高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工技术

方治纲/FANG Zhi-gang

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600）

近年来，随着社会不断发展，越来越多的轨道交通建设在大规模进行，目前土压平衡盾构在黄土、淤泥质软土、砂层、砂卵石地层中掘进技术已较成熟，形成了大量结构设计计算理论和工程实践体系，但盾构在岩石强度达到120～150MPa 的全断面硬岩地层中掘进经验尚浅，在盾构掘进过程中，容易发生盾构卡壳、卡螺旋机抱死、刀盘抱死或者严重磨损刀盘等不良现象，对盾构掘进施工影响极大。

1 工程概况

济南市轨道交通R2 线一期土建工程施工四标段宝华街站～长途汽车站区间，右线全长992.741m，左线全长998.042m，隧道埋深约9.6～12.3m。宝长区间共计穿越18 处建、构筑物及1 处河道，硬岩岩石强度平均134MPa，最高达到264MPa，施工难度非常大。

2 高强度全断面极硬岩掘进施工特点

1）针对硬岩岩石强度平均134MPa，最高达到264MPa 的施工难点，对选用的土压平衡复合盾构进行技术改造升级及合理配套，将刀盘结构进行优化（图1），采用六辐条刀盘，中心刀刀座采用TBM 刀座（图2），刀圈采用新型LD 高强韧性新型模具钢材质，有效增强了抗冲击性和耐

图1 优化后刀盘结构

图2 中心刀刀座采用TBM刀座

磨性；增强滚刀配置，设置18 寸中心双联滚刀6把，18 寸单刃滚刀37 把，10 孔重型边刮刀24 把，8 孔重型正面刮刀43 把，同时在刀盘扭腿两侧增加侧板、环梁两侧增加筋板、刀盘增加一整圈环筋的方式进行加固，保证了刀盘的整体强度和刚度。2）对刀盘的耐磨性进行优化，刀盘面板和外周增设Hardox 耐磨板（图3），刀盘整体耐磨性能得到有效提高，同时研究应用了刀盘磨损检测装置（图4），使用前将液压式磨损检测系统安装在刀盘上，盾构掘进过程中，随着刀盘磨损程度的增加，液压系统压力逐渐下降，达到警戒值时，发出报警信号，及时提醒盾构操作人员，确保施工安全。

图3 耐磨网格及耐磨板

图4 刀具磨损检测

3）对18 寸单刃滚刀刀具进行优化，采用刀圈、刀毂一体化整体式滚刀结构（图5），刀刃采用上口25mm，下口76mm 的锥形结构，刃口顶部增加圆顶倒角R6°（图6），有效增加了刀具破岩能力，提高刀具贯入度，提升掘进效率；刀毂和端盖采用“重型”尺寸设计，刀毂壁和端盖外壁进行加厚设计，最大限度地增加了刀体的综合耐磨损性，有效地减小换刀频率。

图5 采用刀圈、刀毂一体化整体式滚刀结构

图6 刃口顶部增加圆顶倒角R6°

4）刮刀刀刃采用3 排大尺寸耐磨硬质合金，刀头带5°尖角结构，同时采用双排螺栓紧固使刀体受力更加均匀。

3 工艺流程及关键技术操作要点

3.1 工艺流程

高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工工艺流程如图7 所示。

图7 高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工工艺流程图

3.2 刀具检查和更换

观仓人员每推进10cm 进仓检查刀具及掌子面情况，并进行刀具螺栓复紧，发现刀具损坏时，要及时更换刀具，新安装刀具要及时进行复紧。

3.3 盾构掘进方向精确控制

1）在盾构始发的时候，需要经过人工测量为盾构编辑盾构初始位置参数。

2）盾构姿态初始测量内容应包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滚动角及切口里程。

3）在掘进到隧道中间和贯通前一两百米进行盾构姿态测量，与当前导向显示姿态对比，确保当前显示姿态的准确性。

3.4 掘进模式选择

土压平衡盾构在全断面极硬岩地层时，选择采用敞开模式进行隧道掘进。

3.5 渣土改良

高强度硬岩地层盾构掘进时，利用泡沫系统，同步适量注入低浓度泡沫（加入比例为5%～10%，平均每环用量为40～50kg），冷却和润滑刀具，降低土仓温度。

3.6 盾构掘进参数选择

高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进最佳参数控制范围：总推力12 000～13 000kN；扭矩1 400～1 600kNm，掘进速度2～3mm/min，贯入度3～4mm/r，转速1.8～2.0r/min。

4 结语

通过高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进施工技术的研究与应用，对选用的土压平衡复合盾构进行技术改造升级及合理配套，将刀盘结构进行优化，有效增强了抗冲击性和耐磨性；保证了刀盘的整体强度和刚度，刃口顶部增加圆顶倒角R6°，有效增加了刀具破岩能力，提高刀具贯入度，提升掘进效率；总结出高强度全断面极硬岩盾构隧道掘进最佳参数控制范围，有效避免了盾构卡壳、卡螺旋机抱死、刀盘抱死或者严重磨损刀盘等不良现象的发生，对今后同类型工程具有切实的指导意义，推广应用前景广阔。