李偉忠、桂佑杰、岑旭文

（中建八局軌道交通建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210046）

1 工程概況

某隧道盾構(gòu)區(qū)間左線(xiàn)截至2020 年7 月10 日累計(jì)掘進(jìn)310 環(huán)，2020 年10 月25 日進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀。在左線(xiàn)自0 環(huán)到284 環(huán)洞身范圍內(nèi)，地質(zhì)情況依次為硬塑狀礫質(zhì)黏性土、礫砂層、全風(fēng)化黑云母花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖（土狀）。從284 環(huán)開(kāi)始進(jìn)入上軟下硬礫砂地層，隧道拱頂為強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖，底部為微風(fēng)化黑云母花崗巖。單圓盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)（CREC015）在290環(huán)之前均為軟土地層，在該段范圍共遇到4 處孤石。第一處為64-74 環(huán)，第二處為158-166 環(huán)，第三處為245-248 環(huán)，第 四 處 為262-264 環(huán)。

某隧道盾構(gòu)區(qū)間右線(xiàn)截至2020 年7 月10 日累計(jì)掘進(jìn)367 環(huán)，已完成開(kāi)倉(cāng)換刀作業(yè)，繼續(xù)掘進(jìn)。在盾構(gòu)區(qū)間右線(xiàn)0 環(huán)到270 環(huán)，隧道洞身地質(zhì)情況依次為硬塑狀礫質(zhì)黏性土、礫砂層、全風(fēng)化黑云母花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖（土狀）。盾構(gòu)在該段范圍內(nèi)均為軟土地層。從271 環(huán)開(kāi)始進(jìn)入全斷面地段，隧道洞身范圍均為微風(fēng)化黑云母花崗巖。337 環(huán)從全斷面到上軟下硬礫砂地層，掘到350 環(huán)到全斷面硬巖，357 環(huán)又到上軟下硬礫砂地層。右線(xiàn)掘進(jìn)至今都是上軟下硬礫砂地層，隧道拱頂為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，底部為微風(fēng)化巖層。在270 環(huán)進(jìn)入全斷面硬巖之前，在該段范圍共遇到3 處孤石。第一處為66-72 環(huán)、第二處為160-169環(huán)、第三處為265-268 環(huán)。右線(xiàn)從270 環(huán)開(kāi)始進(jìn)入上軟下硬礫砂地層。

2 孤石及上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)參數(shù)分析

左線(xiàn)過(guò)孤石時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)變化差距較大（見(jiàn)圖1），掘進(jìn)速度明顯下降，扭矩增大，加大推力無(wú)明顯效果[1]。在盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壁旁，聽(tīng)到有刀盤(pán)與地下障礙物或孤石碰撞摩擦的聲音。在孤石區(qū)域各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)為：掘進(jìn)速度4～10mm/min，刀盤(pán)扭矩1500～2300kN·m，油缸推力1300～1900t，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.8～1.2r/min，刀盤(pán)貫入度3～5mm/r 左右。盾構(gòu)在軟土層正常掘進(jìn)，掘進(jìn)參數(shù)為：掘進(jìn)速度35～45mm/min，刀盤(pán)扭矩1100～1500kN·m，油缸推力為1000～1400t，刀盤(pán)貫入度25～30mm/r 左右。左線(xiàn)進(jìn)入上軟下硬礫砂地層后速度明顯下降，每環(huán)平均速度在1～3mm/min 左右，超挖刀在16 點(diǎn)位置速度降為0，轉(zhuǎn)到9 點(diǎn)位之后才恢復(fù)1～3mm/min 的速度，刀盤(pán)扭矩及推力增大，扭矩波動(dòng)峰值較大。推進(jìn)參數(shù)不穩(wěn)定。

圖1 左線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)折線(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖

右線(xiàn)在過(guò)孤石期間盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)與左線(xiàn)基本相同（見(jiàn)圖2）。孤石區(qū)域各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)為：掘進(jìn)速度6～12mm/min，刀盤(pán)扭矩1000～1400kN·m，油缸推力1200～1800t，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.8～1.2r/min，刀盤(pán)貫入度5～10mm/r 左右。在沒(méi)遇到孤石時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)較為穩(wěn)定。掘進(jìn)參數(shù)為：掘進(jìn)速度45～55mm/min，刀盤(pán)扭矩為1000～1500kN/m，油缸推力1000～1600t，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.8～1.4r/min，刀盤(pán)貫入度35～45mm/r 左右。右線(xiàn)從全斷面硬巖到上軟下硬礫砂地層之后，掘進(jìn)參數(shù)與左線(xiàn)基本相同。速度明顯下降，刀盤(pán)扭矩及推力增大，扭矩波動(dòng)峰值較大。推進(jìn)參數(shù)不穩(wěn)定。

圖2 右線(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)各項(xiàng)參數(shù)折線(xiàn)統(tǒng)計(jì)圖

在左線(xiàn)162 環(huán)位置鉆孔取芯，勘探孤石大小及孤石強(qiáng)度，鉆孔位置分別位于隧道中心及兩邊，共鉆設(shè)6個(gè)勘探孔，鉆孔深度為25m?？碧降贸觯诘侗P(pán)縱斷面范圍勘探到2 個(gè)孤石（見(jiàn)圖3）。根據(jù)勘探孔間距，得出孤石位置位于掘進(jìn)方向靠刀盤(pán)中心區(qū)域，估測(cè)孤石大小為2m×1.5m×1m 及2m×1m×1m，孤石埋深為17.6～19.2m，23.3～25.4m。經(jīng)第三方檢測(cè)單檢測(cè)得出孤石強(qiáng)度最大為173MPa，最小為155MPa。孤石平均強(qiáng)度為160.7MPa。

圖3 左線(xiàn)勘探孔芯樣照片

3 刀具磨損情況

盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)，刀盤(pán)規(guī)格為（直徑×長(zhǎng)度）φ6980。雙聯(lián)中心滾刀6 把，刀高160mm，正面單刃滾刀24 把，刀高160mm，邊滾刀12把，刀盤(pán)構(gòu)造如圖4 所示。

圖4 刀盤(pán)刀具配置圖

盾構(gòu)區(qū)間左線(xiàn)從始發(fā)至今共開(kāi)倉(cāng)3 次，第一次在262 環(huán)位置進(jìn)行換刀，從始發(fā)到262 環(huán)左線(xiàn)盾構(gòu)已經(jīng)穿過(guò)3 次孤石，開(kāi)倉(cāng)前262 環(huán)扭矩及推力增大，其速度為0～2mm/min，扭矩波動(dòng)大，推力加大，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速減小，效果不明顯，掘進(jìn)參數(shù)不見(jiàn)好轉(zhuǎn)。經(jīng)換刀之后，速度能達(dá)到6～8mm/min。在264 環(huán)后，速度慢慢回升，推力1200t 左右，扭矩1000kN·m，進(jìn)入正常狀態(tài)，速度可以保持在20mm/min 左右。共計(jì)換了5 把中心刀（S2+S4、S5+S7、S6+S8、S9+S11、S10+S12），S2+S4、S5+S7、S9+S11 斷 齒 嚴(yán) 重，刀 圈 磨 損 嚴(yán) 重；S6+S8、S10+S12 偏磨嚴(yán)重，刀圈崩裂。

第二次在283 環(huán)換刀，考慮盾構(gòu)即將進(jìn)入上軟下硬礫砂地層，為了順利地掘進(jìn)，該次共計(jì)換了14 把單刀，基本集中在正面單刃滾刀及邊滾刀，其中正面滾刀8 把，邊緣滾刀6 把。有1 把正面滾刀（S34）、4 把邊緣滾刀（S38、S39、S41、S42）出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨、斷齒。其余刀具均有不同程度的斷齒、缺口、磨損，磨損量在1.2～1.8cm 不等。換刀之后，因?yàn)樵谏宪浵掠驳[砂地層中，速度雖然無(wú)明顯加快，但推力及刀盤(pán)扭矩等參數(shù)較為正常。

第三次在297 環(huán)開(kāi)倉(cāng)換刀，共計(jì)換了13 把刀，中心刀（S1-S3）1 把，正面滾刀6 把，邊緣滾刀6 把。中心刀嚴(yán)重變形、斷齒、刀圈磨損嚴(yán)重。3 把單刀斷齒、偏磨嚴(yán)重，剩余刀具都有不同程度斷齒、磨損，磨損量在7～15mm 之間。S40 邊緣滾刀是在上一次開(kāi)倉(cāng)283環(huán)就更換過(guò)的重型扁齒刀。該次換刀前速度為0～1mm/min，基本無(wú)速度，扭矩波動(dòng)較大在2100kN·m左右，推力1500t，換刀之后，速度保持在3mm/min 左右，扭矩及推力明顯下降。

盾構(gòu)區(qū)間右線(xiàn)從始發(fā)至今大規(guī)模開(kāi)倉(cāng)換刀6 次，其中不包括在全斷面硬巖段換刀的次數(shù)及數(shù)量。在全斷面硬巖段掘進(jìn)時(shí)，平均1.5 環(huán)就需開(kāi)倉(cāng)檢查刀具并更換磨損量超過(guò)5mm 或斷齒多的刀具。在推進(jìn)過(guò)程中，遇到掘進(jìn)參數(shù)異常，如扭矩波動(dòng)較大、推力增大、貫入度降低或刀盤(pán)前面異響等，考慮刀具磨損較為嚴(yán)重，需開(kāi)倉(cāng)檢查刀具，對(duì)磨損超標(biāo)的刀具進(jìn)行更換，對(duì)磨損量正常且仍具有良好破巖能力的刀具進(jìn)行保留，基本集中在邊緣滾刀及正面滾刀。

4 上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)、超排及過(guò)孤石存在的問(wèn)題

其一，掘進(jìn)速度慢，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在控制不當(dāng)?shù)那闆r下易造成刀具非正常損壞，對(duì)刀和刀盤(pán)損害較大。其二，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)難以控制，上浮或盾殼被卡住、蛇形推進(jìn)，注漿不及時(shí)易產(chǎn)生地面沉降甚至塌陷，隧道管片破損。其三，隧道拱頂?shù)貙幼苑€(wěn)性較差，地面往下12m 左右均為回填垃圾，盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中容易產(chǎn)生超排。出渣量控制難度大。其四，硬巖段及上軟下硬礫砂地層對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)磨損嚴(yán)重，上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)15 環(huán)左右，全斷面硬巖段盾構(gòu)掘進(jìn)2～3 環(huán)就需停機(jī)進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀，換刀費(fèi)用大，耗時(shí)長(zhǎng)。其五，盾構(gòu)在上軟下硬礫砂地層推進(jìn)時(shí)，無(wú)速度或速度較慢，刀盤(pán)扭矩大，扭矩波動(dòng)峰值也較大。加大推力，在降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的情況下無(wú)貫入度。判斷刀具磨損嚴(yán)重，考慮開(kāi)倉(cāng)換刀，停機(jī)開(kāi)倉(cāng)區(qū)域地層自穩(wěn)性較差，回填垃圾土體松散系數(shù)較大，地下水豐富難以控制，并且地面不具備加固條件，開(kāi)倉(cāng)風(fēng)險(xiǎn)較大。其六，因在機(jī)荷高速安全保護(hù)區(qū)內(nèi)，未鉆設(shè)勘探孔。地質(zhì)情況不明朗，右線(xiàn)在掘進(jìn)過(guò)程中遇到基巖突變，從全斷面巖層到上軟下硬礫砂地層，再?gòu)纳宪浵掠驳[砂地層到全斷面巖層。如發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)未及時(shí)根據(jù)地層變化而改變，容易損壞刀具，并對(duì)地層造成較大的擾動(dòng)。其七，盾構(gòu)在上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)時(shí)易發(fā)生噴涌，開(kāi)挖面失穩(wěn)引起地表沉降。其八，在沒(méi)遇到孤石時(shí)，盾構(gòu)機(jī)處于軟土地層中掘進(jìn)，各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)正常。遇到孤石后，局部刀具沖擊切削孤石巖面，因孤石強(qiáng)度高、完整性好、掘進(jìn)受阻，扭矩波動(dòng)較大，貫入度降低，推力增大。若操作不當(dāng)或掘進(jìn)參數(shù)未及時(shí)變化，會(huì)對(duì)刀具損傷極大。其九，上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)時(shí)，倉(cāng)內(nèi)溫度過(guò)高，從皮帶上測(cè)出溫度高達(dá)60℃左右。土倉(cāng)內(nèi)渣土極易糊出刀盤(pán)，結(jié)成泥餅。

5 孤石及上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)存在問(wèn)題及后續(xù)處理方案及建議

其一，盾構(gòu)在過(guò)孤石或上軟下硬礫砂地層推進(jìn)過(guò)程中，若遇到掘進(jìn)參數(shù)異常，扭矩波動(dòng)較大，推力增大，無(wú)貫入度及速度等情況，應(yīng)立即調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，采用“低轉(zhuǎn)速”緩慢加減推力來(lái)控制刀盤(pán)扭矩，刀盤(pán)貫入度控制在3～5mm/r 以?xún)?nèi)。盡可能把刀盤(pán)扭矩波動(dòng)減小至400。其二，在掘進(jìn)到上軟下硬礫砂地層前將盾構(gòu)姿態(tài)逐步下調(diào)，尾部垂直姿態(tài)調(diào)整至-30±5mm，不得超過(guò)-40mm，俯仰趨勢(shì)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制，要求能保證盾構(gòu)姿態(tài)穩(wěn)定。盾構(gòu)機(jī)趨勢(shì)非特別要求下不超過(guò)±6mm，姿態(tài)糾偏每環(huán)不得大于5mm，每環(huán)糾偏趨勢(shì)不得超過(guò)±2mm，以此控制盾構(gòu)軸線(xiàn)。其三，過(guò)孤石及上軟下硬礫砂地層時(shí)，掘進(jìn)速度慢，對(duì)地層擾動(dòng)較大。故掘進(jìn)后每隔5～8 環(huán)做一道止水環(huán)箍。注漿即將完成時(shí)，使用水玻璃單液漿封孔，采取“少量多次”原則，注漿壓力不大于0.5MPa。壓力波動(dòng)較大時(shí)，應(yīng)立即停止注漿，換對(duì)稱(chēng)的注漿孔接著按相同配比進(jìn)行注漿。環(huán)箍打完后，再對(duì)中間管片進(jìn)行注漿。采用單液漿，水泥漿按1∶1 比例配置。在管片背部再次進(jìn)行二次填充，防止地表沉降。其四，盾構(gòu)遇孤石出現(xiàn)掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)上報(bào)，不能盲目操作，更不能為了追求掘進(jìn)速度而強(qiáng)推過(guò)去。要考慮刀具的受損程度，采取低轉(zhuǎn)速，控制刀盤(pán)扭矩，根據(jù)實(shí)際的掘進(jìn)情況來(lái)加減推力，盡可能將刀具的損害降到最小。其五，盾構(gòu)司機(jī)、值班工程師、地面調(diào)度及技術(shù)人員應(yīng)勤觀(guān)察渣土特性，根據(jù)出渣特性結(jié)合實(shí)際地層來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。其六，嚴(yán)格控制出渣量，上軟下硬礫砂地層掘進(jìn)時(shí)土倉(cāng)內(nèi)的存土量應(yīng)不少于2/3，嚴(yán)禁空倉(cāng)推進(jìn)。每斗出渣量必須與油缸行程相匹配，以每掘進(jìn)30cm 以上出一斗渣計(jì)量，對(duì)出渣量進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，盡量保持欠挖狀態(tài)。盾構(gòu)司機(jī)及調(diào)度做好出渣量統(tǒng)計(jì)并詳細(xì)記錄。在渣土運(yùn)出翻渣的過(guò)程中，門(mén)吊司機(jī)必須認(rèn)真記錄渣土稱(chēng)重記錄，出渣異常時(shí)應(yīng)立即向技術(shù)部門(mén)反映，根據(jù)渣土重量及體積反算出渣量，并保證記錄數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。其七，在推進(jìn)過(guò)程中，每環(huán)向盾殼外部注入膨潤(rùn)土，待管片脫離盾尾后及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。在推進(jìn)時(shí)若渣土溫度過(guò)高，為防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，可適量減少泡沫原液的比例，往倉(cāng)內(nèi)注入清水來(lái)降低渣土溫度。其八，對(duì)于上軟下硬礫砂地層，為控制地面沉降，可適當(dāng)加大同步注漿方量，適當(dāng)調(diào)整同步注漿配比，加大水泥用量，減少粉煤灰及砂子用量，加快漿液的初凝時(shí)間。其九，根據(jù)上軟下硬礫砂地層換刀頻率及掘進(jìn)參數(shù)變化的分析，判斷刀具磨損較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)主動(dòng)采取措施進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)換刀，不能盲目地繼續(xù)推進(jìn)。在施工過(guò)程中，做好地面巡視工作及監(jiān)控量測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

在某隧洞盾構(gòu)區(qū)間地層施工中，通過(guò)分析孤石及上軟下硬礫砂地層的掘進(jìn)參數(shù)及刀具磨損情況，提出在保證地面沉降可控的情況下，適當(dāng)減少土壓力，加大刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，根據(jù)推進(jìn)情況適當(dāng)減小推力，且向盾構(gòu)外部注入膨潤(rùn)土可以有效提高掘進(jìn)速度。同時(shí)，在地層開(kāi)挖時(shí)，應(yīng)密切注意刀片轉(zhuǎn)矩及整體推力的動(dòng)態(tài)，對(duì)刀片的磨損進(jìn)行分析和判定，嚴(yán)格控制施工速度；減小刀片的磨耗，使更換刀的數(shù)量最小化，既能降低開(kāi)槽機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，又能減輕工期壓力，還能節(jié)省建設(shè)費(fèi)用。