極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工技術(shù)探究

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[摘要]針對硬巖巖石強(qiáng)度平均134MPa，最高達(dá)到264MPa的施工難點(diǎn)，對選用的土壓平衡復(fù)合盾構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造升級及合理配套，效增強(qiáng)了抗沖擊性和耐磨性，同時(shí)對掘進(jìn)過程中盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)變化的原因進(jìn)行分析，總結(jié)出硬巖巖石強(qiáng)度平均134MPa，最高264MPa高強(qiáng)度全斷面極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)最佳參數(shù)控制范圍，有效避免了盾構(gòu)機(jī)卡殼、卡螺旋機(jī)抱死、刀盤抱死或者嚴(yán)重磨損刀盤等不良現(xiàn)象的發(fā)生。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；掘進(jìn)；高強(qiáng)度；全斷面；極硬巖；施工技術(shù)

近年來，隨著社會不斷發(fā)展，越來越多的軌道交通建設(shè)在大規(guī)模進(jìn)行，目前土壓平衡盾構(gòu)在黃土、淤泥質(zhì)軟土、砂層、砂卵石地層中掘進(jìn)技術(shù)已較成熟，形成了大量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論和工程實(shí)踐體系，但盾構(gòu)在巖石強(qiáng)度達(dá)到120～150MPa的全斷面硬巖地層中掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)尚淺，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，容易發(fā)生盾構(gòu)卡殼、卡螺旋機(jī)抱死、刀盤抱死或者嚴(yán)重磨損刀盤等不良現(xiàn)象，對盾構(gòu)掘進(jìn)施工影響極大。

1工程概況

濟(jì)南市軌道交通R2線一期土建工程施工四標(biāo)段寶華街站～長途汽車站區(qū)間，右線全長992.741m，左線全長998.042m，隧道埋深約9.6～12.3m。寶長區(qū)間共計(jì)穿越18處建、構(gòu)筑物及1處河道，硬巖巖石強(qiáng)度平均134MPa，最高達(dá)到264MPa，施工難度非常大。

2高強(qiáng)度全斷面極硬巖掘進(jìn)施工特點(diǎn)

1）針對硬巖巖石強(qiáng)度平均134MPa，最高達(dá)到264MPa的施工難點(diǎn)，對選用的土壓平衡復(fù)合盾構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造升級及合理配套，將刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（圖1），采用六輻條刀盤，中心刀刀座采用TBM刀座（圖2），刀圈采用新型LD高強(qiáng)韌性新型模具鋼材質(zhì)，有效增強(qiáng)了抗沖擊性和耐磨性；增強(qiáng)滾刀配置，設(shè)置18寸中心雙聯(lián)滾刀6把，18寸單刃滾刀37把，10孔重型邊刮刀24把，8孔重型正面刮刀43把，同時(shí)在刀盤扭腿兩側(cè)增加側(cè)板、環(huán)梁兩側(cè)增加筋板、刀盤增加一整圈環(huán)筋的方式進(jìn)行加固，保證了刀盤的整體強(qiáng)度和剛度。2）對刀盤的耐磨性進(jìn)行優(yōu)化，刀盤面板和外周增設(shè)Hardox耐磨板（圖3），刀盤整體耐磨性能得到有效提高，同時(shí)研究應(yīng)用了刀盤磨損檢測裝置（圖4），使用前將液壓式磨損檢測系統(tǒng)安裝在刀盤上，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隨著刀盤磨損程度的增加，液壓系統(tǒng)壓力逐漸下降，達(dá)到警戒值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，及時(shí)提醒盾構(gòu)操作人員，確保施工安全。3）對18寸單刃滾刀刀具進(jìn)行優(yōu)化，采用刀圈、刀轂一體化整體式滾刀結(jié)構(gòu)（圖5），刀刃采用上口25mm，下口76mm的錐形結(jié)構(gòu)，刃口頂部增加圓頂?shù)菇荝6°（圖6），有效增加了刀具破巖能力，提高刀具貫入度，提升掘進(jìn)效率；刀轂和端蓋采用“重型”尺寸設(shè)計(jì)，刀轂壁和端蓋外壁進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，最大限度地增加了刀體的綜合耐磨損性，有效地減小換刀頻率。4）刮刀刀刃采用3排大尺寸耐磨硬質(zhì)合金，刀頭帶5°尖角結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用雙排螺栓緊固使刀體受力更加均勻。

3工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)操作要點(diǎn)

3.1工藝流程

高強(qiáng)度全斷面極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工工藝流程如圖7所示。

3.2刀具檢查和更換

觀倉人員每推進(jìn)10cm進(jìn)倉檢查刀具及掌子面情況，并進(jìn)行刀具螺栓復(fù)緊，發(fā)現(xiàn)刀具損壞時(shí)，要及時(shí)更換刀具，新安裝刀具要及時(shí)進(jìn)行復(fù)緊。

3.3盾構(gòu)掘進(jìn)方向精確控制

1）在盾構(gòu)始發(fā)的時(shí)候，需要經(jīng)過人工測量為盾構(gòu)編輯盾構(gòu)初始位置參數(shù)。2）盾構(gòu)姿態(tài)初始測量內(nèi)容應(yīng)包括平面偏差、高程偏差、俯仰角、方位角、滾動角及切口里程。3）在掘進(jìn)到隧道中間和貫通前一兩百米進(jìn)行盾構(gòu)姿態(tài)測量，與當(dāng)前導(dǎo)向顯示姿態(tài)對比，確保當(dāng)前顯示姿態(tài)的準(zhǔn)確性。

3.4掘進(jìn)模式選擇

土壓平衡盾構(gòu)在全斷面極硬巖地層時(shí)，選擇采用敞開模式進(jìn)行隧道掘進(jìn)。

3.5渣良

高強(qiáng)度硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，利用泡沫系統(tǒng)，同步適量注入低濃度泡沫（加入比例為5%～10%，平均每環(huán)用量為40～50kg），冷卻和潤滑刀具，降低土倉溫度。

3.6盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)選擇

高強(qiáng)度全斷面極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)最佳參數(shù)控制范圍：總推力12000～13000kN;扭矩1400～1600kNm，掘進(jìn)速度2～3mm/min，貫入度3～4mm/r，轉(zhuǎn)速1.8～2.0r/min。

4結(jié)語

通過高強(qiáng)度全斷面極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，對選用的土壓平衡復(fù)合盾構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造升級及合理配套，將刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，有效增強(qiáng)了抗沖擊性和耐磨性；保證了刀盤的整體強(qiáng)度和剛度，刃口頂部增加圓頂?shù)菇荝6°，有效增加了刀具破巖能力，提高刀具貫入度，提升掘進(jìn)效率；總結(jié)出高強(qiáng)度全斷面極硬巖盾構(gòu)隧道掘進(jìn)最佳參數(shù)控制范圍，有效避免了盾構(gòu)卡殼、卡螺旋機(jī)抱死、刀盤抱死或者嚴(yán)重磨損刀盤等不良現(xiàn)象的發(fā)生，對今后同類型工程具有切實(shí)的指導(dǎo)意義，推廣應(yīng)用前景廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1]閆建誠．土壓平衡盾構(gòu)全斷面硬巖施工技術(shù)[J]．施工技術(shù)，2014，43(9)：127-130．

[2]楊梅．全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)問題分析及解決措施[J]．鐵道建筑技術(shù)，2015，(5)：54-57．

作者:方治綱 單位:中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司