城市建筑密集区土压平衡盾构机全断面硬岩掘进关键技术研究

李明辉

摘要：在城市建筑密集区域下方采用土压平衡盾构机进行全断面硬岩地层盾构隧道施工时，存在盾构掘进速度慢、姿态控制难度大、刀具磨损严重、频繁开仓换刀、建筑沉降控制困难等问题。结合实际工程，介绍了土压平衡盾构机选型、刀盘配置、掘进模式和参数、姿态控制、渣土改良、沉降控制等关键技术措施，确保在建筑密集区域下方盾构机安全顺利进行全断面硬岩掘进。

关键词：建筑密集区域;硬岩;敞开式;沉降。

1工程概况

昆明市轨道交通4号线小屯站～金鼎山站区间位于明日城市花園、昆明氧气厂、金鼎山科技园等建筑密集区域下方，区间单线长1459.326m，穿越一段长186m的全断面硬岩——玄武岩，岩体完整、强度较高，硬岩段玄武岩芯样最大饱和单轴抗压强度最大值为131MPa，隧道范围内平均值为62.8MPa，区间埋深10～70m，周边环境及地质条件复杂。

2盾构机选型

根据小屯站～金鼎山站区间穿越较长距离的全断面硬岩的地质特征，选择性能适应地质条件的盾构机非常关键，盾构机选型主要注意以下几个方面。

1）功率

根据全断面硬岩的特点，选择具有大推力、大扭矩和高转速的盾构机。

2）刀盘

用于硬岩掘进的刀盘应以配置滚刀为主;刀箱和刀座应具有足够的抗变形能力;为方便出渣，刀盘开口率应适当增大。

3）盾构机有耐磨设计和措施。

4）盾体中盾与尾盾之间采用铰接连接，方便在小半径曲线上掘进。

5）盾构机有人仓设计，位于中隔板上部，便于刀具更换。

小屯站～金鼎山站区间盾构机采用海瑞克S589、S590，总推力为40000kN、最大扭矩为5340kN.m，满足全断面硬岩掘进的功能要求。

3刀盘配置

小屯站～金鼎山站区间掘进前，两台土压平衡盾构机掘进适应土层为软土和硬素黏土，采用的是36刃滚刀的原装刀盘，正面滚刀轨迹间距100mm，开口率是34%，渣土改良管道4组，刀盘厚度550mm。

这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时，存在的问题是：

1）开口率偏小，遇到大块渣石容易堵塞、卡刀盘，或是大块渣石不能进入土仓，随着刀盘在掌子面转动，影响盾构机掘进效果，设备损耗较大。

2）盾构机在掘进硬岩时主要依靠滚刀对岩面碾压破碎，这种刀盘滚刀数量偏少、刀中心距偏大，与岩面的有效接触面积偏小，遇到强度高的硬岩时掘进效率低下，形成的渣石较大不利于出渣，影响掘进效果。

3）渣土改良管道偏少，在硬岩掘进时不利于渣土改良，影响出渣效率，并延长坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间加快刀具磨损，从而增大开仓换刀频率带来更多的安全风险并延长施工周期、降低工效。

因此硬岩段由于岩层单轴抗压强度高，选择合适的刀盘配置才能保证盾构机在硬岩段的连续施工，加快盾构在该段的掘进速度。针对软土段采用的刀盘在硬岩段掘进存在的问题，根据小屯站～金鼎山站区间硬岩段的地质特点，重新设计、加工适用于硬岩掘进的新刀盘。

硬岩段刀盘配置44刃滚刀，正面滚刀轨迹间距80mm，边缘滚刀超出盾体直径2cm，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置。开口率是38%，渣土改良管道6组，刀盘厚度650mm。

这种刀盘及刀具配置在硬岩段掘进时相对于软土段使用的刀盘，具有以下优点：

开口率较大，避免大块渣石堵塞、卡刀盘或是大块渣石不能进入土仓随着刀盘在掌子面转动，提高了盾构机掘进效果;

2）刀盘滚刀数量较多、刀中心距较小，滚刀从刀盘中心向外呈螺旋线布置，与岩面的有效接触面积较大，提高了对岩面碾压破碎的速度，形成的渣石较小利于出渣，并且边缘滚刀超出盾体直径2cm，可降低周边岩层卡住盾壳的现象发生。

3）渣土改良管道较多，在硬岩掘进时利于渣土改良，提高出渣效率，减少坚硬的岩石碎粒停留在土仓内的时间降低刀具磨损，并降低开仓换刀频率。

4掘进模式及掘进参数

根据全断面硬岩岩体完整、开挖断面相对稳定不会出现掌子面失稳的情况，硬岩段掘进参数采用盾构总推力较小、刀盘扭矩较低、刀盘转速较高的“小推力，低扭矩，高转速”敞开式掘进模式。这种掘进模式大幅度降低了盾构机推进阻力和刀盘旋转阻力，有效地提高了盾构机在硬岩地层中的掘进工效。

硬岩段主要掘进参数平均值为：

盾构总推力：6500KN

刀盘扭矩：1500KN·M

刀盘转速：1.7转/min

推进速度：20mm/min。

5姿态控制

在硬岩掘进过程中，盾构机姿态纠偏较为困难，掘进过程中应严格控制盾构机姿态，水平偏差控制在设计线路曲线转向内侧，最大偏差控制在30mm以内。考虑到管片上浮的影响，垂直偏差控制在-20～-30mm以内。硬岩掘进时盾构机振动较大，经常会引起VMT导向系统出现测量错误，因此在掘进过程要测量系统多检查、勤校核，及时纠正错误。

6渣土改良

硬岩段掘进采用泡沫剂进行渣土改良。泡沫的功效主要在于分离或中和粘性土中的阴阳离子，降低其吸附性能，从而起到改善碴土的流动性、润滑刀具等作用。

对于中风化玄武岩，由于滚刀将岩体的一部分磨成粉尘沉积在土仓内，具有一定的粘结力和吸附力，在盾构掘进施工中，易附着于刀盘上造成刀盘扭矩增大，或进入土仓后被压密固化，可能造成掘进、排渣均无法正常进行的情况，宜采用泡沫剂进行改良，泡沫起着界面活性剂分散的作用，可有效防止粉尘附着于刀盘上和土压仓内壁，防止出现泥饼现象，降低刀盘扭矩，使掘进工作顺利进行。泡沫配置浓度为3%～5%。

7沉降控制

1）地面沉降原因分析

盾构机推进引起的地面沉降包括五个阶段：