硬岩段盾构掘进专项施工方案

1、硬岩段盾构隧道掘进施工技术1 工程概况本区间范围内上覆第四系人工积累层(), 第四系上更新统冲洪积层, 下伏震旦系长岭子组钙质板岩, 中生代燕山辉绿岩等。右线主要穿越的地质条件为中风化钙质板岩，自然抗压强度在50MPa以上。地下水按赋存条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，局部地段基岩裂隙水和海水相互连通。该工程选用了具备三种模式的复合式土压平衡盾构机。2 刀盘刀具的设置2.1 刀盘的布置 从肯定程度上说，选择合理的盾构机设计是盾构隧道施工成败的关键，而其中最关键的是刀盘刀具的设计。依据地质条件，对刀盘刀具进展了合理的设计。刀盘设计为辐条加面板构造，设六个主刀梁和六个副刀梁面板，刀盘的开口率为28%。

2、刀盘前面共设置了5个添加剂注入口，其中3个为专用泡沫口，另外2个为专用的膨润土注入喷口。在磨损较多的部位,如刀盘进土口, 刀盘开挖面, 搅拌棒, 刀盘边缘等处,大量堆焊了网格状耐磨硬质合金,大大提高了刀盘的耐磨性能和运用寿命。2.2 刀具的布置 刀盘共布置了4把中心滚刀8刃, 32把单刃滚刀，滚刀直径为432mm；配置了切刀48把，刮刀12把，切削刀具采纳大块硬质合金构造形式刀具。滚刀的刀间距为90mm，刀具实行上下搭配，滚刀伸出量为165mm，刮刀伸出量为120mm。滚刀高出齿刀45mm，以便在硬岩地段掘进时爱护切刀，掘进中以滚刀先破开岩层，刮刀将裂开的岩石刮进土仓。刀具采纳耐磨性能和冲击性

3、能都特别优越的E5日本标准类硬质合金头。刀盘, 刀具的布置详见图1和图2。图1 盾构机刀盘正面图2 盾构机刀盘反面3 硬岩段盾构隧道的主要掘进技术3.1 掘进模式的选择承当本区间的盾构具有一机三模式功能，即土压平衡式, 开趟式和半开趟式，各模式可以互换。在硬岩地层掘进中，由于掌子面很稳定，为了加快推动速度，一般采纳开趟式推动，盾构机切削下来的碴土进入土仓内后，,即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有少量碴土。掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小，由于不需限制土仓压力,刀盘扭矩较低，掘进推力较低，掘进进度快。3.2 掘进参数的设定硬岩地段盾构施工主要掘进参数的设定原那么以爱护刀具为原那么，掘进参数的选

4、择以刀具贯入度为基准来限制掘进速度和总推力。正常推动时速度宜限制在25mm/min之内，同时依据监测数据适当加快或放慢推动速度。在此原那么下，对该区间硬岩掘进参数设定如下: 1) 盾构推动速度限制在025 mm/min之间；2) 总推力限制在800012000 kN之间；3) 刀盘扭矩限制在10002 000 kNm之间；4) 刀盘转速限制在1.62 r/min之间。3.3 渣土改进状况在硬岩段地层掘进中，由于以滚刀破岩为主，渣土裂开后直径在13cm左右，渣土以针片状碎石为主。在初期施工中，我们在刀盘前面注入泡沫以期对渣土进展改进，但实际效果很不志向。主要缘由是由于地下水特别丰富，在大量地下水

5、的稀释作用下，泡沫根本无法对碎石状渣土形成改进效果。为此，在后续施工中，我们大胆的提出取消泡沫注入，通过一段时间的实践，我们认为在富水条件下完全可以取消泡沫的注入，但要刚好留意视察渣土的状况，一旦地下水有所改变就要刚好调整渣土改进方案。图3 没有注入泡沫的渣土4 硬岩段盾构掘进存在的主要问题分析及应对措施4.1 刀具磨损严峻在硬岩地层掘进，首先遇到的一个问题就是刀具的磨损。由于岩层强度高，刀具挤压, 切削围岩效率低，对刀具, 刀盘的磨损相应也大。因此在硬岩地层对刀具质量, 刀具的检查和更换等提出了更高的要求。在掘进至41环,对刀具进展检查时发觉，滚刀磨损较大，特殊是边缘滚刀磨损严峻，磨损状况见

6、表1。为保证开挖直径，防止盾构机被卡住，确保盾构平安，我们对3241号边缘滚刀进展了更换。依据相关经验，边缘滚刀在磨损超过8mm，必需进展更换。从刀具检查状况来看，滚刀以正常磨损为主，没有出现偏磨等非正常损坏现象。更换下来的滚刀见图4, 掌子面照片见图5，从该图可以看出掌子面滚刀破岩效果特别好，轨迹线清晰，肯定程度印证了刀具的设计布置特别合理。表1 2021年9月4日晚开仓检查刀具磨损记录刀具序号#磨损量(mm)滚刀位置刀具序号(#)磨损量(mm)滚刀位置92正面264正面10正面27正面11正面283正面123正面294正面13正面305正面143正面315正面15正面326边缘滚刀163正

7、面336边缘滚刀173正面34边缘滚刀183正面35边缘滚刀194正面36边缘滚刀203正面37边缘滚刀213正面388边缘滚刀224正面39边缘滚刀233正面40边缘滚刀243正面4110边缘滚刀254正面图4 更换下来的10把边缘滚刀 图5 掌子面滚刀轨迹线9月14日，我们开仓对刀具进展了检查，发觉2把新更换的边缘滚刀出现蹦圈现象，同时局部刮刀出现蹦刃现象。见图6, 图7。 图6 边缘滚刀刀圈崩裂图7 刮刀蹦刃依据有关探讨资料，23MPa的岩石强度是滚刀偏磨的分界限,因此在硬岩掘进中，滚刀非正常磨损现象比复合地层相对要少，但假如掌子面岩层裂开，节理发育，那么同样会造成严峻的偏磨等非正常磨损

8、.在大连地铁101标港湾广场站中山广场盾构区间的施工中就比拟明显。该区间在通过辉绿岩地层中，平均强度在90MPa左右，但由于掌子面岩层裂隙多，节理发育，造成了很严峻的刀具非正常磨损。该区间掌子面照片见图8，从图可以看出，滚刀的轨迹线根本没有，岩层节理发育, 裂缝许多，掌子面不平整，岩石强度也较高。图8 大连地铁港中区间掌子面状况由于掌子面的不平整, 岩石强度高，造成该区间盾构施工进度特别缓慢，刀具磨损特别严峻，必需每环进展刀具检查。滚刀损坏状况见图9。图9 大连地铁港中区间施工中滚刀损坏状况4.2 应对措施4.2.1 建立刀具的定期, 不定期检查制度对定期检查而言，就是在在掘进中应每隔20环进

9、展刀具的检查和量测。在遇到地质状况有改变，掘进参数异样以及渣土出现异样等特殊状况下，应马上进展刀具检查。4.2.2 刀具的磨损标准在硬岩中推动，刀具在正常磨损状况下的更换标准为:边缘滚刀磨损超过8mm，中心滚刀磨损超过1520mm时就须要进展更换。此时磨损的刀圈的刀刃变宽,其冲击压碎和切削岩石的实力降低，盾构掘进时的推力和扭矩就会增大，从而加大了盾构液压系统和电机系统的负荷，严峻降低掘进效率。对非正常磨损的损害的刀具也需刚好进展更换。因为一旦一把刀具失去作用，势必加重相邻刀具的负荷，加快相邻刀具的损害，并造成连锁反响，产生不行挽回的重大损失。4.2.3 高度重视刀具更换质量在更换过程中，要确保

10、各安装面清洁干净, 枯燥，确保定位精度及螺栓的紧固质量。针对滚刀螺栓简单松动的现象，实行焊接钢筋固定螺栓的措施，实际运用效果良好。假如安装质量存在问题，那么会造成许多困难。例如在边缘滚刀安装中，如因安装不到位有1mm的间隙，将干脆影响开挖直径810mm，对中心滚刀而言，假设螺栓没有按要求紧固到位，将会造成滚刀轴向窜到，进而造成刀具不正常损害。4.3 管片上浮的问题4.3.1 管片上浮的缘由分析1引起管片上浮的因素许多，如工程地质, 水文地质, 同步注浆质量, 盾构姿态等。就七西盾构区间而言，由于地下裂隙水特别丰富，围岩为岩层，收敛变形小，围岩和管片外侧存在14cm的空隙，为管片上浮供应了空间。

11、2管片脱出盾尾后，即使刚好进展了同步注浆，也因为浆液初凝时间一般较长长，不仅无法对管片供应约束，相反供应了上浮力。经计算，在砂浆注满的状况下，每环管片要承受的浮力为540kN，但管片的自重仅160kN，两者相差380kN，自然会造成管片上浮。管片在刚拼装完成后，受盾尾刷的限制，上浮受限，但会造成盾尾间隙上小下大的现象，严峻会破坏盾尾刷。在管片脱出盾尾后，上浮渐渐加大，在脱出盾尾56环左右到达最大值，上浮量在1214cm左右。3由于线路纵坡为2.8%的下坡，一旦盾构机的轴线和线路纵轴线存在夹角，那么推力就会产生一个垂直向上的分力，加剧管片的上浮。对下坡线路，管片前方的水会往盾构机处聚集，加剧管片

12、的上浮。4盾构机的姿态也影响管片的上浮。盾构机在掘进中，要通过调整分区油缸的压力来盾构机的姿态。一般在掘进中，下部油缸的压力要大于上部油缸的压力。依据在始发阶段的经验，下部油缸的压力为100bar左右，上部油缸压力位70bar，上下油缸的压力差将产生的压力差在60t左右。不匀称的管片受力加剧了管片的上浮。4.3.2 应对措施1在掘进中，将盾构姿态下调1012cm，以抵消管片上浮造成的轴线偏位。2将注浆方式由同步注浆改为前方注浆。从设在盾尾的同步注浆管里进展同步注浆时，地下水极易将浆液稀释并流入土仓，注浆效果较差，并会给正常掘进带来一些困难。经实践摸索，采纳前方注浆方式，注浆效果较好。前方注浆就

13、是将浆液从盾尾后10环左右的管片注浆孔注入。3尽量采纳双液浆注浆，以便尽快固定管片。对同步注浆采纳一般砂浆，但尽量缩短砂浆的初凝时间，尽量限制在6h以内。浆液应具有良好的稠度，可以适当添加外加剂，如高效削减早强剂。在注浆中，尽量降低注浆压力。加强二次补浆，二次补浆以双液浆为主。4加强管片螺栓的紧固工作。我们采纳的气动扳手用于螺栓紧固，紧固力必需到达该级螺栓要求的紧固力，同时加强对螺栓的复紧工作。5加强对盾构姿态的限制，盾构纠偏要不能过急, 过大，以免加剧千斤顶油缸压力差，严峻造成管片环面受力不均。4.4 管片的开裂, 破损, 错台的问题4.4.1 缘由分析七西区间在始发阶段，管片出现的开裂,

14、破损, 错台现象比拟突出，严峻的影响了盾构隧道的质量和外观。1管片的整体外观和实体质量较差。管片局部出现严峻的蜂窝，见图10。经我部对管片进展回弹检测，强度普遍偏低，特殊是管片的边缘部位，回弹强度仅35Mp左右，说明管片砼存在离析, 振捣不到位, 管片的养护不当等的现象，管片的贯穿裂缝见图11。图10 管片边缘出现的严峻蜂窝 图11 管片出现贯穿裂缝2在掘进中，盾构机姿态限制不好, 管片选型不当, 管片上浮会造成盾尾间隙过小，从而使管片被盾构机外壳挤压破损，见图12, 图13.图12 管片边缘出现的裂开 图13 管片出现破损3操作人不娴熟造成的管片破损等质量缺陷，见图14, 图15.。图14 管片吊装孔的裂开 图15 管片吊装孔的破损4盾构机油缸行程差大, 压力不匀称造成管片破损。4.4.2 预防措施要最大限度的削减管片存在的质量问题，应实行以下措施：1加强管片的验收，最大程度的削减不合格管片进场。虽然管片由业主统一供应，但我们