硬巖地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)探討

劉鵬軍

（西安中鐵工程裝備有限公司 陜西西安 710299）

由于硬巖地層盾構(gòu)機(jī)的工作條件比較特殊，在實(shí)際工作過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)配置要求比較高，作為施工質(zhì)量保證，該項(xiàng)課題的研究，更好地提升盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，通過(guò)相關(guān)的措施，進(jìn)一步優(yōu)化掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)安全、高效生產(chǎn)。

作為地下空間資源開(kāi)發(fā)重要工具之一，盾構(gòu)機(jī)在隧道開(kāi)發(fā)相關(guān)的工程建設(shè)中至關(guān)重要。改革開(kāi)發(fā)以來(lái)，我國(guó)的工程建設(shè)如火如荼，盾構(gòu)機(jī)作為挖掘隧道的專用設(shè)備，其本身質(zhì)量?jī)?yōu)劣越發(fā)影響到成型隧道建設(shè)的工期及隧道質(zhì)量。目前全國(guó)已經(jīng)投入了數(shù)千臺(tái)，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)400億元。其次，我國(guó)在盾構(gòu)機(jī)的研發(fā)中也是取得了舉世矚目的成績(jī)，現(xiàn)已完全形成獨(dú)立研發(fā)、獨(dú)立制造、獨(dú)立生產(chǎn)及獨(dú)立施工的一整套完整的生產(chǎn)鏈條。在一些新項(xiàng)目建設(shè)中，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)能夠?yàn)閲?guó)家建設(shè)提供一己之力，現(xiàn)已走出國(guó)門，面向世界。隨著技術(shù)的越發(fā)成熟，盾構(gòu)機(jī)的發(fā)展也是會(huì)越來(lái)越先進(jìn)，工藝設(shè)計(jì)也會(huì)越來(lái)越精進(jìn)，依然成為高鐵之后的又一張中國(guó)“明信片”。

1 盾構(gòu)機(jī)施工難點(diǎn)分析

1.1 刀具質(zhì)量要求較高

由于硬巖地層地質(zhì)條件的特殊性，要求盾構(gòu)機(jī)的刀具（滾刀）質(zhì)量非常高，刀盤扭矩要求也比較高，一般都采用電驅(qū)。在硬質(zhì)巖層中，刀具配置單刃滾刀較多，單刃滾刀破巖能力強(qiáng)，更換較為簡(jiǎn)單（重量），雙刃滾刀更換較難；刀盤布置刀間距單刃變化也更多等，除此之外，刀具強(qiáng)度太高遇到硬的巖石容易崩刃，使用單刃刀能夠極大地節(jié)約成本。

1.2 工作過(guò)程中的姿態(tài)控制難且容易自轉(zhuǎn)

在硬質(zhì)巖層掘進(jìn)時(shí)，由于地層較為穩(wěn)固，掘進(jìn)形成的隧洞比盾體外徑大，硬巖掘進(jìn)一般都采用空倉(cāng)掘進(jìn)，盾殼底部與形成的隧洞摩擦較小，在施工中由刀盤旋轉(zhuǎn)中形成的扭矩下使得盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行側(cè)轉(zhuǎn)，從而使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)發(fā)生變化，需要操作手時(shí)刻切換刀盤旋轉(zhuǎn)，如刀盤以一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，容易達(dá)到最大轉(zhuǎn)動(dòng)角，使盾構(gòu)機(jī)被迫停機(jī)。

1.3 地下地質(zhì)條件特殊

掘進(jìn)過(guò)程中，硬巖掘進(jìn)可能會(huì)遇到一些地下水集結(jié)的富水帶，水量豐富，掘進(jìn)過(guò)程中很容易出現(xiàn)噴涌。大量的地下水夾雜一些碎石和泥土，從螺旋機(jī)的出口澎涌而出，對(duì)于施工進(jìn)度影響較大，清理時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)可能需要停工處理，甚至?xí)⒄麢C(jī)淹沒(méi)等。大大減低了掘進(jìn)效率，增大隧道施工成本。

1.4 其他影響

在掘進(jìn)全斷面巖層時(shí)，需要增大同步注漿量，進(jìn)而來(lái)補(bǔ)充隧道與盾殼之間的環(huán)縫，而同步注漿不到位時(shí)，造成管片上浮、破損等現(xiàn)象，在一些全斷面巖層掘進(jìn)過(guò)程中，一般采用敞開(kāi)掘進(jìn)，這種掘進(jìn)方式下漿液會(huì)快速到管片底部，使得管片上浮。

2 硬巖地層盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)措施探討

2.1 空倉(cāng)掘進(jìn)時(shí)刻注意巖層的變化

在空倉(cāng)掘進(jìn)的時(shí)候工作人員要時(shí)刻關(guān)注出土的基本情況，由于硬質(zhì)巖層的地質(zhì)條件不均勻，有時(shí)候可能會(huì)出現(xiàn)一些軟土或者夾層之內(nèi)的，這個(gè)時(shí)候需要及時(shí)操作盾構(gòu)機(jī)的基本工作參數(shù)，如果操作不當(dāng)，很有可能造成出現(xiàn)地層沉降或者塌方危險(xiǎn)，在施工前技術(shù)人員要根據(jù)地質(zhì)勘探圖紙分析掘進(jìn)前方地層狀況，隧道頂部如是軟土或是巖層厚度不超過(guò)1m，就要適時(shí)保壓，防止超排渣土。

同時(shí)空倉(cāng)掘進(jìn)也要時(shí)刻關(guān)注富水巖層、裂隙水等涌水相應(yīng)，涌水較大時(shí)，會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行淹沒(méi)，這樣的打擊是致命的。

2.2 加強(qiáng)刀具的管理

在巖層掘進(jìn)過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇合適的刀具，刀具的刀盤布置也是很重要的，如最外圓需要同軌跡盡量布置兩把刀具，增大破巖能力。強(qiáng)度太高很容易導(dǎo)致崩刀現(xiàn)象，強(qiáng)度太低也是容易造成磨損發(fā)生。就連刀具連接螺栓也是至關(guān)重要的，一般常采用強(qiáng)度適中的10.9級(jí)螺栓連接。而加強(qiáng)刀具的管理，保證能夠及時(shí)的更換和保養(yǎng)。在巖層掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀具的磨損較快，導(dǎo)致刀具的更換周期較短，所以，在一般的施工現(xiàn)場(chǎng)都需要配備足夠的刀具或更換刀刃的刀具維修車間，保證工作能夠正常進(jìn)行，如果由于刀具原因造成停機(jī)想象，這種情況下出現(xiàn)的損失就沒(méi)必要。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，刀具會(huì)發(fā)生一定程度的磨損，這個(gè)時(shí)候需要注意其磨損量，一般來(lái)說(shuō)，邊緣滾刀的磨損量為10mm，正面的磨損量為20mm的時(shí)候需要調(diào)整刀具位置或者更換刀具，更換完新刀具（滾刀）后，要緩慢啟動(dòng)刀盤使得扭矩平穩(wěn)后停機(jī)，進(jìn)倉(cāng)對(duì)更換的刀具及連接情況進(jìn)行檢查。在掘進(jìn)過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，要及時(shí)的停機(jī)進(jìn)行檢查，確保掘進(jìn)過(guò)程中的安全。同時(shí)，時(shí)刻進(jìn)倉(cāng)對(duì)刀具情況進(jìn)行測(cè)量、記錄，并且要檢查刀具的緊固情況，由于工作一段時(shí)間之后，工具出現(xiàn)松動(dòng)的情況也是較多。在掘進(jìn)到一定程度上，可以根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)來(lái)確定刀具的工作狀態(tài)以及磨損量，進(jìn)尺量小，推力大，扭矩大，刀盤溫度高，都是刀具磨損的信號(hào)。

2.3 加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)的控制

在硬質(zhì)巖層的掘進(jìn)過(guò)程中，需要遵從基本的“高轉(zhuǎn)速、小扭矩、大推力”的基本思想，在敞開(kāi)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)推進(jìn)速度要控制在1-2cm/min，刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在2-3rpm/min，扭矩在4000n.m之內(nèi)，總的推力需要控制在1600~2200kN之間。

3 掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的主要問(wèn)題及原因分析和采取對(duì)策

3.1 同步注漿管堵塞

在掘進(jìn)初期，由于同步注漿頻繁發(fā)生堵塞問(wèn)題，除了送漿管道的彎道較多的影響之外，主要是由于使用的土壤為鈣基膨潤(rùn)土，后來(lái)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選取了鈉基膨潤(rùn)土，能夠很好地改善堵塞這一問(wèn)題。但是由于粉煤灰的量，仍然存在漿液容易離析的現(xiàn)象。后面經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終找到了合適的配比，較好的解決了管道堵塞問(wèn)題，每環(huán)掘進(jìn)，一定要滿足同步注漿的量，如不足時(shí)，可降低掘進(jìn)速度來(lái)滿足同步注漿的量。同步注漿完成后，根據(jù)掘進(jìn)速度，要及時(shí)清理管道，同時(shí)加大后續(xù)測(cè)量。

3.2 管片破裂

主要受到推進(jìn)油缸剪切和拼裝完成后的管片碰撞等因素引起。管片在受到以下幾個(gè)因素的綜合作用會(huì)導(dǎo)致了破損和裂縫：①可能是由于拼裝完成后，推進(jìn)油缸加壓頂推到管片的時(shí)候出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，出現(xiàn)管體的破裂；②管片緊固螺栓在打入過(guò)程中用力過(guò)大，使得管片局部應(yīng)力變化，出現(xiàn)裂紋；③拼裝的管片與盾尾間的間隙過(guò)小，盾殼擠壓管片，表現(xiàn)為管片內(nèi)弧面的碎裂；④注漿壓力均勻，在地層彈性模量較大情況下管片單邊受壓；⑤盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的姿態(tài)與成型隧道的姿態(tài)不一致，導(dǎo)致拼裝的管片或已成型的隧道管片外表面損傷等。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，硬質(zhì)巖層在掘進(jìn)過(guò)程中的問(wèn)題還是較多，在以后的實(shí)踐過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況來(lái)不斷增進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的結(jié)構(gòu)，讓盾構(gòu)機(jī)能夠安全的工作的同時(shí)提高工作效率。加強(qiáng)對(duì)其關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重點(diǎn)要素的重視程度，并注重其具體實(shí)施措施與方法的科學(xué)性。