浅析盾构长距离穿越全断面硬岩掘进技术

王贯洲 李尊 吴富强

摘  要：随着我国经济的发展，城市地下空间的开发利用越来越高。地铁，管廊施工中盾构施工技术应用达到空前高度，而我国地域辽阔，地下施工中地质状况相对复杂，全断面硬岩富水地质对于地铁盾构施工来说具有相当大的难度，在业内一直有着相当高的关注，因此研究该课题具有重要意义。本文结合施工的相关实践经验，分析施工中的难点及应对措施，就长距离穿越全断面硬岩富水地质盾构施工简单阐述个人观点，以期对后续施工中遇到相似地层能够提供参考。

关键词：硬岩富水地质;盾构掘进;施工技术

中图分类号：U455.43   文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）03-0000-00

1 工程概况

广州市轨道交通七号线8标南村站～中间风机房（不含）盾构区间线路最小曲线半径R=350米，线路纵断面为下坡，最大坡度26‰，线路埋深12.04m～36.73m，隧道顶覆土7.86m～32.55m。隧道过珠江沥窖水道段净覆土均大于11.5m。区间隧道于YDK17+427附近穿越北亭断层。线路主要穿过<6Z>混合花岗岩全风化带、<7>强风化泥质粉砂岩、<7Z>混合花岗岩强风化带、<8>中风化泥质粉砂岩、<8Z>混合花岗岩中风化带、<9Z>混合花岗岩微风化带等。

根据地质钻孔资料：<8Z>中风化混合花岗岩：裂隙发育，岩体破碎，岩芯呈碎块状局部短柱状，岩质较硬。天然单轴极限抗压强度值为11.43～58.30Mpa，平均值为26.76Mpa。

<9Z>微风化混合花岗岩：局部裂隙较发育，岩芯呈柱状，局部机械破碎呈碎块状，RQD为50～90%，岩质坚硬。天然单轴极限抗压强度值为26.4～107.3Mpa，平均值为73.0Mpa。

盾构区间左线长1678.269m，硬岩地层962.57m，占左线线路的57.35%;区间右线长1703.560m，硬岩地层776.806m，占右线线路的45.6%。

地下水水位普遍较浅，局部埋藏较深，稳定水位埋深为3.60～11.0m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年5-10月为雨季，大气降水充沛，水位会明显上升，而在冬季因降雨减少，地下水位随之下降，年变化幅度为2.5-3.0m。

2 盾构机的配置

2.1盾构机刀盘配置

本标段盾构区间掘进采用两台海瑞克复合土压平衡盾构机，刀盘为复合面板辐条式，刀盘上安装有64把齿刀，8把边刮刀，31把单刃滚刀，4把中心双刃滚刀，1把超挖刀。刀具在刀盘上的超前量较大，正面滚刀的超前量为175mm，齿刀超前量为140mm，正面滚刀的轨迹间距为100mm，边缘滚刀的轨迹间距为9.59～100mm。

刀盘在安装全盘滚刀时开率为28%，滚刀装刀刃数为39刃，为了更有利于破除巖层顺利掘进，滚刀采用窄刃口标准刀圈（3/4刃口），边缘滚刀启动扭矩调整在30N.M，正面在26-28N.M。在盾构施工掘进过程中时刻关注掘进参数的变化，如有异常波动随时准备开仓检查更换刀具，严格制定相关掘进参数。由于刀盘设计为早期复合型设计，开口率相对较小，泡沫注入口仅有4个，这给施工中渣土改良带来一定困难，要时刻注意注入管路的压力变化，防止管路堵塞。

2.2盾构机主轴承密封及润滑配置

两台盾构机均为小直径轴承（2.6米），外密封为三道迷宫式橡胶密封，内密封两道橡胶密封，外密封采用最外层HBW油脂注入密封，后两道及内密封采用EP2润滑脂。盾构区间过江段相对埋深较大，降低水头压力最大处可达3.5公斤，在施工掘进中为了更好的保护主轴承防止密封击穿失效，时刻密切关注润滑油脂注入量及HBW油脂注入脉冲和注入量，润滑油脂和HBW油脂均采用易注入，且粘度指标相对高的产品，尤其是HBW油脂的质量，防止在注入过程中堵塞分配阀。

2.3盾尾密封

本区间两台盾构机尾盾长度均为3.7米，出厂设计为三道盾尾刷，受长度限制不易增加，故改造为4道盾尾刷，考虑到过江段水头压力大，裂隙发育丰富，在下井前更换的盾尾刷均采购高强度，高弹性，增强型钢丝盾尾刷。焊接过程中严格监控焊接质量。初始手涂油脂选择进口高质量手涂油脂，涂抹过程中保证涂抹质量，且保证每层钢丝束均充满油脂，钢丝刷弹性钢板三角区域均塞满油脂，保证弹性钢板受压恢复后产生小的间隙并加强密封效果。

3 盾构区间施工主要风险分析

3.1盾构机穿越北亭断裂带

南村站～中央风机房盾构区间于YDK17+427附近穿越了北亭断层，断裂带地段岩体相对较破碎，完整性较差，地下水较丰富，活动剧烈。

可能存在的风险： 盾构穿越该区域易引起盾构机喷涌、造成地层失水过多从而引起地表沉降，危机顶部的房屋。

3.2下穿市头村多幢房屋

盾构机在里程YDK17+400-YDK17+900范围内穿越市头村隧道正上方房屋30座，影响范围内房屋130余栋。房屋主要为2-5层楼房，个别为平房。房屋大部分都为砖混结构，有少数房屋为混凝土结构，房屋基础为条形基础、松木桩和混凝土灌注桩基础。

可能存在的风险：（1）建筑物在隧道施工影响范围内对盾构引起的地表沉降较为敏感。（2）盾构掘进时产生的不均匀沉降会导致影响范围内房屋基础横、纵向附加不均匀沉降，可能造成房屋开裂、倾覆、倒塌等现象。对危旧房屋的影响会进一步加严重。

3.3盾构机过珠江沥滘水道

盾构机在通过房屋后，还要穿越一条600米长的珠江沥滘水道，珠江沥滘水道水深2.3m～19.7m，隧道洞顶埋深11.5m～33.0m。

可能存在的风险：

（1）隧道范围内水头压较大，可能会引起喷涌、突水、盾尾刷被击穿等突发情况，若水量较大不能及时有效控制，可能会淹没盾构机，甚至危及设备和人员安全。（2）盾尾漏水、漏浆。（3）主轴承密封失效。（4）铰接密封失效。（5）盾构江底换刀安全风险：坍塌、气体中毒、减压病等。（6）在右线过江段有4个地质钻孔位于隧道正上方，地质钻孔与珠江贯通，易引发喷涌，严重时可能造成江水倒灌。（7）盾构法施工安全风险：硬岩段盾构机卡壳风险、隧道水平运输风险、管片上浮、破损。

4 盾构区间施工重难点分析

4.1保证开挖面土体稳定

珠江沥滘段隧道拱顶上方覆土条件复杂，且水压力相对土压力更大，如何控制降低施工扰动、防止地表沉降、确保盾构施工质量、避免发生涌水，坍塌等灾害是珠江沥滘段盾构区间掘进施工的一大难点。

4.2保证盾构机密封系统完好

盾构过江时，需确保盾构的盾尾和铰接密封、主轴承密封、出土螺旋机密封系统完好，3大密封系统的完好有效性是保证土压平衡盾构机在高水压环境下顺利、安全掘进的必要前提。在施工中要时刻密切关注三大密封系统的完好有效。

4.3控制管片上浮

在硬岩地层中掘进，一般土仓压力较小，造成同步注浆浆液的快速流失，形成管片与岩层之间的空洞，后方的水系顺着该空洞穿过盾壳与土体的间隙流入土仓内，形成螺旋出土口处的喷涌，同时加剧了浆液的流失。若不能有效的封堵过水通道，则形成恶性循环。喷涌加剧、施工困难同时伴随着管片上浮。

4.4进行合理的刀具选择配置

隧道范围内存在混合岩强、中、微风化硬岩地层，且软硬不均，石英含量也高，盾构掘进过程中对刀具的磨损大，如何进行合理的刀具选择配置，防止刀具发生非正常磨损，损坏;如何在掘进过程中设定合理优化的盾构掘进参数，保护好刀盘、刀具，减小刀具的磨损量，且保证有效连续掘进施工，减少开仓换刀次数;在珠江沥滘内一次性通过的可能性太小，要多次换刀，当刀具磨损到一定程度时，需要在珠江沥滘内选择适当安全位置进行换刀作业，如何选择适当位置，从而保证换刀工作的安全、快捷、及时是本段盾构施工的一大难点。

5过珠江段施工主要安全风险及控制措施

5.1过珠江风险的识别

盾构下穿珠江沥滘水道施工的风险评估等级为Ⅱ级，属于工程自身风险，风险控制等级为总部级。施工中主要的风险源有以下几点：

（1）隧道范围内水头压较大，可能会引起喷涌、突水、坍塌、盾尾刷被击穿等情况，若水量较大不能及时有效控制，可能会淹没盾构机，甚至危及设备和人员安全。（2）盾尾漏水、漏浆。（3）主轴承密封失效。（4）铰接密封失效。（5）盾构江底换刀安全风险：坍塌、气体中毒、减压病等。（6）在右线过江段有4个地质钻孔位于隧道正上方，地质钻孔与珠江贯通，易引发喷涌，严重时可能造成江水倒灌。（7）盾构法施工安全风险：硬岩段盾构机卡壳风险、隧道水平运输风险、管片上浮、破损。

5.2施工管理措施

（1）针对性編制盾构机过江专项施工方案，并组织专家进行审核论证，并严格按审批的方案施工。（2）针对性编制专项应急预案，提前进行演练并储备应急物资;建立与相关单位应急联动机制。（3）加强对作业人员及管理人员的技能培训、管理培训、安全教育、安全培训、应急培训等，提高施工人员的整体素质及应对问题的能力。（4）提前做好设备的维修保养工作，确保盾构机整体处于良好的运行状态，现场储备易发生故障和易损坏的设备部件。（5）加强对电瓶车的检修，禁止电瓶车带病作业，加强对轨道的检查，盾构机双轨梁前安装阻轨器等防溜车设施。（6）实行重大风险源领导值班制度。（7）合理组织盾构施工，确保整个现场的工作的有序性和连续性，充分调动整体的工作积极性。（8）严格贯彻和落实各项管理制度、风险管控措施和专项方案。（9）做好各项方案、预案的交底工作。

5.3 技术措施

5.3.1施工前地质补勘

因珠江沥滘水道为主航道，前期地质补勘有8个孔未能进行地质钻孔，只进行了物探扫描，不能准确的反映珠江的地质情况，在施工前经过多方协调与沟通，对未能钻孔的8个地质钻孔注浆进行了地质补勘，详细了解过江段地质情况，更有利于制定针对有效性施工措施，针对不同的风险，制定有针对性的施工技术措施，做到提前预判，有的放矢。

5.3.2过江前的盾构维修保养

盾构进入珠江沥滘水道前，右线预计在730环处进行换刀和设备检修，左线预计在690环处进行换刀和设备检修，海瑞克盾构机保养部位主要是：

（1）主驱动系统：主要是检测主驱动密封、旋转接头的泄漏情况、主轴承保压系统调节、主驱动马达震动和齿轮油检测。

（2）推进系统：主要检测推进系统润滑情况、推进油缸位置调整、管片安装状态下压力测试。

（3）注浆系统：主要检测盾尾注浆管是否通畅、注浆泵工作压力和泵送能力。

（4）聚合物系统：检测聚合物泵的工作情况、管线加入聚合物的可能性，管路是否有效可用。

（5）人仓保压系统：检测samsong系统工作的可靠性稳定性，人仓保压功能完好性和空气管路泄漏完好情况。

（6）液压系统：检测油样和管线泄漏情况。

（7）泡沫系统：检测管线的疏通情况。

（8）刀具更换：江底隧道范围内大部分为中风化、微风化地层，要配置适应硬岩的盾构刀盘。更换全部刀具。

盾构进入珠江沥滘水道前，着重对主轴承密封、铰接密封、盾尾密封，螺旋机闸门装置进行认真的检查、维护，确保密封效果。

5.3.3注浆系统改造

海瑞克盾构机既有配置同步注浆系统，掘进过程中，通过同步注浆系统向刚脱出盾尾的管片背后空隙中注入同步浆液，以达到将管片和开挖地层间空隙及时快速有效填充密实、固定管片位置、防止管片背后空隙形成积水通道，以此保证盾构隧道管片快速稳定，减少错台漏水，保证施工质量。

实际上，根据以往施工经验，注入的同步浆液凝固时间较长，在岩层稳定或较稳定地段，使用敞开式或欠土压平衡模式掘进时，注浆浆液难以填充到管片背后拱顶部分空隙，极易形成水流通道，尤其是盾构机在江底基岩中穿过时，后方水流通过管背顶部形成的水流通道汇聚沿盾壳外间隙流入土仓，由此造成螺旋机排碴喷水、涌砂和管片错台、漏水、地面沉降等问题，严重影响工程进度和质量。

因此，为保证注浆效果，我项目部决定对注浆系统进行改造，增加同步注双液浆系统，利用现有的同步注浆罐及膨润土罐来实现同步注双液浆。同步注浆罐储存水泥浆，膨润土罐储存水玻璃，在掘进的同时注入双液浆，达到快速有效封顶且浆液不流失效果，能够快速填充壁后开挖空间稳定管片，隔断水流通道，。同步注双液浆的流量可达200L/min，能满足盾构掘进需求。

5.3.4参数设置

根据盾构机过鱼塘等相似地段施工参数总结及左、右线施工的经验，盾构在过江时掘进<7Z>强风化混合花岗岩地层时，可以选用土压平衡模式掘进，参数设定为总推力1000～1600T，刀盘转速1.0～1.5r/min，刀盘扭矩1.5～3.0MN·m，土仓顶压力为1.6～2.0bar;在掘进<8Z>中风化混合花岗岩、<9Z>微风化混合花岗岩硬岩地层，选用半敞开式掘进模式，参数设定为总推力800～1300T，刀盘转速1.5～2.5r/min，刀盘扭矩1.0～2.5 MN·m 。施工过程中根据实际情况和监测数据进行实时合理调整及优化掘进参数。

5.3.5防喷涌技术措施

（1）单液浆、双液浆结合使用，及时环向封堵。在硬岩地层中掘进，尤其是隧道下坡阶段，必须快速有效切断管片与围岩间隙汇集的地下水与开挖面的水力联系。隧道区间地层含水层中长度越长，管片背后形成通道储存的水力和压力就越大;因此，注浆就要密实填实衬砌空隙才可以有效阻水，减少后方来水通过通道汇入土仓。为保证注浆效果，过岩层段注浆采用单液浆、双液浆结合使用的方式，及时环向封环，5～10环形成一次双液浆封环，阻隔后方的来水，每次封环2-3环。在水压大的情况下，为防止浆液注入过程中被水冲走，我方准备油性聚氨酯及聚氨酯催化剂，保证聚氨酯发泡至特定强度的时间控制在10秒左右，保证注浆效果。另外根据后期的监测情况，进行二次补浆。

（2）掘进控制。盾构掘进过程中，严格控制土仓压力、进尺、出土量，土压力控制在1.6～2.6bar，每进尺30cm大约出土一渣斗（约12方），保证盾构机连续均衡快速通过。掘进停止时，提前保压，土仓内压力保持与外界水土压力平衡;开始掘进时螺旋机排土前，通过刀盘转动把土仓内的渣土充分搅拌，使土仓内渣土能够连续顺畅排出，避免渣土离析喷涌或是螺旋机卡死。

（3）改善渣土性能。当喷涌较大时，向土仓内加入高浓度膨润土、聚合物等改良剂，改善土仓内渣土的特性，使渣土具有良好的可塑性、、和易性、止水性及流动性，便于螺旋输送机顺利连续出渣。

（4）土仓卸压。当拼装结束或更换电瓶车后再次掘进之前，发现土仓顶部压力大于0.6bar时，及时从土仓壁11点钟方向进行卸压，将土仓上部的水放出，当土仓顶部压力卸到小于0.2bar，再转动刀盘将土仓内的水和土充分搅拌后进行掘进，对防止喷涌具有一定的效果。另外为防止通过卸压排除的泥水卸到盾尾后不能抽走，增加盾尾清理的工作量，故将卸压管接到皮带上，将卸出的泥水放到渣斗里。

（5）确保出土螺旋机闸门系统完好。江底位置盾构掘进地层主要位于<7Z>、<8Z>、<9Z>混合花岗岩地层中，根据已过类似地层的渣样分析来看，盾构机所切削下来的石块较小、较均匀，没有大石块。石块卡螺旋机闸门的情况发生的可能性较小。过江前需确保螺旋机闸门的密封系统良好。

（6）易发生喷涌的地层中掘进保证连续快速通过，避免或减少在该地段停机或者进行设备检修。设专人对盾构机进行维护保养，快速检查排除故障，尽可能的减少设备故障停机影响施工连续性。同时对设备进行定期或不定期的检查和维修保养，对于各种设备故障提前做好维修的准备工作，提前预判，减少设备带病作业。避免问题出现时，不能及时快速恢复运转。

（7）增加隧道内排污能力，保证隧道正常施工。1）做好排污设备的储备工作，除现场配备的排污水泵外在仓库备用足够的完好可用排污泵，一旦水泵损坏能及时快速更换，保证及时将盾尾积水排出保证连续施工。2）隧道内设置两套排污系统（一用一备，可以随时切换），均可将污水直接抽到始发井。3）如果盾尾积水无法及时排出可在喂片机后方增设防水堤（沙袋），隔断后方来水汇集，同时采取措施将积水向防水堤后方排水优先有效保证管片正常拼装。

5.3.6防盾尾漏水、漏浆技术措施

（1）进入珠江沥滘前，通过盾尾铰接区域黄油嘴注入足量的锂基脂润滑油，并对铰接密封系统进行检查调整。

（2）掘进过程中严格控制盾构机的掘进姿态，保证姿态平缓连续，杜绝频繁纠偏，或是过急纠偏，时时關注姿态趋势防止主机形成反向折角。

（3）在过江前对主轴承密封和盾尾密封系统进行全面检查与维护，如有必要可提前进行内侧两道盾尾刷更换。

（4）盾尾油脂在过江段采用流动性密封性泵送性好的油脂，同时加大盾尾油脂的注入量，在施工中及时进行手动切换保证注入效果。

（5）对注油脂的管路进行改造，加一个三通，通过管片吊装孔定期向盾尾刷内补注盾尾油脂，防止盾尾漏水。

（6）严格控制盾尾油脂的有效注入量，管片拼装前要充分清理盾尾泥沙积物，并检查管片密封止水条固定情况;加强检查盾尾密封腔油脂密封状况。并根据潮汐变化，不断调整盾尾油脂和同步注浆的注浆压力。

5.3.7江底換刀技术措施

（1）开仓换刀前，先在盾尾后5～6环注双液浆进行封环，同时在盾体外注聚氨酯封住后方来水。

（2）在地层不好的地方换刀时，应先带压进仓观察掌子面，如果掌子面不稳定则带压换刀，若确认掌子面稳定时，可改为常压换刀。

（3）右线进入主航道<7Z>地层前，一定要在<8Z>地层完成一次全面换刀 。

（4）江底换刀时，选择破岩能力好、耐磨性较高的刀具，尽量减少开仓换刀频率，换刀时如发现刀具偏磨不转的，必须进行更换。

5.3.8掘进地质钻孔区域技术措施

（1）在到达地质钻孔前，在<8Z>地层进行开仓检查更换刀具，对设备进行检查维修，确保盾构机能连续、快速的通过该段区域。

（2）盾构过珠江主航道下部<7Z>地层及地质钻孔时，土仓上部土压比计算土压稍高并且不超过0.2bar（不考虑水压），故在掘进该段时土仓压力将控制在1.5bar左右。

（3）联系有经验的项目，确认聚氨酯和催化剂的品牌和配比，凝固时间，发泡效果、施工工艺等，并安排工人熟悉施工方法，确保施工时能熟练操作。

（4）每环掘进完成或开仓换刀后严格确认关好螺旋输送机前闸门和人仓门，并定期检查，确保螺旋输送机前闸门和人仓门密封完好性能。

（5）确保隧道排污系统的完好性（由于管线较长，需在管线中部设增压泵或其他措施加压排水），能及时快速的将隧道内积水抽出来，施工现场多备几台15KW的水泵，如水泵损坏，可以及时进行更换。

（6）将相邻标段左、右线隧道洞门用砖进行封堵，防止因江水倒灌危及相邻标段安全的事故发生。

5.3.9保证施工连续性的技术措施

（1）选择合适的掘进模式，设定合理的掘进参数，避免在掘进过程中发生螺旋输送机卡死、刀盘卡等状况，保证掘进的顺利、连续。

（2）充分调动掘进班的劳动积极性，优化合理安排，定岗定责，加强各个工序之间的衔接，保证盾构施工的连贯性。

（3）加强洞内、洞外、地面的沟通，保证盾构施工的各种材料的供应正确、及时。

（4）根据施工计划，对各种施工材料及设备及时采购，保证施工材料的充足、设备的完好。

（5）有专业技术人员加强对盾构机配套设备的保养工作，保证设备的完好使用率，减少故障停机。

（6）在洞内安装道岔，减少换电瓶车时间，保证施工的连续性。

（7）优化电瓶车编组，在一列电瓶车上多加一个管片小车，使管片能一次运进去，节约时间，保证施工连续。

6 结语

本标段属于在地铁盾构施工中穿越全断面硬岩地层相对较长的，并且主要穿越线路均在江底，江面有航道四季通航，过往船只较多，在施工中存在比较大的风险，本项目部在施工前准备充分，施工中组织衔接紧凑，虽然江底岩层强度高，换刀频率高（在江底双线前后换刀高达24次），但最终安全顺利贯通。通过以上总结梳理以期能为后续盾构施工在相似地质条件下提供借鉴可能。

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收稿日期：2019-06-11

作者简介：王贯洲（1985—），男，河南汝州人，本科，中级工程师，研究方向：地铁盾构施工及设备管理;李尊（1990—），男，江苏徐州人，本科，中级工程师，研究方向：地铁盾构施工;吴富强（1989—），男，河南巩义人，大专，中级工程师，研究方向：地铁盾构施工及设备管理。

The Tunneling Technology of Shield Tunneling for Long Distance Through Full-section Hard Rock

WANG Guan-zhou，LI Zun，WU Fu-qiang

（China Communications Tunnel Engineering Bureau Co.， LTD.， Beijing  100088）

Abstract： With the development of our country's economy， the development and utilization of urban underground space is more and more high， the subway， the utility tunnel construction in the use of shield construction technology to an unprecedented height， and vast area in our country， the construction of underground geological condition is very complex， in each city is a new challenge， full face hard iwatomi water geology for subway shield tunnel construction is also considerable difficulty， in the industry has a very high attention， therefore also has a research on this subject has important significance. Combined with relevant practical experience in construction， this paper analyzes the difficulties in construction and countermeasures， and briefly expounds personal views and views on the construction of long distance crossing full-section hard rock water-rich geological shield， so as to provide references for similar strata encountered in subsequent construction.

Keywords： hard rock rich water geology; Shield tunneling; The construction technology