盾构施工技术交流会 盾构穿越高强硬岩段及孤石群施工技术
图6 三号线北延同泰始发井～同和站左线开仓照片
3.1.2 岩土渗透性
岩土渗透系数（k）值的大小，取决于土的成因、颗粒大小、颗粒级配、粘粒含量及土的密实度等，对于基岩不仅取决于其成因，而且与风化程度、裂隙发育程度及裂隙的连通性等有关。K值与渗透性关系见表3。
表3 K值与渗透性关系一览表
K值 K>200 10≤K≤200 强透水 1≤K<10 中等透水 0.01≤K<1 0.001≤K<0.01 K<0.001 弱透水 微透水 不透水 类别 特强透水 盾构机在硬岩中掘进，地下水过大易造成螺旋输送机喷涌、管片上浮等一系列问题，降低施工进度。 3.1.3 岩石的软化性
岩石浸水后强度和稳定性降低的性质称为岩石的软化性。岩石软化性的大小常用软化系数（Kd）（软化系数Kd＝岩石饱水状态的抗压强度/岩石干燥状态的抗压强度）来衡量。软化系数小于1。岩石软化系数>0.75，软化性弱，抗水、抗风化能力强；软化系数<0.75，工程地质性质较差。 3.2 盾构是关键 3.2.1 刀具的配置
刀盘按硬岩掘进布置刀具，刀盘安装31把单刃滚刀，4把双刃滚刀，64把正面齿刀，8把边刮刀。 目前盾构机滚刀间距一般为100～120mm，在软岩中其破岩原理是由滚刀压碎岩石，滚刀之间无法破碎的“岩脊”部分由刮刀铲除。但是，盾构机在通过花岗岩硬岩时就不完全适合了。
滚刀的破岩能力一般在80MPa，刮刀可挖掘30MPa以内土石。硬岩地段岩石的单轴抗压强度很高往往
6 中铁十三局集团有限公司 盾构施工技术交流会 盾构穿越高强硬岩段及孤石群施工技术 大于30MPa，硬岩地段只需滚刀不需刮刀。根据破岩机理的研究，盾构机在硬岩中的破岩是通过滚刀给岩石以一定的压力使之产生裂缝，当相邻滚刀产生的裂缝连接在一起时，岩石就会破碎并脱落。因此，在硬岩破岩的过程中无需刮刀起任何作用。事实证明，刮刀在破硬岩过程中的作用很小，要么被磨平，要么被崩断。这是由于当刀盘在转动的过程中滚刀的贯入度超过了滚刀与刮刀的高度差时，刮刀突然碰到硬岩所受到的瞬间荷载造成的。
图7 硬岩掘进刀具布置示意图
[经验一]三号线北延同泰始发井～同和站左线剩余70多米硬岩采用盾构机掘进通过，在开仓检查刀具时发现齿刀、边刮刀多数崩断损坏，不再对其装新的刀具，为了保护刀座，用20～30mm厚钢板代替刀具装上拧紧螺栓。
中铁十三局集团有限公司 7 盾构施工技术交流会 盾构穿越高强硬岩段及孤石群施工技术 图8 三号线北延同泰左线硬岩开仓刀具损坏照片
3.2.2 盾构机的有效推力
盾构机的有效推力是指刀盘作用于工作面上直接将岩土切削或破碎下来所需要的实际推力。 FBA（有效推力）=∑F（总推力）-FM(盾壳与围岩之间的摩擦力)-FS(盾尾密封与管片之间的摩擦力)-FNL(拖拉后配套设备的力)
在硬岩段敞开模式下掘进，增加总推力主要会使刀盘的推力增大。根据滚刀的设计能力，每把刀正面推力一般都限制在250～300KN之间。在这种情况下，若在硬岩段掘进，一旦对刀盘的推力过大，就会造成“多米诺骨牌效应”，滚刀将一个个地被损坏。同时，总推力过大可能导致管片破损开裂。在施工过程中，通过对围岩特点及各种施工参数的分析和判断，及时将总推力与有效推力进行比较，正确指导施工。
[经验二]三号线北延同泰左线硬岩采用盾构机掘进，通过盾体注浆孔在盾体四周注膨润土降低盾壳与围岩之间的摩擦力，在总推力不变的情况下增加盾构机的有效推力。 3.3 人是根本
盾构机组装后滚刀间距、开口率等一些参数一般无法改变，这就需要我们在熟悉盾构机性能的基础上扬长避短，尽可能发挥盾构机的优良性能保证掘进的顺利进行。 3.3.1 掘进模式
在微风化硬岩中，由于岩石在开挖后应力重分布形成应力拱致使坍塌延时性，故此种地层若条件许可尽可能采用敞开式掘进模式。 3.3.2 掘进参数设定
盾构机在硬岩中掘进要选择合理的掘进参数，包括掘进总推力、刀盘转速、扭矩及掘进速度。 3.3.2.1 掘进总推力
推力是影响刀具磨损的最直接参数。其大小直接决定了刀具所承受的荷载。推力过大，虽然短期内掘进速度很快，但过大的荷载会使滚刀轴承受挤压变形，继而影响滚刀的自传，最终造成滚刀刀圈的偏磨或断裂。
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图9 三号线北延同泰左线硬岩开仓滚刀偏磨、刀圈断裂照片
盾构机在硬岩中掘进总推力控制在10000～15000KN。在施工过程中，根据地层岩性差异及各种施工参数的分析和判断进行调整。 3.3.2.2 刀盘转速
刀盘转速也是影响刀具磨损的一个主要因素，过大的转速在硬岩地层中会造成盾构机震动颠簸，加快刀具的磨损。在硬岩中掘进刀盘转速控制在1.0～1.2r/min。 3.3.2.3 扭矩及掘进速度
在硬岩中掘进刀盘扭矩控制在1500～2000KN·m，掘进速度控制在2～5mm/min。 3.3.3 掘进姿态控制
盾构机在硬岩段掘进控制好姿态，避免频繁纠偏。在硬岩地层中掘进，如果不断地调整盾构机姿态就会使滚刀受力不均匀，在某个方向上过大的推力有可能导致局部滚刀变形损坏。 3.3.4 同步注入泡沫
在掘进中根据需要适当使用泡沫，起到润滑刀具、降温和改良土体等作用，遇到地下水较少时，适当加一些水对刀具进行冷却。 3.3.5 注浆管理
管片背后注浆遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则。
管片背后同步注浆量充填系数一般为1.3～1.5。在硬岩段中管片背后同步注浆量充填系数取1.3即可，采用敞开式掘进同步注浆量过大，浆液会沿盾壳与围岩间隙进入土仓造成浪费。管片脱出盾尾三环后，在1点及11点位置利用吊装孔进行二次补注双液浆，这既可以把管片拱顶背后充填密实又可以防止管片上浮。
在硬岩中注浆压力最大不得超过0.5MPa，注浆压力过大易造成管片破碎开裂。
[实例3]广州地铁三号线[大塘站～沥滘站盾构区间]，2004年3月1日利用管片吊装孔对右线614环进行二次注浆，此处隧道处于中风化粉砂质泥岩，由于注浆压力过大致使管片被压破裂。 3.3.6 刀具管理
在硬岩中掘进，刀具磨损较快，必须准备足够的刀具（尤其是滚刀）并及时检查和更换刀具。 刀具的磨损程度可以通过施工参数的变化作出初步判断。如果出现推力过大，推进速度小，扭矩也偏小，以及盾构机姿态纠正很难的情况时，就要考虑刀具是否磨损严重，要安排开仓检查刀具；如果连续出现刀盘或螺旋输送机被卡住时，立即停机进行检查；如果从出渣土中发现碎片石不均匀，且伴有大块的石头出现时，就可能有滚刀损坏，应立即停机检查。检查刀圈是否磨损超限、断裂、变形，固定刀圈的螺帽是否松动或掉落，以及刀座是否有裂纹等，一旦发现立即采取补救措施。
中铁十三局集团有限公司 9 盾构施工技术交流会 盾构穿越高强硬岩段及孤石群施工技术 刀盘不要配置不同厂商生产的刀具，由于不同厂商生产的刀具存在一定的差异，这致使滚刀在硬岩中掘进会被分批破坏影响掘进。
刀具超过规定磨损量必须换刀，特别是边滚刀过度磨损不及时更换易造成盾壳卡死被困。 [实例4]广州地铁三号线[番禺市桥站～番禺广场站盾构区间]使用的是海瑞克盾构机，地层为花岗岩，边缘滚刀过量磨损，没有及时更换造成卡壳被困，后采用爆破凿除盾壳外的岩石，使盾构机得以松动脱困。
[经验三]三号线北延同泰始发井～同和站左线硬岩采用盾构机掘进，勤开仓检查,勤换刀,超过规定磨损量必须换刀。换刀前通过往土仓加气压使盾构机回退20～30mm，缩短换刀时间。刀具更换完毕彻底检查一遍固定刀圈的螺帽是否拧紧，盾构机开仓往前掘进100mm，土仓口派人观察滚刀是否存在不转的情况，如果存在及时更换处理，然后再检查一遍固定刀圈的螺帽是否松动。
始发井～同和站左线剩余70多米硬岩采用盾构机掘进通过，先后开仓换刀6次，换刀最短一次间隔掘进距离3m（2环）。
在推力作用下，滚刀随着刀盘的转动和自身的旋转而在开挖面上沿同心圆固定轨迹进行破岩作业。刀具磨损存在差异造成掌子面高低不平，刀具更换完后恢复掘进，掘进推力和速度不宜过大，让更换的刀具有时间进行轨迹拟合，否则易导致刀圈非正常断裂。 3.4 地下水发育，易产生“喷涌”的防治
（1）地面无建筑物，失水不会造成地层固结沉降过大，通过土仓背板上的球阀往外放水可以降低喷涌发生。
（2）通过气压阻止裂隙水向土仓汇聚降低喷涌发生。
（3）通过管片吊装孔二次注入双液浆进行环向封堵，拦截管片背后水流向土仓汇水降低喷涌发生。 （4）在距离尾盾最近的一环管片，用编织袋装渣堆成围堰拦截喷涌漏下的渣，减少尾盾清理工作量，缩短掘进与拼装之间时间间隔，提高功效。
（5）通过前盾、中盾注浆孔环向注入聚氨酯阻止盾体围岩裂隙水向土仓汇聚降低喷涌发生。 （6）在土仓内注入膨润土，加高分子聚合物（日本TCA）进行渣土改良降低喷涌发生。 4 盾构穿越孤石群施工
孤石处理地面具备条件的先通过地质钻机钻孔，然后通过地下爆破对孤石进行破碎处理。地面不具备条件的采用盾构机直接破岩通过。 4.1 地面钻探
以已经发现的孤石补勘钻孔为中心，环向间距0.5m散射状、在隧道宽度6.5m范围内布置钻孔，进一步探明孤石的范围及大小。 4.1.1 地下爆破处理孤石
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