地铁隧道超高强硬岩地层盾构施工技术研究_史旭东.pdf

126工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工0 引言在大量的城市轨道建设中，不可避免地遭遇到各种不良地质，超高强度硬质岩层则是施工中需面临的地质问题之一1。对于地铁隧道线路穿越高强硬质岩层时，目前常用施工方法有明挖法、矿山法、盾构法、矿山法+盾构法以及深孔爆破预处理法+盾构法2。在这些方法中，明挖法施工期间需要占用大量的地表空间，而矿山法和深孔爆破预处理法等则需要采用炸药爆破，在城区中对此炸药爆破具有严格的限制，而盾构法具有技术成熟度高、机械化施工、在城区复杂条件下无需爆破施工等诸多优点，因此在高强硬质岩层中掘进施工具有明显的优势3。因此研究超高强度硬质岩石地层中的盾构破岩机理以及盾构掘进施工参数，提高盾构机的掘进速率成为目前的研究热点，日益受到研究者们的关注。1 工程概况某城市轨道交通 3 号线工程左右线起止里程均为DZK15+005DZK18+400，单线长度为 3395m，全线设置地下车站 12 座，区间隧道均为地下盾构隧道。统计全线隧道穿越的岩质地层表明，左线 DZK15+884DZK15+976（92m）为强风化花岗岩，DZK17+158DZK17+269（111m）为中风化花岗岩，DZK18+073DZK18+129（56m）为微风化闪长岩，DZK18+238DZK18+338（100m）为微风化正长斑岩。右线 DZK15+886DZK15+972（89m）为强风化花岗岩，DZK17+150DZK17+270（120m）为中风化花岗岩，DZK18+089DZK18+230（141m）为微风化闪长岩，DZK18+235DZK18+308（73m）为微风化正长斑岩。隧道线路穿越场区硬质岩层的基本地质特征如表 1 所示。从表 1 中可以看出，地铁盾构掘进机需要穿越的超高强度硬质岩石主要有中风化花岗岩、微风化闪长岩和微风化正长斑岩，最大饱和单轴抗压强度分别达到 93.7MPa、153.9MPa 和 186.9MPa。场区岩体的超高强度对盾构机的刀盘和型号都提出了严格要求，合理的盾构掘进参数也成为保证隧道贯通的关键4-6。2 盾构机滚刀与高强硬岩的相互作用机理一般而言，盾构机刀具对岩体的破碎机理主要有 2 种方式，分别是滚压破岩和削切破岩。削切破岩主要是在覆盖土层中发挥作用，切刀到刀刃与土层或者软弱岩体进行施加剪切力，使得岩碎屑与母岩之间进行削切分离。而滚压破岩主要是在硬质岩层中发挥作用，通过圆形刀盘的滚动，使滚刀对周围岩体时间冲击压力和剪切压力，达到岩体压碎和剪切的作用7。本研究中面临的岩体饱和单轴抗压强度具有高强度的特征，因此采取的破碎岩体方式主要以滚压破岩为主。盾构机滚刀与高强度硬质围岩的相互作用机理如图1 所示。地铁隧道超高强硬岩地层盾构施工技术研究史旭东摘要：以某城市轨道交通 3 号线工程区间盾构隧道的施工为研究对象，在分析场区隧道穿越硬质岩体的地质特征和破岩机理基础上，以现场实测为研究手段，对场区的超高强度硬质岩石的不同掘进参数进行研究。结果表明：不同饱和单轴抗压强度和风化程度的岩体，盾构机的推进速率呈现明显的分层现象，超高强度硬质岩体的盾构机推进速率，随着岩体饱和单轴强度的增加而降低；超高强度硬质岩体盾构机的刀盘转速较为一致，范围均位于 0.901.19r/min 之间；微风化闪长岩与微风化正长斑岩的刀盘扭矩相近，且明显大于强风化花岗岩和中风花岗岩的刀盘扭矩；超高强度硬质岩体的推进速率与贯入度存在明显的线形相关关系，与刀盘扭矩、盾构总推进力则存在明显的对数相关关系。关键词：城市地铁；盾构机掘进；硬质岩石；单轴抗压强度；掘进参数；破岩机理（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）表 1 场区岩石层的基本地质特征序号岩石名称RQD值/%饱和单轴抗压强度/MPa地质特征颜色岩石基本质量等级岩石完整程度1强风化花岗岩204020.533.7裂隙发育，裂隙面呈现风化，岩质较坚硬，锤击声哑灰黄色IV破碎2中风化花岗岩456061.793.7裂隙发育，岩质较坚硬，锤击声脆 肉红色III较完整3微风化闪长岩607088.2153.9裂隙不发育，岩质坚硬，锤击声脆 灰白色II完整4微风化正长斑岩 608093.8186.9裂隙不发育，岩质坚硬，含大量的辉石斑晶，锤击声脆浅红色II完整CM&M 2023.011273.2 刀盘与刀具选取为克服超高强度硬质岩石对道具磨损和破碎，同时为减少在盾构掘进过程中的换刀次数，盾构机配置的刀盘采用强韧性 16Mnr 钢材复合式刀盘（辐条+面板）。刀盘的规格为6470mm1595mm。中心双刃滚刀数量为 6 把，高度为 175mm，单刃滚刀为 35 把，高度为 175mm。边刮刀数量为 12 把，高度为 140mm，正面切刀数量为 43 把，高度为 140mm。耐磨合金到刀为 17 把。刀 具 能 破 碎 最 大 硬 质 岩 石 单 轴 抗 压 强 度max为250MPa，由此增强了刀盘削切土体的能力。刀盘开口为45%，适应软硬不均复合地层掘进的同时，能有效保持掌子面的平衡。同时配置 6 个泡沫口、2 个膨润土扣、4 个搅拌棒和 1 把 20mm 超挖量的超挖刀，以便于大颗粒的破碎岩块和渣土能够通过刀盘进入舱体，进而输出洞外。3.3 穿越不同岩性的推进速率研究在超高强度硬质岩石中，盾构机推进速率是最为重要的掘进参数之一，直接关系到超高强度硬质岩石的破碎和削切效率以及地铁施工的工期。但盾构推进速率并非是越快越好，在超高强度硬质岩石中，如果盾构速率过快，破碎的岩石块体对刀具设备的冲击研磨加剧，使得刀具出现开裂、松动，增加了换刀的频次。同时过快的推进速度也不利于盾构姿态的控制。另一方面如果盾构速度过慢，不仅影响施工效率，刀具设备与超高强度硬质岩石之间会出现静态研磨效应，增加刀具的磨损程度。同时也会出现盾构卡壳的风险。因此，控制盾构机推进速度时需要考虑不同地质岩性的影响。3.3.1 不同岩性的盾构机速率对场区隧道穿越不同岩性的推进速率V进行研究，结果如图 2 所示。从图 2 中可以看出，不同饱和单轴抗压强度和风化程度的岩体，盾构机的推进速率呈现明显的分层现象。相对于其他岩体而言，强风化花岗岩的饱和单轴抗压强度较低，且强风化花岗岩存在风化不均等现象，岩滚刀在刀盘的带动下，对超高强度硬质围岩施加冲击压力，岩体受力后经历 3 个阶段的变化，分别是弹性变形、塑性变形以及压碎裂纹剥离，从而达到岩体破碎过程的目的。滚刀的滚动过程一般以螺旋运行为主，其中心轨迹方程如公式（1）所示8。（1）式中，xi、yi和zi为滚刀的中心坐标，R0为滚刀中心与刀盘中心之间的距离，w为滚刀运动的角速度，为滚刀的安装角度，V为刀盘的推进速度，r为滚刀半径，t为时间。在一定的刀盘推力作用下，刀盘滚刀的受力大小可以按公式（2）、公式（3）进行计算。（2）（3）式中，D为滚刀刀圈的外半径，Fn为滚刀受到的法向力，Fr为滚刀受到的切向力，r为滚刀刀尖圆角半径，k为与滚刀距离有关的系数，E1为刀刃的弹性模量，E2为围岩的弹性模量，h为盾构贯入度。3 不同强度岩石盾构施工掘进参数差异分析3.1 盾构机主要参数经过泥水平衡盾构机与土压平衡盾构机对比，本研究中选定的盾构机为土压平衡式盾构机，其总质量为 500t，驱动功率为 945kW，最大掘进速度为 80mm/min，最大推力可以提供 42550kN，最大转速为 3.7r/min，最大扭矩为 7200kNm，额定扭矩为 6000kNm。盾尾部采用3 道钢丝刷密封，最大工作压力为 0.3MPa，最大设计压力为 0.5MPa。水平最大转弯半径为 25m，纵向爬坡能力为 50，铰接形式为被动交接，螺旋机最大通过粒径为340mm560mm。图1 盾构机滚刀与高强度硬质围岩的相互作用机理图2 不同岩性的盾构机速率分布观测点推进速率V/mmmin-1128工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工体内还残存有中风化块体，球形风化现象明显，因此导致盾构机在穿越该层岩体时，其盾构机推进速率V变化浮动范围大，表现出明显的离散性。盾构机最大推进速率为29.86mm/min，最小推进速率为 15.13mm/min。超高强度硬质岩体的盾构机推进速率V，随着岩体饱和单轴强度的增加而降低，且盾构机推进速率V的变化浮动范围相对集中。其中中风花岗岩的盾构机速率最大值Vmax为 24.98 mm/min，最小值Vmin为 15.13 mm/min，中位值Vmed为 22.15 mm/min。微风化闪长岩的盾构机速率最大值Vmax为24.20mm/min，最小值Vmin为 15.02mm/min，中位值Vmed为17.97mm/min。微风化正长斑岩的盾构机速率最大值Vmax为19.86mm/min，最小值Vmin为 13.09mm/min，中位值Vmed为 15.98mm/min。3.3.2 不同岩性的盾构机刀盘转速刀盘转速由盾构机人员施工时设定，其大小可以影响滚刀的运动轨迹，滚刀对超高强度的硬质岩石的破碎冲击力也会有所不同。因此，对场区隧道穿越不同岩性的刀盘转速进行研究，结果如图 3 所示。从图 3 中可以看出，由于强风化花岗岩的饱和单轴抗压强度相对其他围岩而言较低，因此盾构机刀盘转速Vn出现明显的分离。其最大刀盘转速Vn,max为 1.49r/min，最小刀盘转速Vn,min为 1.21 r/min，中位值Vn,med为 1.33 r/min。而对于超高强度硬质岩体而言，盾构机的刀盘速度转速Vn较为一致，分别范围均位于 0.901.19r/min 之间。3.3.3 不同岩性的刀盘扭矩刀盘扭矩Mn与岩体的单轴抗压强度有明显的相关关系，一般而言，越坚硬的岩石，需要的刀盘扭矩Mn也越大。而对于风化程度较高，单轴抗压强度较低的岩石而言，所需的刀盘扭矩Mn则越低。对场区隧道穿越不同岩性的刀盘扭矩Mn进行研究，结果如图 4 所示。从图 4 中可以看出，不同风化程度的岩体其刀盘扭矩Mn存在明显的不同，呈现明显分层现象，其中，强风化花岗岩的刀盘扭矩Mn由于风化程度不均，其刀盘扭矩Mn呈现较宽范围的离散型，最大扭矩值Mn,max为 3459kNm，最小扭矩值Mn,min为 1102 kNm，扭矩中位值Mn,med为2289kNm。中风化花岗岩的刀盘扭矩Mn比强风化花岗岩的扭矩略大，但其分布范围进一步缩小，集中程度更高，最大扭矩值Mn,max为 3988kNm，最小扭矩值Mn,min为2000kNm，扭矩中位值Mn,med为 2959kNm。微风化闪长岩与微风化正长斑岩的刀盘扭矩相近，且明显大于强风化花岗岩和中风花岗岩的刀盘扭矩，最大扭矩值Mn,max为4496kNm，最小扭矩值Mn,min为 2644kNm，扭矩中位值Mn,med为 3801kNm。4 不同掘进参数条件下的施工现场测试4.1 盾构推进速率与贯入度相互关系在施工现场，采用盾构机内置的传感器，对超高强度硬质岩体的掘进参数进行监测并统计分析。高强度硬质岩体的盾构推进速率V与贯入度h相互关系如图 5 所示。从图 5 中可以看出，超高强度硬质岩体的推进速率V与贯入度h存在明显的线形相关关系，随着盾构机推进速率V的增加，贯入度h也不断增加，两者的相互关系如公式（4）所示。h=0.7937V-0.652，R2=0.9592 （4）式中，h为盾构机在超高强度硬质岩体中的贯入度，V为盾构机的推进速率，R为线性拟合系数。4.2 盾构推进速率与刀盘扭矩相互关系高强度硬质岩体的盾构推进速率V与刀盘扭矩Mn相互关系如图 6 所示。从图 6 中可以看出，超高强度硬质岩体的推进速率V与刀盘扭矩Mn存在明显的对数相关关系，随着推进速率V的增加，刀盘扭矩Mn也不断增加，两者的相互关系如公式（5）所示。Mn=448.01lnV+1381.7，R2=0.8998 （5）式中，Mn为盾构机在超高强度硬质岩体中的刀盘扭矩，图3 不同岩性的盾构机刀盘转速分布图4 不同岩性的盾构机刀盘扭矩分布观测点观测点刀盘转速Vn/rmin-1刀盘扭矩Mn/