全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理

全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理

张小锋

澄合山阳煤矿有限公司 陕西省渭南市 715200

摘要：盾构施工中，全断面硬岩地层的掘进存在刀具磨损严重、更换频繁、管片易破损等问题，严重影响工程成本，制约工程质量。基于此，本文详细探讨了全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理。

关键词：全断面；硬岩；盾构；掘进

一、盾构配置情况

某工程盾构区间线路总长16.65双线km，其通过地层基本上以砂质泥岩和砂岩为主。全线地表出露地层较简单，由人工填土、粉质黏土、砂岩和砂质泥岩组成。沿线地下水可划分为第四系松散层孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水，水量差异大。

中铁9台盾构和罗威特(LOVAT)2台盾构的主驱动均为变频电机驱动，其铰接方式为欧美盾构惯用的被动铰接式。

为防止在全断面硬岩掘进中盾构出现大的滚动，中铁盾构在前盾盾壳顶部安装了2个液压油缸撑靴稳定器，在7台大功率盾构的前中盾下部又增加了8个液压摆动油缸。其思路是:在硬岩掘进岩层不能给盾体提供足够的扭转阻力时，将稳定器支撑在径向开挖面上随盾体向前移动；稳定器与盾体底部及上部与开挖面的接触点一起形成一个三角形支撑结构，撑靴油缸可吸收主机传来的振动，同时对刀盘振动形成半刚性约束，减少刀盘的振动，增大盾体与开挖面的摩擦力以获得更大反扭矩，减少盾体由于刀盘扭矩引起的滚动。

二、盾构掘进中的问题

1、中铁盾构出现的问题

1)中心刀异常损坏。损坏的中心刀无法正常拆卸，大多只能采取气体割除的办法拆除。中心刀的异常损坏一般多发生在300～500环，为多把集中损坏。随着后期刀具管理的加强，中心刀异常损坏现象已呈减少趋势。中铁20号盾构因其所处地质状况好(主要为砂质泥岩)，中心刀未出现异常损坏；中铁27号盾构掘进仅1个多月时间，未显示中心刀异常磨损；其余7台盾构中心刀均有不同程度异常磨损。

2)滚刀压块脱落。滚刀压紧块螺栓断裂或松动，压紧块移位，从而失去压紧刀具功能，导致滚刀楔形块移位或丢失，滚刀刀圈变形，刀具难于拆卸，严重时造成刀具损坏。

3)卡盾。一种情况是由于注浆加固停机时间长，盾尾被水泥砂浆包裹造成卡盾，经处理较容易脱困；另一种是盾壳被岩体卡住，停机处理时间长、费用高。1台盾构在直线段被卡，采用矿山法处理45d脱困；；另2台在650m曲线上被卡，采取多种措施后1台脱困，另1台采用矿山法处理50多d才脱困。对盾构卡盾的原因有不同看法，一种是刀盘开挖直径不够，另一种是换刀不及时;另外，当出现卡盾迹象时调向纠偏过猛也会造成卡盾。

4)筒体和螺旋轴叶片磨损。一台盾构掘进952环，螺旋输送机底部第2节法兰后20mm左右的位置出现了10cm×3cm的破损面；另一台掘进935环时发现螺旋输送机基本不出土，只出水，土仓内土压逐渐增大。清理土仓后发现螺旋输送机轴叶片磨损严重，耐磨层基本磨损，特别是土仓中的螺旋输送机轴叶片磨损更为严重。

2、罗威特盾构出现的问题

1)轴叶片磨损。罗威特L247盾构掘进完成中心右线后，螺旋输送机轴叶片出现了较严重的磨损(磨损情况好于中铁盾构)。

2)设计缺陷。液压系统漏油严重、修理困难，管片安装机抓举头抓举不牢。

3)马达多次发生故障。在掘进中，罗威特L246盾构螺旋输送机马达7次损坏，最严重的掘进7环就损坏。其中1次与液压油污染有关，1次与螺旋输送机驱动齿轮磨损有关。

三、全断面硬岩盾构掘进需注意的问题

1、树立新的理念。要按全断面硬岩掘进理念管理使用盾构。施工初期，对盾构在全断面、长距离硬岩地层中掘进认识不足、准备不充分，特别是还未树立全断面硬岩盾构掘进理念，仍按传统土压平衡盾构掘进理念和方法操作使用及管理，故障率高、进度慢。经不断总结经验教训，充分理解该地区的地质特点，在全断面硬岩情况下，按硬岩掘进工况要求和掘进理念指导、管理和操作盾构，使施工得以顺利进行。按硬岩掘进理念管理使用盾构，既包括加强刀具管理、合理选择掘进参数、仔细控制盾构姿态，又包括同步注浆控制和管理。盾构在全断面硬岩中掘进，地表不易发生坍塌和隆起，这与在软土或软硬不均地层中掘进地表变化情况有较大不同，对同步注浆要求也不完全相同。因此，要合理确定注浆量和注浆压力等主要参数，并根据硬岩地层情况选择和调整浆液质量以达到最佳，否则，盾构姿态也会因注浆出现问题，造成卡盾或管片错台、破损，影响施工质量。牢固树立硬岩掘进理念，对防止盾构卡盾尤为重要。

2、合理选择掘进参数。合理的掘进参数对保护刀具、确保盾构顺利推进非常重要。在软岩施工中，往往采用大推力、低转速、大贯入度。在全断面硬岩中，要采用提高转速、降低推力、减小贯入度的方法进行盾构推进。在硬岩情况下，总推进力过大，易造成刀具过载，发生刀具轴承、刀圈等异常损坏；贯入度过大，易造成刀具受轴向力增大，发生因密封漏油导致轴承损坏、刀圈移位或断裂等异常损坏。要根据地层情况，合理选择总推进力，确保刀具不过载；同时要合理选择刀盘转速。

3、严密监控盾构姿态，谨慎进行盾构纠偏。严格控制盾构姿态，尽量保证盾构沿直线掘进，避免盾构掘进方向出现大的变化和调整，正常掘进时盾构竖直和水平方向姿态的调整量不超过6 mm/环。推进过程中特别要关注掘进姿态和盾尾铰接压力变化，铰接和盾尾应处于正常的浮动状态，铰接油缸压力应控制在10 MPa以下，铰接油缸行程应控制在80mm以内，其行程差应控制在20mm以内。掘进中若盾构总推力，特别是铰接压力和行程有逐步增大趋势时，应及时分析、调整掘进参数，通过收放铰接油缸调整铰接压力及行程差来控制盾尾姿态，必要时开仓确认保径刀磨损量。在硬岩掘进中，当边刀磨损5～8mm后，盾构会出现卡盾和转向困难趋势，要注意换刀。在曲线段掘进时尤其要注意铰接释放量，使盾尾姿态尽可能与曲线半径相吻合。盾构姿态发生变化需调整或纠偏时，调整幅度要适当，每环纠偏量不要过大，尽量接近理论纠偏值。

4、切实加强刀具管理

1)确保安装质量。更换刀具时，要将安装面清洁干净，刀座、压紧块结合面无损伤；要保证螺栓及螺孔质量；在紧固螺栓时，要对压紧块敲击震动，确保安装到位；螺栓紧固要保证紧固力矩。对于刀盘外围刀具，特别是44、43号刀具，若其压紧块表面有1mm颗粒存在或刀具安装不到位造成1mm间隙存在，将减少盾构开挖半径约3mm。

2)及时检查。由于进入砂岩地层，岩石强度普遍为40～70 MPa，刀具磨损速度较泥岩地层加快，应缩短刀具检查的间隔时间；换完刀具掘进第1环后开仓检查刀具螺栓、压块等情况，发现问题及时处理，刀具螺栓松动后重新安装时要注意结合面的清洁；每掘进15环或每天进行刀具检查。桔检查间隔时间长，一旦发生螺栓失效，将导致刀具产生移位或晃动，并在振动和冲击作用下，进一步损坏刀座和压紧块，从而使刀具安装配合面受到损坏，以至于发生连锁反应，导致后期刀具大面积出现问题。

3)严格控制刀具磨损量。为确保盾构开挖直径，需密切关注保径刀磨损量，盾构通过直线段或大半径曲线段时，44号刀的最大磨损量不得超过10mm；盾构通过小半径曲线段时，应更加注意保径刀磨损检查，该刀最大磨损量不得超过8mm。若地质情况稳定时，每天应检查一次外围刀具的磨损量。在更换44号保径刀时，需同时更换与其相邻的43、42号等过渡刀，以保证44号保径刀的工作环境。

参考文献：

[1]张勇智.硬岩隧洞掘进机(TBM)刀具的管理[J].现代隧道技术，2015(03)．

[2]康宝生.全断面硬岩条件下的盾构掘进与管理[J].隧道建设，2015(01)．