盾构区间全断面硬岩处理方法研究

杨民强

(中铁十四局集团有限公司 山东济南 250041)

1 前言

随着社会不断发展，人们对地下空间的利用需求日益增加。盾构法施工以其安全、环保、高效等优势，在地铁、铁路、引水隧道等工程中担负着重要使命[1-2]。目前，盾构在软土地层掘进技术已经成熟[3-4]，形成了完整的理论计算体系，并积累了大量工程经验；但在全断面硬岩地层掘进中经验尚浅，在全断面硬岩地层掘进中的刀具刀盘磨损、推进缓慢等问题一直是困扰盾构施工的难题。

诸多学者对盾构过全断面硬岩区间施工技术进行了研究。杨梅[5]以东莞～惠州城为依托，通过对盾构在全断面硬岩中掘进出现的盾体被卡、刀具磨损、管片上浮、管片错台、管片漏水等问题产生原因进行分析，提出了相应的解决方案，掘进速度提高至每天2～3环。章新华[6]结合深圳市地铁3号线翠竹站一田贝站区间过硬岩段施工，针对地面沉降大、刀盘刀具磨损大、推进速度慢等问题，提出了保证盾构顺利通过硬岩段的处理措施。闫建诚[7]结合实际工程，介绍了盾构过硬岩施工中刀盘刀具选型、掘进模式以及掘进参数设计、刀具管理、盾构姿态控制等方面的具体措施，确保盾构安全顺利推进。针对盾构过硬岩刀具磨损快等问题，一些学者提出了爆破+盾构掘进的掘进方法。王忠康等[8]以某国储地下水封石油洞库项目为依托，设计了中深孔全断面一次光面爆破技术，提高了巷道成型质量，超挖量在15 cm以内。陈新等[9]以红沿河核电站取水隧洞硬岩段施工为依托，详细介绍了全断面硬岩段采用地面钻孔爆破预处理技术施工的工艺流程及爆破计算，实践表明，该技术具有安全、效率与经济优势。还有一些学者对矿山法+盾构空推进行了研究。孟福扬[10]对盾构空推过矿山法隧道施工技术要点环阶进行了探讨研究，明确了盾构空推过矿山法的作用以及对其研究的意义和价值。徐延召等[11]以武汉轨道交通某盾构区间为依托，介绍了施工流程及质量控制方法，该方法在施工中取得了良好的工程效果。石刘等[12]通过用盾构直接掘进、爆破+盾构掘进、矿山法+盾构空推三种工法的经济性对比分析，总结出在工期不紧张、硬岩段长度较短、硬岩强度不高时，采用盾构施工可以降低造价；在硬岩段长度较长时、工期较紧时，采用矿山法+盾构空推方法施工费用较低。

本文以厦门市轨道交通3号线浦～后盾构区间为背景，通过对左右线类似全断面硬岩段采用不同的处理方法时盾构掘进参数、刀具磨损情况、成型管片及隧道渗漏水进行分析对比，总结了盾构区间全断面硬岩处理方法，对相似地层的盾构法隧道施工有积极的借鉴作用。

2 工程概况

厦门轨道交通3号线浦边站～后村站盾构区间从浦边站始发，沿石厝路向东北方向敷设，先以半径为R＝350 m的曲线向北偏转，再以R＝350 m的曲线向南偏转，下穿规划地块后，沿翔安东路敷设进入后村站，从后村站盾构机解体后吊出。正线区间起讫里程为右DK26+080.644～右DK26+828.137、左DK26+080.644～左DK26+828.137。区间隧道右线长度为747.493 m，左线长度为772.536 m，总长度1 520 m，管片外径6.2 m，盾构开挖直径6.48 m。

浦～后盾构区间穿越地层主要为粉质黏土、散体状强风化花岗岩、全～强风化花岗岩、全断面中风化花岗岩、全断面微风化花岗岩及孤石；区间穿越全断面硬岩左线约53.6 m，右线约63.6 m，硬岩岩层强度达90 MPa。图1为左线地质断面图，图2为右线地质纵断面图。

图1 左线地质纵断面图

图2 右线地质纵断面图

3 左右线施工情况对比

3.1 左右线处理情况

左右线存在相似全断面硬岩段(强度达90 MPa)地层。左线采取施工前进行地面预爆破处理，处理方式为常规的“深孔爆破法”，右线采取盾构直接推进的方法施工(见表1)。

表1 左右线处理情况

左线区间全断面硬岩段经过爆破处理，右线区间全断面硬岩区域未进行爆破处理，左右线区间在地层上相似性较大，同时此段处于右转小半径曲线段(350 m)范围内，对盾构掘进施工参数设置、成型管片的质量控制要求极高。本文通过对左右线实际施工情况进行对比研究，得到了相关结论。

3.2 左右线施工情况对比

3.2.1 掘进施工效率对比

通过左右线掘进施工速度对比(见表2)，可以看出对全断面硬岩地层进行爆破处理对盾构掘进施工效率提升较为明显。

表2 左右线掘进时长统计

3.2.2 掘进参数对比

盾构掘进受到的阻力为被动压力，爆破预处理后，地质松散，掘进时正面推进阻力减小，推力相应减小；适当增加贯入度，在增加推力的同时，可以提高推进速度。爆破预处理后，岩石块度存在差异，扭矩波动增大；同时，由于掌子面不稳定，易发生坍塌，土仓内渣土量增加，掘进中反扭矩增加，刀盘扭矩增加。因此，左线(爆破)与右线(未爆破)相比在相同的刀盘转速下，推力有所减小，扭矩波动增大，推进速度提升较大(见表3)。

表3 左右线掘进参数统计

3.2.3 进仓情况对比

左线经过爆破处理后，地质松散，掌子面破碎裂隙多，土仓进水量大且处理难度大。经过多次常压试验，土仓中频繁出现石块掉落声音，刀盘前方掌子面破碎不稳定，无法正常进行常压进仓，若考虑带压进仓，也有进仓效率低、时间长、风险高的问题，本项目左线区间在预设开仓点地面注浆加固处理后顺利常压进仓。右线全断面区域未爆破处理，掌子面完整，地层稳定，土仓进水主要为后部来水，常压进仓的风险小。图3为左线开仓掌子面，图4为右线开仓掌子面。

图3 左线开仓掌子面情况

图4 右线开仓掌子面情况

通过左右线进仓情况(见表4)看，盾构机在爆破预处理的地层掘进施工中刀具磨损量有很大降低，但是左线出现刮刀崩齿。滚刀磨损量减小是因为爆破预处理后，盾构掘进过程中推力减小，从而使得相同位置的滚刀磨损减小。出现刮刀崩齿的原因是爆破预处理后，掘进过程中大量的块状岩石堆积到刀盘底部，边缘刮刀一直高速运转，在无规律的多次磨损下，致使刮刀出现崩齿情况。

表4 左右线进仓情况统计

3.2.4 施工情况对比

右线全断面硬岩区域由于未进行爆破处理，岩石强度高，完整性好，同时处于右转小半径(350 m)曲线段，在此种地层中掘进，为保证盾构机掘进轴线能够顺利拟合隧道设计轴线，左右侧推进油缸的行程差和油压差会较大。而左右侧推进油缸的行程差较大会导致盾构机盾尾与盾尾内的管片夹角过大，造成盾尾间隙较小，增大盾尾的磨损，甚至管片会卡住盾尾，造成盾尾及盾尾刷损坏，更严重是盾尾与中盾连接螺栓断裂脱离；左右侧推进油缸压力差大，成型管片的质量控制难度大，极易出现破损、错台、渗漏水的情况。

左线全断面硬岩区域经过爆破处理后，地层岩面破碎，地质松散，姿态控制难度降低，盾构机掘进所需较右线(未爆破)有所减小，对管片的挤压力减小，成型管片质量有很大提高。但经过爆破处理后，地层裂隙增多，裂隙水量丰富，推进过程中螺旋机喷涌情况与右线相比明显增大(见表5)。

表5 左右线施工情况

由于全断面硬岩区域未进行爆破处理，盾构机掘进后形成完整稳固的通道，对同步注浆方量及同步注浆的压力控制要求高，注浆压力大注浆量多，浆液在完整的岩层通道中无法渗透，易出现浆液流通至土仓的情况；注浆压力小注浆量少，则会造成管片脱出盾尾后无法稳固，出现管片“上浮”的情况。经过爆破后的地层相对松散，稳固性差，同步注浆的浆液可以沿裂隙进行渗透，对同步注浆压力控制方面要求相对较低，但也需对同步注浆量和浆液配比进行调整，以适合硬岩区域掘进。

3.2.5 方法讨论

通过对左右线区间实际施工中的几个方面进行对比研究，总结出全断面硬岩段区间盾构施工时采用爆破预处理和非爆破处理的优缺点(见表6)。

表6 爆破处理与未爆破处理优缺点

综上所述，全断面硬岩区域可不进行爆破或部分爆破处理，预设开仓点不进行爆破处理，作为一个稳定完整区域进行常压进仓检查更换刀具；若全断面硬岩区域采取爆破处理，则提前进行地面注浆加固等措施加固地层以保证顺利常压进仓。

4 结束语

本文以厦门市轨道交通3号线浦～后盾构区间为背景，通过对左右线相似硬岩段采用不同处理方法时盾构掘进参数、刀具磨损情况、成型管片及隧道渗漏水情况进行分析对比，总结了盾构区间全断面硬岩处理方法。具体结论如下:

全断面硬岩区域可不进行爆破或部分爆破处理，预设开仓点不进行爆破处理作为一个稳定完整区域进行常压进仓检查更换刀具，若全断面硬岩区域采取爆破处理，则提前进行地面注浆加固等措施加固地层以保证顺利常压进仓。