变大，管片脱出盾尾后，拱顶围岩发生形变，减少管片与地层之间的建筑空隙，有利于及时约束管片上浮趋势。<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中，由于基岩稳定性好，环形建筑空隙在相当长时间内是稳定的，脱出盾尾的管片长时间处于无约束状态，随着浆液的填充及地下水浮力的增加，使管片产生较大的上浮现象，造成成型隧道线性偏差较大。

3盾构掘进参数控制措施

根据珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段[沙涌站～沙园站]区间隧道的工程地质特点及水文地质情况，经广州“盾研所”专家论证，采用德国海瑞克φ6280土压平衡式盾构机进行本区间的施工。

海瑞克φ6280土压平衡式盾构机最大推力34210KN，刀盘旋转最大扭矩5300KNm。盾构机刀盘采用复合式硬岩刀盘，可配置32把单刃或双刃滚刀、4把双刃中心刀、28把中心刮刀及28把周边刮刀，最大开口率28%，最大破岩能力135MPa。

3.1刀盘加固改造

<9>微风化砂岩、砂砾岩具有抗压强度高、岩石石英含量高等特点，所以在刀盘迎土面焊接耐磨纹的同时，加焊耐磨钢板以增加刀盘的耐磨能力；在刀盘大臂连接处焊接连接钢板增加刀盘整体抗扭能力。详细如图4、图5。

3.2刀具配置及更换

3.2.1刀具配置

根据<9>微风化砂岩、砂砾岩地质特点进行刀具配置，配置的刀具应满足耐磨性好、破岩能力强的要求，同时应考虑刀盘中心位置刀具的偏磨问题。详细如下：

（1）周边刀39#、40#采用庞万力重型单刃刀具，刀刃外径17in；其他周边刀采用耐磨型热熔合金单刃滚刀，刀刃外径17in。

（2）中心刀1#～8#采用庞万力重型双刃刀具，刀刃外径19in。

（3）面刀9#～12#配置采用耐磨型热熔合金双刃滚刀，刀刃外径19in；其他面刀采用球齿单刃滚刀。

3.2.2刀具更换

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中推进3～5环进行一次开仓检查，根据刀具磨损控制标准进行刀具更换。<9>微风化砂岩、砂砾岩地层周边刀磨损值应控制在10mm以内，面刀磨损值控制在20mm以内。

3.3推进参数设计

（1）掘进模式。

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构掘进，应充分利用的围岩的自稳性，采用敞开式掘进模式。刀具碾压、切削下的碴土进入土舱后，及时被螺旋机排出，土舱内仅保留少许碴土。

（2）推进参数。

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构掘进参数设计以快速推进、保护刀盘刀具、降低刀具异常磨损为原则，极力避免刀具偏磨、刀圈断裂等问题发生。故盾构总推力以刀盘扭矩及刀圈最大耐压能力来确定。岩石完整性好，刀盘转速以高速旋转为主，以增加盾构的掘进速度。详细如表1。

（3）碴土改良。

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层经刀具碾压后形成石粉及粒径15mm～25mm的碎石块，碴土改良以降温、润滑、保护刀具为主要原则。加入泡沫剂以润滑刀具，根据地下水情况加水以降低土舱温度。碴土改良参数如表2。

3.4同步注浆及二次注浆

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构同步注浆应充分考虑管片上浮问题，注浆量满足管片不会下沉即可，同步注浆量控制在3m3左右，剩余建筑空隙以二次注浆填充。为避免管片壁后的地下水或者同步注浆的砂浆窜入土舱，可在同步注浆时加注一定量的水玻璃，加快同步注浆将夜的凝固。地下水丰富情况下，可直接采用跟踪二次注浆的形式进行封环，确保管片姿态稳定、管片壁后密实无水。

3.5掘进姿態控制

盾构掘进姿态控制管片成型姿态，<9>微风化砂岩、砂砾岩地层盾构掘进水平姿态应根据设计轴线进行控制，垂直姿态必须根据管片上浮量来确定，管片姿态复测至关重要。<9>微风化砂岩、砂砾岩地层盾构掘进姿态通常控制在-70mm～-60mm之间，以抵消管片上浮造成的线差。

4盾构掘进效果

<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构推进速度很低，逐步增加盾构总推力、刀盘扭矩，盾构掘进速度均无明显上升。当总推力超过14000KN、刀盘工作压力超过140bar时，会大规模出现刀具偏磨、刀圈断裂现象。经多次试验，<9>微风化砂岩、砂砾岩地层中盾构掘进总推力控制在12000KN～13000KN、刀盘转速1.8～2.0rpm、刀盘工作压力110～120bar（刀盘扭矩2200KNm～2500KNm），可以有效的避免刀具异常损耗，掘进速度可以达到5～15mm/min。盾构施工参数截图如图10、11、12、13。

成型隧道管片线性水平姿态偏差在±30mm之间，垂直姿态偏差±45mm之间，到达线性设定目标。

5结束语

盾构在俗称“磨刀石”的微风化砂岩、砂砾岩中掘进需要克服多种困难，尤其是刀具磨损严重、掘进效率低下问题。通过对珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段[沙涌站～沙园站]区间盾构穿越微风化砂岩、砂砾岩的介绍和分析，对刀具配置、盾构掘进参数、注浆等施工进行了分析和设定，降低了刀具偏磨、刀圈断裂等的异常损耗，加快了盾构在微风化砂岩、砂砾岩中的掘进效率。

参考文献

[1]苏小江，李笑.复杂地质中盾构控制技术探讨[J].现代隧道技术，2008.

[2]郭庆华，李彦.广州地区疑难地层中土压平衡盾构推进技术措施浅谈[J].煤炭工程，2008.

[3]田科军.土压平衡盾构机穿越珠江施工重难点分析[J].铁道建设技术，2009.