长距离硬岩掘进中部分易出现的问题及对策

长距离硬岩掘进中部分易出现的问题及对策
赵向东
摘要：长距离硬岩地层中的掘进管理是盾构法隧道施工中一项非常重要的工作。所采取的施工措施是否适当对盾构掘进的顺利开展起着至关重要的作用。本文就长距离硬岩掘进中容易遇到的部分问题及解决措施进行分析介绍，为类似工程提供参考。

关键词：长距离硬岩掘进 管片上浮 刀具检查及更换 卡壳 盾构机姿态
概述
当前，盾构法施工已广泛应用于软土地层和复合地层中修建地铁隧道,尤其是广州、深圳的复合地层可能遇到各种土类、岩类及其混合类。它对提高地铁建设的速度、保证施工作业安全及施工质量发挥了关键性作用，同时又具有对周边环境影响小的优点。
相对于在软土地层的施工，硬岩段盾构施工是一个相当大的挑战。长距离硬岩掘进在近几年的盾构施工中日益增加而变得较为普遍，比如广州市轨道交通3号线【市桥站北站~番禺广场站】盾构区间550余米全断面微风化花岗岩<9H>隧道的施工，其中岩石天然单轴抗压强度最大值达161MPa；广州轨道交通4号线大学城专线(仑大盾构区间) 有300多米〈9Z〉微风化混合岩的硬岩段；广州市轨道交通5号线【员村站~车陂站】盾构区间400余米全断面微风化变质岩<9Z>隧道的施工；广深港客运专线ZH-4标【益田路~福田路站】盾构区间600余米花岗岩弱风化带隧道的施工，岩石天然单轴抗压强度最大为153.5MPa，平均值为70 ～80MPa。
对于硬岩段盾构掘进施工而言，与岩层特性相适应的盾构机设计、掘进参数设定、及时检查和更换刀具等，是影响盾构施工成本、施工进度与盾构设备状态的重要因素。
本文结合过往硬岩施工中获得的经验，就长距离全断面硬岩地层中施工中容易遇到的问题做出分析，并提出针对性处理措施。
硬岩掘进中部分常见问题：
管片上浮超限
20XX年X月X日, 某区间测量人员在例行的管片姿态监测中发现成形隧道管片在1日内向上明显浮动,造成相邻管片严重错台。随即采取措施应对并连续监测，最终的管片垂直偏差如下图所示。
 

 

1.1管片上浮的原因分析
1.1.1 刀盘开挖直径大于管片外径，造成的建筑空隙未及时填充
 

 

在硬岩地层中,由于隧道围岩本身的自稳性极好，因此在尾刷过后管片上方很少会产生地层损失，拱顶土体很难塌落到管片上，不会像软土地层产生收敛而约束管片可能的位移。这样在管片脱出盾尾后, 如果不及时充填此空间,管片外部非常稳定的建筑空隙便会极大地增加管片移动的可能性,从而使脱出盾尾的管片便处于无约束的状态。
1.1.2 单液浆产生的浮力和硬岩段裂隙中丰富的地下水产生的浮力
在盾尾同步注浆过程中，由于浆液失去流动性需要一定的时间，因此注浆时隧道上部的砂浆会在失去流动性前逐渐向下部流动，形成下部浆液多而上部浆液少的状况，引起隧道上浮。此外，在地下水丰富地段，除砂浆外还会有一部分地下水利用管片与围岩间的水力通道积聚在管片底部引起管片上浮。另一方面盾构机的重量主要集中在前盾{切口环和支承环)，由盾尾至后配套台车间一段衬砌(约9～10环管片)基本无压载，管片脱出盾构后失去了约束。假设管片漂浮在水中，以水的比重计算1环管片所受的浮力表明：不管是常用的Φ6m管片还是Φ12.7m管片，其所受的水力都远远大于管片的自重。由此可知,隧道管片在全断面地下水(或水与单液浆的混合液) 中,隧道管片本身就有明显上浮的趋势。
 

 

某区间管片上浮地段地质纵剖面
1.1.3 当区间线路一直为下坡时,为了盾构机栽头和纠偏需要,在掘进时下部千斤顶一直高于上部,使得管片长期受到1个向上的径向分力,这也是导致管片上浮的一个重要因素之一。
1.2 对管片上浮控制及处理措施主要有：
1.2.1 选择适当的注浆浆液及方法。解决管片上浮问题实质上是同步注浆稳定管片与管片上浮在时间上的竞赛。比较理想的注浆方法应是盾构沿轴线掘进，注浆浆液完全充填施工间隙并快速凝固形成早期强度，隧道与周围土体形成整体构造物从而达到稳定。根据多个工区的施工经验，盾构上部两注浆孔的注浆量明显大于下部两孔位的浆量，有时甚至下部可以不注浆以减小管片的上浮量。
1.2.2 脱出盾尾管片二次补浆。由于窜浆等原因造成的单液浆损失，同步注浆不能完全填充管片外部的施工间隙，所以在管片脱出盾尾一定距离后，及时进行二次补浆。
选用的浆液为双液瞬凝性浆液(一般称为水泥-水玻璃双液浆)。根据以往经验，可选用的双液浆配比：水泥浆液水灰比为0.8：1（质量比），水玻璃溶液配比为水玻璃：水=0.6：1（体积比），水泥浆液：水玻璃溶液=1：1（体积比）。
1.2.3 控制掘进速度。如果同步注浆过程中，浆液不能达到及时有效地固结和稳定管片时，应适当控制盾构掘进速度，一般以缓推为宜。确保管片脱出盾尾时形成的空隙量与注浆量平衡，尽量避免注入的浆液被水稀释而降低浆液性能。
1.2.4 合理控制盾构机推进高程。在隧道推进中，根据统计的管片拼装后上浮经验值，将盾构机推进轴线高程降至设计轴线下几个厘米，以此来抵消管片衬砌后期的上浮量，使隧道中心轴线近可能地接近设计轴线。
管片上浮后的处理比较难，一般可尝试在隧道底部打开注浆孔泄压，释放管片底部的注浆浆液，然后对已上浮的管片通过注浆孔进行二次注浆。注浆材料以双液浆为最好，注浆压注顺序应顺着隧道坡度方向，从隧道拱顶至两腰，最后压注拱底。终止注浆以打开拱底注浆孔无渗水或漏浆为条件，以防止盾构恢复掘进后管片继续上浮。对于上浮段长、上浮量大、超限严重的隧道，只有进行设计调坡才能满足隧道限界的要求。
刀具损坏频繁
2.1 刀具损坏原因分析
首先来看一下刀具破岩的原理：当岩石受到外力作用时，在其变形很小的情况下，在其内部产生从多的微观裂纹，并逐渐形成数条可见的宏观裂纹，一旦岩石的受力超过其临界状况时，宏观裂纹便扩展到岩石表面而最终形成破碎体，从而显示出断裂的性质。
滚刀压入岩石之后，盾构机的强大推力通过刀刃，集中施加于岩石，由于刀刃有一定角度的刃角，从而使刀刃下的岩石处于三向受力状态，由于接触应力很大，超过了岩石的极限强度而被破碎。
2.1.1掘进中因围岩的强度大，反作用力导致刀具受到极大震动，刀具压块固定螺栓在刀盘快速转动的情况下松动，导致刀具在刀槽中晃动，致使刀圈受力不均，出现刀圈崩裂、偏磨，甚至刀具脱落，掉入土仓。

2.1.2 掘进参数不好，如刀盘工作扭矩过大；掘进速度不稳定，刀具切入量时大时小，导致刀圈受力变化过大而受损。

2.1.3 刀具检查不及时
2.1.4 土仓内积累大量石渣，增加了刀具在仓内的二次磨损。
2.1.5 发泡剂和工业水的注入量不足，导致刀圈润滑不足，刀圈表面温度过高。
2.1.6 盾构机姿态调整过急，千斤顶推力分布不均，使得某一侧刀具集中受力。
2.2 刀具损坏预防措施
2.2.1 严格按相关安装标准安装刀具。每次换刀后，安排专门人员对刀具安装情况，如螺栓紧固，进行复检，对发现的问题及时处理。
2.2.2 在硬岩掘进中必须勤检查刀具。有条件时每掘进完一环得用拼装管片的时间，由专门人员入仓复紧刀具螺栓和观察刀具受损情况，并及时更换新刀和调换刀具(不同位置的刀具磨损受力也不同)，尽量减小刀与刀之间的高低差。
2.2.3 掘进中发现扭距过大、速度过快时，必须及时降低刀盘扭矩，减小掘进速度。刀盘转速控制在≤3rpm以下，刀具切入量控制在5～10mm/min。
2.2.4 掘进时应出空土仓内渣土，开仓掘进并应适宜增加使用发泡剂和工业水的注入量，以降低刀具的温度,延长刀具密封圈的寿命。
2.2.5 逐渐调整盾构机姿态，避免姿态的急速改变。
盾构机壳体被围岩卡住
20XX年3月13日，某盾构区间右线1578环掘至S=400时，掘进困难，于是停机检查刀具，更换滚刀12把（正面滚刀7把、边缘滚刀5把）后，恢复推进，当换刀后第3环（1580环）推进至千斤顶行程S=400mm时，盾构机推力及速度异常出现明显异常，盾构机推力达到2000t，刀盘扭矩60～80bar，掘进速度仅2～3mm/min，故再次停机进行刀具检查，14日更换2把滚刀后恢复掘进，但掘进依然十分困难，继续推进300mm（千斤顶行程S=700mm）后停机检查刀具，发现刀盘边缘滚刀磨损严重，并且由于开挖轮廓缩小，盾构机切口环外侧密贴周边围岩，切口环端部已被欠挖的前方岩体阻挡无法继续前进。
3.1 盾构机卡壳原因分析
刀具检查和更换不及时，边缘滚刀磨损严重，导致开挖轮廓缩小，盾构机切口环外侧密贴周边围岩。当开挖轮廓小于盾壳的初期仍可通过增大推力继续掘进，但再掘进一定距离后切口环端部便会被前方岩体箍紧而发生“卡壳”事故。
3.2 盾构机卡壳预防措施
硬岩掘进中，对边缘滚刀的检查和更换是工作中的重中之重。对边缘滚刀一定要勤检查，勤更换，必要时指定专人跟踪。
3.2.1 保持掘进过程每把滚刀的完好性。如果其中一把滚刀损坏势必影响其它滚刀寿命，必须及时调换。特别要注意边缘滚刀的损坏情况，最好做到每环都进行检查，对磨损超限的刀具一定要做到及时更换。不同型号的盾构机滚刀的允许磨损量不同，以德国海瑞克φ6.28土压平衡盾构机为例，当正面滚刀的磨损达到25～30mm时，边缘滚刀磨损达15mm时，就应更换，否则刀盘的超挖量将不足，引起盾构卡壳发生。
3.2.2 密切注意盾构掘进过程中参数的变化，如盾构机推力、刀盘扭矩及掘进速度等参数的变化情况，切忌盲目追求进度，当参数出现异常，如推力增大、掘进速度明显降低、刀盘扭矩波动较大时，必须及时停机进行刀具检查。
3.2.3 掘进过程要尽可能的采用低土压、低推力、高刀盘转速的掘进参数，同时要注意发泡剂、水或膨润土溶液等添加剂的使用，这样可以有效的降低刀盘扭矩，改善滚刀转动性能，减少刀具受损，从而提高盾构掘进效率。
3.2.4 严格控制盾构机姿态的变化，保证开挖面和刀盘面的平行，绝对禁止急纠猛调。
移站前后盾构机姿态变化大
200X年6月5日，某工地完成右线202环后，测量人员进行移站，发现测量托架的坐标和上次移站时有很大变化。重新测量各控制坐标并启动导向系统后，界面上显示的盾构机前点竖直偏差由-12变到-67。
 

 

参考文献：
1、 海瑞克、三菱盾构机刀具使用安装要求
2、 张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道，2004，21：817～866
3、李茂文，刘建国等，长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究
 

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