深圳地铁土压平衡盾构机穿越全断面硬岩施工技术

冯涛

摘要：

本文以深圳地铁14号线六中区间硬岩盾构段为背景，分析了盾构穿越全断面微风化硬岩地层中遇到的难题，介绍了地层的高硬度对盾构施工造成的刀具螺栓松动、断裂和刀具偏磨以及出渣困难等不良影响。针对施工中遇到的问题，采取控制掘进参数、优化刀具配置、加强刀具管理、做好渣土改良等措施，顺利的穿越了该盾构段地层。

1. 前言

随着我国城市规划不断扩大，地铁施工项目逐渐增多，盾构机因自动化程度高、安全环保等优点，得到越来越多的应用。但因地质的复杂性往往给施工造成不良影响，需要地铁建设者们结合地质特点，不断优化施工参数及控制措施，保证施工安全。

2. 工程概况：

深圳地铁14号线土建三工区共包括三站三区间，线路总长约9.7km，区间共投入8台直径6980mm复合式土压平衡盾构机施工。其中六约北站~中间风井区间长约1946.5m线路间距10.2-15.2m，线路埋深10.4~57.4m，区间最小转弯半径750m，最小纵坡5‰，最大纵坡度为28‰。地层从上至下依次为素填土、全风化角岩、强风化角岩、中风化角岩、微风化角岩，洞身范围内主要以全断面中微风化角岩（变质岩）为主，其中单线中微风化角岩地层长1100m（微风化约330m），占区间总长的56.5%，区间微风化角岩单轴抗压强度最高211MPa，石英含量55%-65%，主要地质特点为岩石强度高、完整性好、石英含量高。

图 1区间地质图

3. 主要的施工重难点及风险分析

盾构区间穿越的微风化角岩约220环，岩石强度在150MPa左右，通过取芯检测，局部最高>200Mpa。盾构机在微风化全断面硬岩地段中掘进，滚刀随刀盘的转动及自身的旋转而在开挖面上在沿固定轨迹进行破岩施工作业，由于硬岩整体较硬不能进行剪切破岩，只能进行挤压破岩。刀盘扭矩控制不合理极易发生刀具瞬间超出极限承载造成偏磨、崩刃、轴承损坏等的情况。

3.1滚刀固定螺栓松动或断裂

六中区间在全断面段硬岩段施工局部最高211Mpa，盾构机平均速度为3-5mm/min，掘进完成1环时间为5~7h左右，滚刀以小贯入度在切割岩石，刀具螺栓长时间受震动易出现松动、掉落、断裂的现象，进而导致刀具出现后退、偏磨，甚至是掉落。

3.2滚刀刀圈断裂

滚刀在硬岩地层切削掌子面，受到较大冲击力，极易出现刀圈崩裂、轴承损坏、刀圈断裂及偏磨等问题。在掘进过程中，可能因为个别滚刀因轴承损坏致偏磨，造成其相邻的刀具因过载而失效，从而迅速向周围刀具扩展，造成更多刀具偏磨，中心刀在刀盘中心部位，线速度小，而受侧向力较大，出现后退、偏磨等问题。

3.3螺旋输送机排渣困难、磨损

盾构机在极硬岩地层掘进中，刀具破岩效果较差，岩层被磨成粉状随改良剂排出，易在仓内和螺机口沉积，加之螺旋输送机已在长距离掘进岩层的过程中发生磨损，粉末状渣土不易排出。若改良效果不好，随着时间的积累，在螺机出渣口顶部形成拱形，进而造成螺旋输送机排渣困难。

4. 施工技术措施

4.1施工掘进参数控制

在硬度较高岩层按高转速原则选取参数，提高掘进速度；根据扭矩来选择总推力的大小以及贯入度的大小，一般扭矩不宜超过3000kN∙m，总推力宜选择控制在2000T以内，若参数超过控制值，需要立即开仓检查。

刀盘转速：在全断面硬岩地层中刀盘转速遵循“高转速” 原则，以利于破岩，转速控制在2.0-2.4r/min；

总推进力：全断面硬岩地层中推力控制在800-2000T，并根据扭矩、贯入度进行调整，推力过大易造成刀具异常损坏、管片破损等情况；

刀盘扭矩：2000-3000KN∙m，在极硬岩地层中，为避免刀具异常损坏，扭矩控制值应适当降低，扭矩波动控制在800KN∙m以内

推进速度：8-35mm/min；

贯 入 度 ：4-18mm/r，根据全断面硬岩地层的完整性及强度进行调整，过大或过小都易造成刀具偏磨。

4.2刀具配置优化

在硬岩地层刀具选择，一定要结合刀具的使用寿命、刀具的使用效率（开刃情况）、掘进时刀盘的贯入度、地层硬岩强度等去综合性分析选择刃宽、刀圈强度、刀圈启动扭矩、刀具最大承受力等参数。六中区间施工前期中采用了18寸22mm刃宽刀具，刀圈硬度HRC55~60，刀具启动扭矩20~30N.M，当硬岩强度低于120MPa时，刀具使用寿命较长，边缘刀平均每8~10环更换一次，但超过150MPa硬岩时其开刃效果较差，往往1环后需要进行换刀。紧接着采用了刃宽19mm全圆弧顶的滚刀，刃角为20°，破岩效果虽有好转但仍不理想，最后将19mm全圆弧顶滚刀刀圈改为了19mm的120°楔形顶刀圈，缩短了掘进时间，提高了施工效率约掘进2-3环更换1次刀具。

刀具改良后在 3mm 的贯入度下，19mm圆弧顶的刃形其与岩面接触长度为 15.4mm，而改进后的滚刀与岩面接触长度仅仅为12mm，减小了刀圈的刃口宽度，如下图所示，更有利于切入岩石，避免刀圈在岩石表面干磨，使得刀圈在相同的推力和贯入度下可以快速切入岩石内，从而达到破岩的效果，提高了掘进效率。

图2.优化前后刀具对比图

4.3建立刀具检查、更换制度

硬岩地层中施工除了选配适应当前地层的刀具，还应该注重刀具管理，建立定期和不定期刀具检查制度以及刀具更换制度。

（1）刀具检查内容：包括刀具磨损量、刀具是否存在偏磨、螺丝是否松动、刀盘是否出现裂缝、牛腿是否有裂缝、刀箱是否变形、刀盘耐磨层是否磨损过量等。刀具检查完成以后做好刀具磨损记录，形成大数据，便于分析刀具使用情况并制定有效措施。

（2）定期检查刀具制度：根据所掘地层对刀具的损耗特性，每掘进1环进行刀具检查，通过检查对照刀具变化，决定是否进行换刀，减少刀具的大批量异常磨损情况；在掘进时间超过300分钟时每环至少检查两次刀具，并进行全盘复紧螺栓。

（3）不定期刀具检查制度：当盾构机推力超过200t，且掘进速度小于3mm/min，铰接压力持续增大；刀盘扭矩持续大于4000kn.m，渣温高于40℃，且有持续升高趋势；有出现刀具磨损、刀盘固结泥饼时，根据以上施工参数综合判断，立即开仓检查刀具。

（4）刀具更换标准：正常磨损情况下更换标准：边刀磨损量为8-10mm，正面刀和中心双刃刀磨损量在18-20mm。此时刀刃变宽，其冲击压碎和切削岩层能力降低，盾构掘进时推力和扭矩会相应增大，从而加大盾构液压系统和电机载荷，影响掘进效率。非正常磨损情况下刀具更换标准：刀圈刀具崩裂或脱落、轴承损坏、刀具润滑油泄露等，一但刀具故障，会加重相邻刀具挤压切削岩石的负荷，造成刀具大范围损坏。相邻轨迹刀具刀高差超过5mm，也要考虑更换刀具。

（5）压块、螺栓复紧：开仓过程中发现的压块、螺栓掉落或松动，在每次换刀完成后，都要对整盘刀具进行复紧，使用钢筋对螺栓进行焊接，防止螺栓松动，并在掘进50cm后对其进行二次复紧。

4.4碴土改良控制

硬岩岩渣的流塑性和和易性不高，渣土改良主要以水和泡沫为主，以提高渣土的流塑性，使切削下来的碴土顺利快速进入土仓，保证螺旋机出土畅通；同时考虑在硬岩地层中掘进温度较高，需适量增加水的用量，以降低刀盘和刀具温度，起到润滑刀盘刀具的作用，提高掘进效率。在掘进中应尽快排空土仓，土仓排的越干净，对减少刀具的二次磨损、土仓降温、稳定刀盘扭矩、增加掘进速度都能起到明显作用。在掘进过程中应及时检查和疏通泡沫管路，并保证泡沫的发泡效果。

4.5盾构姿态控制

盾构司机应根据导向系统反映的盾构姿态信息，结合隧道地层情况，通过分区操作盾构机的推进油缸来控制掘进方向。在直线平坡段掘进时，则应尽量在盾构保持抬头的前提下使所有油缸的推力保持一致。发现偏差时应及时逐步纠正，不要过急过猛地纠正偏差，人为造成管片环面受力不均匀，每环管片纠偏量不应大于每环3mm。

5结语

在全断面硬岩中采用敞开模式掘进，掘进施工中控制扭矩是控制参数的关键，过程中结合地质情况严格控制盾构掘进参数，并在施工过程中通过参数反馈，分析地层变化情况，进行参数实时优化，保证施工的质量。

参考文献

[1].王建国.盾构穿越全断面硬岩及上软下硬地层施工探讨[J].低碳世界，2020,10（11）:161-162