含孤石黄土地层盾构施工技术

含孤石黄土地层盾构施工技术

郝 立

（中铁五局电务城通公司 长沙 410205 ）

摘要：依托西安地铁九号线大学城~疗养院区间盾构隧道工程，针对含孤石黄土地层盾构施工刀具刀盘易磨损、结泥饼、卡机频发等问题，提出了该地层盾构孤石微动探测、刀盘刀具改造、控制掘进及孤石处理等施工技术，保障了盾构快速安全掘进，相应成果可为后续类似工程提供参考与借鉴。

关键词：盾构；孤石；黄土地层；刀盘改造

1 引言

西安地区黄土地层分布较广，黄土具有饱和性、流塑性、湿陷性等特点^[1,2]，盾构机在黄土地层掘进时，刀盘易产生“泥饼”、“糊刀”现象。因此，黄土地层盾构选型须选用软土刀盘且刀盘开口率应大于50%^[3]。盾构机原状软土刀盘可满足黄土地层中的掘进施工，但在含大粒径孤石黄土地层，须在原有刀盘的基础上进行针对性改造。含孤石软土地层盾构施工技术方面，已有众多学者进行相应的研究。从孤石的形成机理及工程特征进行分类，黄土地层的孤石属于沉积层孤石，由冲积或洪积形成，具有极大的偶然性和离散性^[4]。通过既有研究调研发现，现有研究主要倾向于滚刀刀盘过孤石段的施工技术^{[5] [6]}，对于以黄土为主的地层只能选用软土刀盘情况下，缺少针对性措施。因此本文依托西安地铁大学城-疗养院盾构区间工程，系统地论述了软土刀盘在含孤石黄土地层中的掘进施工技术，可为后续类似工程提供借鉴。

2 工程概况

西安地铁九号线大学城-疗养院盾构区间左线855m，右线全长858m，采用中铁装备盾构机，掘进里程110环-225环为含孤石段。孤石在该区间夹杂在粗角砾土地层中出现，充填物为中粗砂及少量粘性土，其母岩成分为花岗岩、石英岩等，磨圆度较差，呈棱角～次棱角状，最大粒径可达80-100cm，一般20～40cm，单轴抗压强度在30～60MPa之间。，

3 微动探测

由于地面交通繁忙，地质钻探探孔不是在隧道正线上钻设，地勘报告只能初步确定隧道洞身范围内的地层情况，不能准确判断孤石情况。基于微动探测法对区间孤石情况进行探查，根据微动视横波速度（图1），可以看出大疗区间地层层状特征较为明显，对照地勘资料并进行视横波速度标定，首先推断画出含砾地层，对含有孤石的地层的孤立高速闭合异常区，且速度相对周围土层高出50%，推断解释为孤石，并根据孤石情况划分盾构掘进时的安全区、警示区、高风险区。

图1区间右线微动探测成果

4 刀盘改造

4.1刀盘原状

中铁100#盾构机的刀盘结构形式为辐条+面板，主要由四个主刀梁、四个小刀梁及外圈梁组成，外圈圆周焊有耐磨合金块。刀盘开口率约50%，刀具配置为鱼尾刀1把，高度350mm，撕裂刀30把，高度140mm，刮刀116把，高度120mm，100mm，保径刀8把，伸出量70mm。为确保盾构顺利通过粗角砾土地层，对左右线刀盘、刀具加强。具体方案为刀盘主梁、圈梁结构的刚度和强度加强；增加焊接重型撕裂刀、保径刀。

4.2刀盘加强方案

刀盘加强具体措施包括：增加大圆环的强度，对大圆环进行加厚处理(大圆环增强板材质选用Q345B，厚度为40mm)，大圆环总厚度为140mm。由外往内第二圈圆环进行加厚处理（增强板材质选用Q345B，厚度为30mm）。

图2 刀盘大圆环加强方案

增加焊接撕裂刀数量，在原有轨迹上新增加焊接撕裂刀布置为：S9增加3把，S11增加4把，S14增加3把，S10、S12、S13、S15各新增2把，共增加18把，焊接撕裂刀总刀数为48把。将原有的保径刀刨除后，增加8把保径刀，保径刀总计16把，保径刀位置按新的布置轨迹重新定位焊接。

4.3.1撕裂刀加强

撕裂刀为第一层刀具（稍低于中心鱼尾刀），高于切刀和边刮刀，可先行将开挖掌子面划散，然后由下层切刀、边缘刮刀将开挖渣土刮削至土仓，起到保护下层刀具的作用。撕裂刀耐磨性能直降影响到整盘刀具的使用寿命，因此刀具配置形式应主要为撕裂刀形式加强。对刀具形式进行优化，加大刀具合金尺寸，增强刀具的耐磨性，同时大合金块耐撞击性能提高，可以有较好的适应性能，优化后撕裂刀采用原刀盘位置及其与轨迹添加。

图3 焊接撕裂刀

1）加强型撕裂刀特点：

①采用尖角形式大块合金，可有效的切入掌子面，提高掘进效率，增加刀具耐磨性，同时大合金采用圆角过渡形式，保证了刀具合金的耐撞击性能；

②主合金两侧采用母材包裹形式，增加主合金的焊接面，可保证刀具的耐撞性，同时刀具外周焊接耐磨层，可更好的保护刀具母材，防止刀具中间断裂。

③中间虽采用尖顶形式，但角度相对较小，在减小刀具贯入阻力的同时，保证刀具合金与掌子面具有较大的接触面，保证刀具的耐磨性。

2）轨迹布置为（图4）：

R870~R1450轨迹，共5个轨迹，每轨迹2把（S1~S5），共10把；R1595~R1895轨迹，共3个轨迹，每轨迹3把（S6~S8），共9把；R2030~R2900轨迹，共7个轨迹，每轨迹4把（S9~S15）共28把；共计47把（弧底33把、平底14把）。

3）由于较多刀具接触掌子面会增加刀盘扭矩，因此刀具分2种高度，可以在上层刀具磨损后由下层刀具切削，增加刀具的可磨损高度，同时下层刀具可以起到辅助保护下层切刀、边刮刀的作用。刀具高度为：S1~S5轨迹刀具1把/轨迹高度H160，1把/轨迹高度H140；S6~S8轨迹刀具2把/轨迹高度H160，1把/轨迹高度H140；S9~S15轨迹刀具2把/轨迹高度H160，2把/轨迹高度H140。

图4 刀盘轨迹图

4.3.2保径刀加强

原保径刀形式与撕裂刀形式相同，在大粒径卵砾石撞击下易损坏，不能满足区间地层需要，需要加强。受刀具安装形式影响，刀具长度无法变动，保径刀更换为保径重型撕裂刀，位置不做变化，合金形式与撕裂刀形式一致，增强刀具的耐撞击能力。

4.4搅拌棒加强方案

，进入土的粗角砾及大粒径孤石，经搅拌棒搅拌后，从螺机排出，因此必须加强搅拌棒的强度及数量。原搅拌棒不动，在两侧用3cm厚三角板进行加肋焊接，并在其它主梁上加焊2根搅拌棒。

5 掘进过程

当刀盘前方遇上大粒径孤石，或土仓内卵石沉积时，必须及时准确判断。可从掘进参数的异常变化初步判断。通过盾构机的参数额定值及第一区间掘进黄土地层时的参数统计，制定了报警值如表1所示。

表1 掘进参数设置报警值

掘进过程中，时刻关注参数变化、皮带出土情况、螺机和盾体是否有震动及异响，准确统计每环的出渣量并对渣土进行取样分析。当盾构掘进时，一项参数超出预警值，或多项参数达到报警值的70%且盾构机刀盘、螺机连续出现卡顿，伴有较大振动与异响等其它异常情况，初步确定盾构机已经遇上大粒径孤石，停机检查并马上上报。当排除盾构自身设备故障后，确定盾构机已经遇上大粒径孤石，上报业主、监理，进行常压开仓判断孤石大小及位置。

盾构机掘进大粒径孤石段地层时，推力、扭矩变大，盾体及渣土温度升高，并伴有石头刮擦螺机壁的异响。盾构掘进时，经常出现：孤石卡死螺机出土口，导致出土阻塞；皮带上坡段传送的大石头蹦跳，砸在待拼装的管片上；皮带传动轴被石头压住，卡死皮带传送机等异常情况。根据掘进参数统计，大疗区间左线盾构掘进平均推力12500kN，最大推力为19000kN。平均刀盘扭矩为1900 kN·m，最大为4500 kN·m。采用泡沫剂和注水进行渣土改良，每推进一环注入泡沫剂40L，刀盘打水6m²。

6 刀盘刀具磨损情况

盾构机出洞后，刀盘大部分刮刀边角破损、掉块，改造的重型撕裂刀少量轻微磨损，大部分完好。土仓内一根搅拌棒断裂，且土仓内存在一块长1m、宽0.8m、高0.5m的花岗岩孤石，卡在刀盘面板与土仓隔板之间。

图5 刀盘刀具磨损情况

7结语

针对含孤石黄土地层盾构掘进施工，超前使用微动探测探明了正线隧道的孤石段，并对刀盘及刀具进行改造加强；掘进过程中根据地质及盾构机自身设备情况，合理设定了掘进参数控制值。通过对盾构掘进参数及刀盘刀具磨损情况分析可知，。上述含孤石黄土地层施工技术手段，可有效确保盾构在该地层安全高效掘进，节省工期并降低成本，可为同类地层盾构掘进施工提供借鉴，具有极高的推广应用前景。

参考文献：

[1] 何川, 李讯，江英超，方勇，谭淮. 黄土地层盾构隧道施工的掘进试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013：32（09）.

[2] 高虎艳，邓国华. 饱和软黄土的力学与工程性质分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2012：10（03）.

[3] 彭燕, 纪艳琪. 西安地铁三号线通化门～胡家庙区间盾构选型分析[J]. 科技经济导刊, 2020，28（21）.

[4] 李乾. 地铁盾构法隧道遇孤石工程分类及处理对策[J]. 都市快轨交通, 2012（2）：82-85.

[5] 张恒，陈寿根，谭信荣，赵玉报. 盾构掘进孤石处理技术研究[J]. 施工技术, 2011（10）：78-81.

[6] 古力. 盾构破碎孤石条件及预处理方法[J].隧道建设, 2006，26（S2）:12-13,22.