土压平衡盾构在中风化岩层中施工技术要点探究

肖维志

摘 要：根据土压平衡盾构机自身的特点及厦门地区以残积砂质黏性土和全风化、中风化花岗岩为主的地层特点，针对掘进过程中出现的异常排渣及刀具损坏等情况作出有针对性的措施，结合翁角站—马青路站盾构区间施工过程中出现的问题加以分析，深入研究。

关键词：中风化花岗岩;盾构刀具;掘进参数

1 施工项目概况及特点

1.1 施工项目概况

翁角路站—马青路站区间采用盾构法施工，线路沿霞飞路敷设，两台土压盾构机先后从翁角路站始发后从通风竖井吊出。隧道地表自上而下依次为：<1-1>杂填土、<1-2>素填土、<1-2-1>填石、<8-1>粉质粘土、<8-4>中砂、<8-4-3>砾砂、<11-1>残积砂质黏性土、<12-1>全风化凝灰熔岩、<12-2>强风化凝灰熔岩、<17-1>全风化花岗岩、<17-2>散体状强风化花岗岩、<17-3>碎裂状强风化花岗岩、<17-4>中等风化花岗岩、<17-5>微风化花岗岩。其中区间在里程ZDK12+638.667～ZDK12+840.597（201.93 m）、YDK12+650.1～YDK12+848.944（198.844 m）穿越全断面中风化、微风化岩层（中风化-微风化花岗岩，强度约40 Mpa～130 Mpa）、为基岩凸起段。其中有安排进入全断面岩层后换刀计划。

1.2 施工项目特点

（1）工程线路地质条件较复杂，盾构区间穿越全断面中风化、微风化岩层（岩石强度最大达130 MPa），期间有168米为基岩凸起段。（2）盾构推进至基岩突起处，掘进速度缓慢，前期地层上软下硬，对地层扰动较大，易发生地面沉降、突涌等现象。（3）盾构刀具在基岩突起段掘进，刀具在掌子面受力不均，刀具偏磨严重，甚至刀具崩断，刀圈、螺栓断裂。（4）在基岩突起段，更换盾构刀具困难，影响施工效率，施工人员在常压进仓未知风险高。

2 盾构机在全断面中掘进施工存在问题

2.1 刀具磨损及刀圈、螺栓掉落

全断面岩层（中风化花岗岩）在土压平衡盾构机掘进时依靠刀盘前滚刀进行切削，切削机理为刀圈对岩面进行挤压，形成岩裂后崩落，机理示意如图1所示。但是由于岩层硬度大，且出现软硬不均，造成岩裂裂隙不贯通，无法崩落。进而出现滚刀滚过的沟槽深浅不一，刀具刀圈受力不均，造成刀圈掉落或螺栓大量崩断掉落，还会造成滚刀卡住无法滚动，造成偏磨。另外，刀具在岩面不断滚动会造成磨损，崩落下的个别大的岩块在土仓内不断撞击刀具，也对刀具产生损坏。掉落的刀具与正常刀具相互碰撞造成的崩裂。刀具出现以上各种形式的损坏时，掘进参数会出现异常（如：刀盘扭矩异常增大、总推力增大、掘进速度下降、渣土温度增大等）现象，须在已经计划的裂隙水较少、掌子面稳定的合适位置进行常压开仓检查刀具刀盘和更换刀具。

2.2 喷涌，施工效率低

在全断面中风化花岗岩中，由于岩层裂隙较多，地下水在裂隙中形成多个汇水面，造成掘进时，打开螺旋机闸门时就立即喷涌（喷涌时，需要关闭闸门，一些较大石块又卡在闸门处，造成闸门不能及时关闭），喷涌的渣土含水量极大，大颗粒的石块能满足皮带输送，但一些颗粒小的会混合水直接泄露在皮带机滚筒下面流向盾尾或直接滴漏在后方台车区域流向隧道。为保证管片拼装质量，拼装前需要盾尾清洁后才能拼装，这就造成施工效率低，隧道施工文明差。

2.3 管片上浮、渗漏水

由于地下裂隙水的丰富，盾尾管片极易上浮，并且由于上浮的不均匀性，也会造成相邻管片形成错台和渗漏水。同时在全断面岩层中掘进中，盾构机盾尾止浆板柔性大，由于没有土的覆盖压力，同步注浆压力过大时造成浆液直接从盾尾窜至盾体及刀盘中，造成了管片后部注浆量不足也是管片大量渗水的主要原因。

2.4 盾构机姿态不易调整且盾体旋转

在全断面硬岩中掘进，开挖面范围内受力后都是不易变形的，所以不像在软土中掘进容易纠偏;而且在硬岩中过多的对姿态进行纠偏也会造成刀具的损坏。由于盾构机在推进时刀盘转动掌子面会反作用产生扭矩，造成盾构机盾体旋转，硬岩中盾体无法像在软土中可以释放部分扭矩，所以盾体易出现扭转。

2.5 换刀时岩面凸出，刀具无法安装

当在掘进时，出现掘进参数异常时，如扭矩快速增大，掘进速度突然下降，渣土温度过高，总推力增加速度无变化等仍继续掘进，直至刀圈或螺栓从螺机中排出才停机开仓，这时刀盘上不转动的刀具（偏磨）、刀圈掉落（只剩刀股）的位置已经不能切削掌子面岩层，逐渐没有切削的岩层会向刀盘内凸出，在开仓换刀时，刀具就无法安装上。

3 土压平衡盾构在中风化岩层中施工技术优化途径

3.1 对刀具的选取进行合理配置

刀圈是刀具切削掌子面的最外层保护，选取合适的合金刀圈和刀圈厚度不仅能达到好的切削效果，而且能够延长刀具的使用寿命（合金过硬、刀刃太薄易造成刀圈崩裂，合金过软、刀刃过厚无法达到切削效果）。同时对刀具的启动扭矩也要有合理选取（启动扭矩过大，刀具在不转动情况下造成偏磨;启动扭矩过小，刀具的轴承及密封使用寿命短），综合考量，我们选取了厦工中铁装备的滚刀更换上。

3.2 注浆止水及泄漏接渣

由于地层裂隙发育较好裂隙水大，造成螺机出土时喷涌量大。通过打开盾尾管片注浆孔查看盾尾后方水量大，为阻断后方来水，对盾构机盾尾三环（避免注浆凝固盾尾）后的5～8环管片进行二次注浆，注浆采用水泥浆+水玻璃双液浆形式。注浆前对盾体及盾尾采用膨润土保护。同时在掘进时在皮带机下设置小渣斗，对皮带机泄漏的渣土集中接漏，减少清理工作量。

3.3 堵漏及管片注浆抑制上浮

通过对管片底部注浆孔开孔放水来减小地下水的压力，在进行二次注浆填充管片周围空隙来固定管片抑制上浮。

3.4 合理控制掘进参数

新更换的刀具是没有接触掌子面的，需要在重新掘进时慢慢接触掌子面再通过挤压切削，才能发挥滚刀的破岩能力。开始掘进时一定要缓慢掘进，使各个刀具受力均匀且能够缓慢转动，防止刀具受力不均匀崩裂。正常掘进时，通过调整参数，加大泡沫剂的使用来润滑刀具和改良渣土。采用高转速，低推力的切削模式进行推进。不断观察切削出的渣土岩块形状，以“瓜子片”状为最佳。

3.5 换刀期间岩面及其他处理措施

针对左线换刀期间出现的岩面凸起情况，可采取用旧滚刀代替新道具提前对凸起岩面进行破除，对无法破除的岩面也可采用人工切割破除（时间长，效果差），对已经变形的刀箱和螺杆，刀具无法拆卸的位置可采用气割和水下切割来割除，动火作业时严格按照舱内动火安全操作程序进行操作。全断面中风化岩层中，边缘刮刀易造成损坏（合金块脱落），所以可少量换取。刀具更换完成后，在掘进50 cm后需要再次开仓对刀具螺栓进行复拧。

3.6 加强盾构机维护保养

机电部门应组织人员跟随盾构司机进行掘进期间值班巡视，对易發生故障部位精心检查，对易出现突发故障的构配件提前计划采购，确保盾构机能够随出故障，随时修理，连续掘进提高进度。

4 结语

在上软下硬地层尽量减少上部土体扰动，保持土仓压力恒定，严格控制出土量，避免造成超挖，盾构司机及时判断进行合理的渣土改良。每天真实的反映施工进度，施工情况，实时关注地表监测数据，当发现地表沉降异常，必要时进行地质勘探，及时进行二次注浆。在硬岩断面掘进时，由于掘进时间长，盾构司机需耐心控制盾构掘进参数。通过低掘进速度、渣土温度、扭矩异常、异常震动、异常噪声等，判断刀具的磨损程度，必要时进行停机检查。

参考文献：

[1]CJJ 217-2014，中华人民共和国行业标准《盾构法开仓及气压作业技术规范化》[S].

[2]江豪.土压平衡盾构刀具研究现状[J].工程机械，2021，1（10）：32-33.