硬岩地层盾构机掘进技术探讨

刘鹏军

（西安中铁工程装备有限公司 陕西西安 710299）

由于硬岩地层盾构机的工作条件比较特殊，在实际工作过程中盾构机配置要求比较高，作为施工质量保证，该项课题的研究，更好地提升盾构机的掘进效率，通过相关的措施，进一步优化掘进过程中出现的一些问题，实现安全、高效生产。

作为地下空间资源开发重要工具之一，盾构机在隧道开发相关的工程建设中至关重要。改革开发以来，我国的工程建设如火如荼，盾构机作为挖掘隧道的专用设备，其本身质量优劣越发影响到成型隧道建设的工期及隧道质量。目前全国已经投入了数千台，产生的经济效益超过400亿元。其次，我国在盾构机的研发中也是取得了举世瞩目的成绩，现已完全形成独立研发、独立制造、独立生产及独立施工的一整套完整的生产链条。在一些新项目建设中，国产盾构机已经能够为国家建设提供一己之力，现已走出国门，面向世界。随着技术的越发成熟，盾构机的发展也是会越来越先进，工艺设计也会越来越精进，依然成为高铁之后的又一张中国“明信片”。

1 盾构机施工难点分析

1.1 刀具质量要求较高

由于硬岩地层地质条件的特殊性，要求盾构机的刀具（滚刀）质量非常高，刀盘扭矩要求也比较高，一般都采用电驱。在硬质岩层中，刀具配置单刃滚刀较多，单刃滚刀破岩能力强，更换较为简单（重量），双刃滚刀更换较难；刀盘布置刀间距单刃变化也更多等，除此之外，刀具强度太高遇到硬的岩石容易崩刃，使用单刃刀能够极大地节约成本。

1.2 工作过程中的姿态控制难且容易自转

在硬质岩层掘进时，由于地层较为稳固，掘进形成的隧洞比盾体外径大，硬岩掘进一般都采用空仓掘进，盾壳底部与形成的隧洞摩擦较小，在施工中由刀盘旋转中形成的扭矩下使得盾构机进行侧转，从而使盾构机姿态发生变化，需要操作手时刻切换刀盘旋转，如刀盘以一个方向旋转，容易达到最大转动角，使盾构机被迫停机。

1.3 地下地质条件特殊

掘进过程中，硬岩掘进可能会遇到一些地下水集结的富水带，水量丰富，掘进过程中很容易出现喷涌。大量的地下水夹杂一些碎石和泥土，从螺旋机的出口澎涌而出，对于施工进度影响较大，清理时间长，严重时可能需要停工处理，甚至会将整机淹没等。大大减低了掘进效率，增大隧道施工成本。

1.4 其他影响

在掘进全断面岩层时，需要增大同步注浆量，进而来补充隧道与盾壳之间的环缝，而同步注浆不到位时，造成管片上浮、破损等现象，在一些全断面岩层掘进过程中，一般采用敞开掘进，这种掘进方式下浆液会快速到管片底部，使得管片上浮。

2 硬岩地层盾构机掘进技术措施探讨

2.1 空仓掘进时刻注意岩层的变化

在空仓掘进的时候工作人员要时刻关注出土的基本情况，由于硬质岩层的地质条件不均匀，有时候可能会出现一些软土或者夹层之内的，这个时候需要及时操作盾构机的基本工作参数，如果操作不当，很有可能造成出现地层沉降或者塌方危险，在施工前技术人员要根据地质勘探图纸分析掘进前方地层状况，隧道顶部如是软土或是岩层厚度不超过1m，就要适时保压，防止超排渣土。

同时空仓掘进也要时刻关注富水岩层、裂隙水等涌水相应，涌水较大时，会在很短的时间内对盾构机进行淹没，这样的打击是致命的。

2.2 加强刀具的管理

在岩层掘进过程中，需要根据实际情况来选择合适的刀具，刀具的刀盘布置也是很重要的，如最外圆需要同轨迹尽量布置两把刀具，增大破岩能力。强度太高很容易导致崩刀现象，强度太低也是容易造成磨损发生。就连刀具连接螺栓也是至关重要的，一般常采用强度适中的10.9级螺栓连接。而加强刀具的管理，保证能够及时的更换和保养。在岩层掘进过程中，由于刀具的磨损较快，导致刀具的更换周期较短，所以，在一般的施工现场都需要配备足够的刀具或更换刀刃的刀具维修车间，保证工作能够正常进行，如果由于刀具原因造成停机想象，这种情况下出现的损失就没必要。

盾构机在掘进过程中，刀具会发生一定程度的磨损，这个时候需要注意其磨损量，一般来说，边缘滚刀的磨损量为10mm，正面的磨损量为20mm的时候需要调整刀具位置或者更换刀具，更换完新刀具（滚刀）后，要缓慢启动刀盘使得扭矩平稳后停机，进仓对更换的刀具及连接情况进行检查。在掘进过程中，如果发现问题，要及时的停机进行检查，确保掘进过程中的安全。同时，时刻进仓对刀具情况进行测量、记录，并且要检查刀具的紧固情况，由于工作一段时间之后，工具出现松动的情况也是较多。在掘进到一定程度上，可以根据掘进参数来确定刀具的工作状态以及磨损量，进尺量小，推力大，扭矩大，刀盘温度高，都是刀具磨损的信号。

2.3 加强掘进参数的控制

在硬质岩层的掘进过程中，需要遵从基本的“高转速、小扭矩、大推力”的基本思想，在敞开掘进过程中，盾构推进速度要控制在1-2cm/min，刀盘的转动速度控制在2-3rpm/min，扭矩在4000n.m之内，总的推力需要控制在1600~2200kN之间。

3 掘进过程中出现的主要问题及原因分析和采取对策

3.1 同步注浆管堵塞

在掘进初期，由于同步注浆频繁发生堵塞问题，除了送浆管道的弯道较多的影响之外，主要是由于使用的土壤为钙基膨润土，后来经过试验选取了钠基膨润土，能够很好地改善堵塞这一问题。但是由于粉煤灰的量，仍然存在浆液容易离析的现象。后面经过多次试验，最终找到了合适的配比，较好的解决了管道堵塞问题，每环掘进，一定要满足同步注浆的量，如不足时，可降低掘进速度来满足同步注浆的量。同步注浆完成后，根据掘进速度，要及时清理管道，同时加大后续测量。

3.2 管片破裂

主要受到推进油缸剪切和拼装完成后的管片碰撞等因素引起。管片在受到以下几个因素的综合作用会导致了破损和裂缝：①可能是由于拼装完成后，推进油缸加压顶推到管片的时候出现局部应力集中，出现管体的破裂；②管片紧固螺栓在打入过程中用力过大，使得管片局部应力变化，出现裂纹；③拼装的管片与盾尾间的间隙过小，盾壳挤压管片，表现为管片内弧面的碎裂；④注浆压力均匀，在地层弹性模量较大情况下管片单边受压；⑤盾构机掘进的姿态与成型隧道的姿态不一致，导致拼装的管片或已成型的隧道管片外表面损伤等。

4 结语

综上所述，硬质岩层在掘进过程中的问题还是较多，在以后的实践过程中根据实际情况来不断增进盾构机的结构，让盾构机能够安全的工作的同时提高工作效率。加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。