盾构机在孤石基岩地层中的掘进风险及针对性设计选型

张通国

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

盾构法隧道是地铁及部分大城市地下车行通道的首选。盾构机是盾构法隧道施工中的主要设备，特别是大直径盾构机造价昂贵、制造精密。如何选择一台合适的盾构机，除了成本，另一个重要因素就是工程地质水文等情况。通过对施工线路的详细勘察，在盾构机设计选型阶段有针对性地加强、改进、增加某些功能，可以有效地减少掘进过程中的风险。

本文以汕头苏埃通道工程海湾隧道为例，探讨了在盾构机选型阶段，依据线路存在高强孤石及基岩的实际情况，采取了针对性的设计，期望为今后类似地质情况的盾构隧道设备选型提供技术参考。

1 工程概况

在汕头市的跨海通道规划中，苏埃通道是其中之一。该通道从汕头市龙湖区起始，穿越苏埃湾海，到达濠江区。通道建成以后，将作为连接“一湾两岸”的全天候通行道路，线路全长6 680m，其中海湾隧道采用明挖+盾构法施工，跨海盾构段长3 047.5m。

海湾隧道盾构段为两条单洞，内径设计为13.3m，外径设计为14.5m，单洞三车道通行。内部结构有安全应急通道、光纤电缆管廊及排烟通道等。隧道管片尺寸宽2m，厚度为0.6m。隧道断面由7块标准块、2块相邻块和1块封顶块错缝拼装而成。管片预制采用C60混凝土，抗渗等级P12。环与环之间采用高强螺栓连接。为加强其防水性能，在管片上安装两道三元乙丙弹性密封垫，并且对内侧进行嵌缝。管片组合及隧道内部结构如图1和图2所示。

图1 管片组合形式

图2 隧道内部结构

2 沿线孤石及基岩分布

2.1 孤石分布情况

始发端头段隧道顶部地层以淤泥、粉细砂为主，洞身掘进段以淤泥、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂、全风化花岗岩为主，隧道底部地层以全风化花岗岩、中风化花岗岩为主，局部地层夹有孤石。在始发端头三轴搅拌加固中受孤石、基岩的影响，大部分桩体未能达到设计深度，受到影响严重的几组仅加固至隧道顶部以下4m。为探明孤石的具体位置，在始发端头采用了3m×3m间距钻孔，遇岩后外扩1.5m，结果东线发现3块孤石，西线发现4块孤石和1段基岩。岩石单轴抗压强度110MPa，RQD值为60%左右。通过绘制坐标图，将孤石同隧道断面的位置关系进行了对比，部分孤石位置关系如图3所示。

图3 部分孤石与隧道断面位置的关系

2.2 基岩分布情况

地质详勘报告显示，隧道东、西线在海运主航道下均存在3段基岩突起：东线第一段基岩突起侵入东线隧道长66m、最大高度6.07m，岩芯强度104MPa；第二段基岩突起侵入东线隧道长60m、最大高度4.65m，岩芯强度128MPa；第三段基岩突起侵入东线隧道长36m、最大高度2.98m，岩芯强度81MPa。西线第一段基岩突起侵入西线隧道长37m、最大高度6.07m，岩芯强度122MPa；第二段基岩突起侵入西线隧道长71m、最大高度4.62m，岩芯强度114MPa；第三段基岩突起侵入西线隧道长45m、最大高度2.9m，岩芯强度81.2MPa。通过绘制坐标图，将基岩与隧道线路的位置关系进行了对比，东、西线基岩与隧道线路位置关系如图4所示。

图4 东、西线基岩与隧道位置的关系

3 孤石基岩地层掘进风险分析

孤石和基岩对盾构机的正常掘进会造成较大的影响，甚至成为隧道能否安全贯通的重要因素之一，施工风险高，难度大。主要风险有：

(1)刀盘、刀具的损坏。通过钻孔抽芯，对芯样进行强度试验可知，孤石的强度高达110MPa，并且对比地质详勘报告发现，孤石分布范围广，这对刀具的破岩能力提出了很高的要求，在孤石区掘进易造成刀盘、刀具磨损加快，甚至出现非正常损坏。若孤石周围土体较软，土体不能限制孤石的位移，则孤石会随着刀盘移动，造成刀具不能够有效破岩，长时间也会损坏刀盘、刀具。

(2)由于东、西线均存在三段强度高达128MPa的基岩凸起，在该地层中掘进除了会造成上述第一条风险外，基岩凸起段“上软下硬”，软硬不均的地层构造会直接导致刀盘受力不均，主轴承易受损及密封有效性降低。

(3)孤石或基岩破除后，碎石大小不一，在通过刀盘底部格栅进入泥浆管路时，若碎石粒径大于格栅开口尺寸，则易造成泥浆滞排、堵仓。

(4)盾构机破岩需要较大的反力。在始发阶段，盾构机的反力来自于反力架，高强度的岩石对反力架的结构强度要求高，因此，整个反力架的设计及施工质量需进行重点控制。

(5)掌子面切削的土体及碎石需进入泥浆循坏系统，为能顺利出渣需要较大的压力和流量。在盾构机掘进的前期，主机还未完全进入土体，洞门的密封性是控制的关键，若洞门密封性较差，泥水仓的压力达不到要求，导致泥浆携渣能力差，也同样会造成泥浆滞排、堵仓。

4 盾构机针对性设计选型

汕头苏埃通道工程海湾隧道建设初期，根据地质勘察情况，基本掌握了隧道线路范围内孤石及基岩的分布及强度，因此，在盾构机选型及设计建造过程中，增加和改进了多项装置和功能。

4.1 刀盘常压换刀装置

每种设备都有易损部件，盾构机刀具作为直接同地层接触的零件，受地层结构的影响较大。在孤石及基岩中掘进，其刀具磨损量大、损坏频繁，需经常进行更换。以往盾构刀具的更换需由专业人员进入开挖仓，为保证掌子面稳定和人员安全，开挖仓往往是带压状态。带压进仓作业对换刀人员的技术要求高、施工风险大，仓内的换刀时间有限，效率不高，对人员的健康也不利。常压换刀技术体系经过近年来的研究和探索已逐渐成熟。本项目根据地层地质特点，在盾构机设计阶段采用常压刀盘，刮刀、滚刀刀具更换作业可在常压环境下进行，确保每个轨距均能实现刀具常压更换，降低进仓作业风险，提高刀具更换效率及人员安全性。常压换刀装置如图5所示。

图5 常压换刀装置

4.2 刀盘刀具材料加强及磨损检测

在孤石和基岩中掘进，刀盘和刀具易受到磨损，如能够减少磨损并及时掌握磨损程度及时换刀，可以有效地保证盾构机的正常运行。因此，在盾构机设计选型阶段针对该情况进行材料加强和磨损检测尤为重要。针对孤石和基岩，盾构机设计选型阶段在刀盘前面板和后面板采用了耐磨复合钢板并且增加液压式磨损检测带外圈梁，每把滚刀设置了油压式磨损检测和旋转检测并配套传感器，使技术人员可以及时掌握刀盘刀具的运行情况。刀盘材料及磨损检测如图6所示，刀具磨损检测及旋转检测如图7所示。

图6 刀盘材料及磨损检测

图7 刀具磨损检测及旋转检测

4.3 伸缩摆动式主驱动

主驱动伸缩摆动式功能可提高主驱动的可靠性和在存在孤石的地质中掘进的适应性。在更换刀具时，摆动刀盘可使滚刀与开挖面分离，方便刀具的更换。在基岩突起段可利用伸缩缸回收更换正面刀具，同时利用伸缩摆动功能实现超挖，便于更换最外轨迹刀具。对含有基岩“上软下硬”的地层掘进姿态控制有利。伸缩摆动式主驱动结构如图8所示。

图8 伸缩摆动式主驱动结构

4.4 预留穿梭口设计

由于在孤石基岩地层中掘进的复杂性，极端情况下可能涉及到带压进仓作业，在盾构机设计选型时预留了饱和潜水带压作业所需的穿梭舱接口。在刀盘前方出现异常情况如孤石卡刀盘、刀盘结泥饼等，必要时可进行带压进仓或饱和潜水带压进仓处理。

4.5 鄂式高强度岩石破碎设计

为了能够将高强度岩石破碎，在盾构机设计阶段，在气垫仓的底部安装锷式破碎机，采用液压油缸进行驱动，破碎机工作模式可设定进行破碎和搅拌，可靠性较高。破碎粒径最大1 200mm，破岩强度最大可达300MPa，可对大块岩石进行破碎，预防气垫仓底部发生堵塞。同时，为防止破碎机在开闭过程中引起堵塞，破碎机在关闭状态下也充分考虑了相应的过流面积，保证排浆通畅，降低堵塞的概率。颚式破碎机结构如图9所示。

图9 颚式破碎机结构

4.6 三维地震波超前探测装置

图10 超前探测

超前探测装置给予了盾构机超前探知前方地质情况的能力，通过三维成像，直观地展示给技术人员。在实际工程应用中，通过震源在隧道管片激发产生声波信号，声波信号可在隧道地层中传播，当遇到地质情况不同或者突变时，波阻抗会出现差异，在隧道管片上有高灵敏传感器，反射的声波信号被接收，通过进一步处理分析，形成三维模拟图像，反映隧道掘进前方的地质情况，并对基岩、软弱带、破碎带、断层、空洞等地质体的位置和规模进行判断。超前探测如图10所示。

5 结语

(1)盾构机在孤石基岩不良地层中掘进面临着技术难度大和未知风险高的实际情况，在具备预处理的条件下可采用钻孔、爆破等方法在掘进前将岩石进行预处理。当预处理条件不具备，采用盾构机直接掘进时，应对掘进过程中可能出现的各项风险进行分析并在盾构机设计选型阶段对盾构机进行针对性的改进。

(2)对孤石基岩的分布必须进行详细勘察，对采集的岩石样品进行强度试验以收集各项数据，同时，应绘制孤石基岩同隧道断面及线路的位置关系，这些数据是盾构机设备设计选型的重要依据。

(3)在苏埃通道工程海湾盾构隧道孤石基岩段掘进中，刀盘常压换刀装置、刀盘刀具材料改进及磨损检测、伸缩摆动式主驱动、预留穿梭口设计、鄂式高强度岩石破碎设计、三维地震波超前探测装置等发挥了重要的作用，配合掘进参数控制等措施，安全顺利攻克了孤石及三段基岩，为今后同类型地质条件隧道盾构机的选型设计提供了实践经验。