極硬巖盾構隧道掘進施工技術探究

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[摘要]針對硬巖巖石強度平均134MPa，最高達到264MPa的施工難點，對選用的土壓平衡復合盾構進行技術改造升級及合理配套，效增強了抗沖擊性和耐磨性，同時對掘進過程中盾構掘進參數變化的原因進行分析，總結出硬巖巖石強度平均134MPa，最高264MPa高強度全斷面極硬巖盾構隧道掘進最佳參數控制范圍，有效避免了盾構機卡殼、卡螺旋機抱死、刀盤抱死或者嚴重磨損刀盤等不良現象的發生。

[關鍵詞]盾構；掘進；高強度；全斷面；極硬巖；施工技術

近年來，隨著社會不斷發展，越來越多的軌道交通建設在大規模進行，目前土壓平衡盾構在黃土、淤泥質軟土、砂層、砂卵石地層中掘進技術已較成熟，形成了大量結構設計計算理論和工程實踐體系，但盾構在巖石強度達到120～150MPa的全斷面硬巖地層中掘進經驗尚淺，在盾構掘進過程中，容易發生盾構卡殼、卡螺旋機抱死、刀盤抱死或者嚴重磨損刀盤等不良現象，對盾構掘進施工影響極大。

1工程概況

濟南市軌道交通R2線一期土建工程施工四標段寶華街站～長途汽車站區間，右線全長992.741m，左線全長998.042m，隧道埋深約9.6～12.3m。寶長區間共計穿越18處建、構筑物及1處河道，硬巖巖石強度平均134MPa，最高達到264MPa，施工難度非常大。

2高強度全斷面極硬巖掘進施工特點

1）針對硬巖巖石強度平均134MPa，最高達到264MPa的施工難點，對選用的土壓平衡復合盾構進行技術改造升級及合理配套，將刀盤結構進行優化（圖1），采用六輻條刀盤，中心刀刀座采用TBM刀座（圖2），刀圈采用新型LD高強韌性新型模具鋼材質，有效增強了抗沖擊性和耐磨性；增強滾刀配置，設置18寸中心雙聯滾刀6把，18寸單刃滾刀37把，10孔重型邊刮刀24把，8孔重型正面刮刀43把，同時在刀盤扭腿兩側增加側板、環梁兩側增加筋板、刀盤增加一整圈環筋的方式進行加固，保證了刀盤的整體強度和剛度。2）對刀盤的耐磨性進行優化，刀盤面板和外周增設Hardox耐磨板（圖3），刀盤整體耐磨性能得到有效提高，同時研究應用了刀盤磨損檢測裝置（圖4），使用前將液壓式磨損檢測系統安裝在刀盤上，盾構掘進過程中，隨著刀盤磨損程度的增加，液壓系統壓力逐漸下降，達到警戒值時，發出報警信號，及時提醒盾構操作人員，確保施工安全。3）對18寸單刃滾刀刀具進行優化，采用刀圈、刀轂一體化整體式滾刀結構（圖5），刀刃采用上口25mm，下口76mm的錐形結構，刃口頂部增加圓頂倒角R6°（圖6），有效增加了刀具破巖能力，提高刀具貫入度，提升掘進效率；刀轂和端蓋采用“重型”尺寸設計，刀轂壁和端蓋外壁進行加厚設計，最大限度地增加了刀體的綜合耐磨損性，有效地減小換刀頻率。4）刮刀刀刃采用3排大尺寸耐磨硬質合金，刀頭帶5°尖角結構，同時采用雙排螺栓緊固使刀體受力更加均勻。

3工藝流程及關鍵技術操作要點

3.1工藝流程

高強度全斷面極硬巖盾構隧道掘進施工工藝流程如圖7所示。

3.2刀具檢查和更換

觀倉人員每推進10cm進倉檢查刀具及掌子面情況，并進行刀具螺栓復緊，發現刀具損壞時，要及時更換刀具，新安裝刀具要及時進行復緊。

3.3盾構掘進方向精確控制

1）在盾構始發的時候，需要經過人工測量為盾構編輯盾構初始位置參數。2）盾構姿態初始測量內容應包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾動角及切口里程。3）在掘進到隧道中間和貫通前一兩百米進行盾構姿態測量，與當前導向顯示姿態對比，確保當前顯示姿態的準確性。

3.4掘進模式選擇

土壓平衡盾構在全斷面極硬巖地層時，選擇采用敞開模式進行隧道掘進。

3.5渣良

高強度硬巖地層盾構掘進時，利用泡沫系統，同步適量注入低濃度泡沫（加入比例為5%～10%，平均每環用量為40～50kg），冷卻和潤滑刀具，降低土倉溫度。

3.6盾構掘進參數選擇

高強度全斷面極硬巖盾構隧道掘進最佳參數控制范圍：總推力12000～13000kN;扭矩1400～1600kNm，掘進速度2～3mm/min，貫入度3～4mm/r，轉速1.8～2.0r/min。

4結語

通過高強度全斷面極硬巖盾構隧道掘進施工技術的研究與應用，對選用的土壓平衡復合盾構進行技術改造升級及合理配套，將刀盤結構進行優化，有效增強了抗沖擊性和耐磨性；保證了刀盤的整體強度和剛度，刃口頂部增加圓頂倒角R6°，有效增加了刀具破巖能力，提高刀具貫入度，提升掘進效率；總結出高強度全斷面極硬巖盾構隧道掘進最佳參數控制范圍，有效避免了盾構卡殼、卡螺旋機抱死、刀盤抱死或者嚴重磨損刀盤等不良現象的發生，對今后同類型工程具有切實的指導意義，推廣應用前景廣闊。

[參考文獻]

[1]閆建誠．土壓平衡盾構全斷面硬巖施工技術[J]．施工技術，2014，43(9)：127-130．

[2]楊梅．全斷面硬巖地層盾構掘進問題分析及解決措施[J]．鐵道建筑技術，2015，(5)：54-57．

作者:方治綱 單位:中鐵三局集團第五工程有限公司