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摘要：土压平衡盾构在全断面硬岩富水地层掘进存在速度慢，螺旋输送机喷涌现象严重，皮带输送机带不走渣，盾构姿态控制难度大，设备及刀具磨损严重且刀具更换频繁等问题。如何在盾构选型合理的基础上选择合适的掘进模式，对盾构掘进参数和盾构姿态严格控制，并加强刀具管理，采取相关辅助措施，是确保盾构安全顺利推进的关键。
关键词：广佛环线；盾构施工；全断面硬岩富水地层；掘进技术；施工对策
引言
目前国内土压平衡盾构主要应用于软岩地层，在全断面硬岩地层中应用的经验较少，由其是在硬岩富水地层中易出现螺机喷涌等现象，施工难度较大，尤其是大直径土压盾构，更需要根据掘进实际情况制定合理可行的施工技术。
1 项目简介
9号工作井～琶洲站盾构区间为科琶区间大里程方向段，采用两台德国海瑞克φ9.13m土压平衡盾构从9号工作井始发，线路穿越仑头海、南沙港快速路和广州绕城高速后，下穿北山村密集建筑物居民区后，继续向北穿越黄埔涌后与在建地铁11号线同方向前行，最后下穿既有地铁8号线到达琶洲站。本段盾构区间隧道设计为双线圆形隧道，盾构隧道开挖断面为9.13m，其中全断面硬岩地层分别为1060m及1213m。区间自第85环开始至280环穿越仑头海，下行线自第110环开始至307环穿越仑头海，本区段地下水主要为基岩裂隙水，主要赋存在二长花岗岩强风化带及中等风化带，为承压水，水量较丰富，渗透系数为0.38m/d，根据详勘报告，仑头海前后掌子面涌水量为6.02～8.35 m3/d，上行线过江段单位长度最大涌水量为77.22（m3/d﹒m），下行线过江段单位长度最大涌水量为135.56（m3/d﹒m）。从盾构始发截止到目前，上、下行线隧道洞身均为穿越全断面中风化二长花岗岩地层，以及全、强风化和中风化二长花岗岩组成的上软下硬复合地层，岩面起伏大，强度高，设计单位地质详勘报告揭示岩石天然抗压强度平均值为30.5MPa，实际掘进过程取样试验平均强度达到112Mpa。
2 盾构掘进遇到的困难
在全断面硬岩富水地层中掘进主要存在的问题由以下几方面：
1、区间地层取芯及现场出渣岩块抗压实验揭示，该地段中岩石单轴抗压强度为30～115 MPa，掘进过程刀具磨损严重，平均每18环需开仓检查、更换刀具。如何快速有效通过该区间的硬岩地段，成为整个工程的重点和难点。
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图2刀具磨损情况
2、由于切口位置水头高、水量大，导致盾构机螺旋输送机易发生喷涌、喷渣，增加清渣量，上下行线清渣时间占比分别为6%、10%；同时渣土含水量高，增加每环外运方量、增加换车次数，平均掘进一环要出渣约17车，需换车3次以上（含3次），进而导致翻渣循环时间增加，部分工序无法正常衔接，导致有效掘进时间增长。
3、由于地层岩石强度高，涌水量大，喷涌现象严重，盾构机长期处于高负荷运转状态，设备温度偏高，对液压系统、主驱动系统、电气系统影响较大。根据现有故障统计，主要故障集中在推进系统、主驱动电机及变频器、螺旋输送机等系统，制约盾构的连续掘进作业。
4、不良地质掘进施工过程中，出渣喷涌严重，人员清渣占用较多工序时长，开仓换刀频繁，掘进出渣编组运输量相对出渣量较欠缺，中间停滞时间较长，形成一定的恶性循环。
3 全断面硬岩地层掘进施工技术
3.1工艺流程
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图1施工工艺流程图
3.2掘进控制
1.掘进参数
（1）掘进模式选择
根据前期全断面硬岩掘进情况，掌子面围岩自稳性较好，对硬岩采用半敞开模式掘进。土仓内渣土高度占土仓的1/3，剩余2/3将以气压代替（采用低渣位掘进，渣土高于螺旋输送机出渣口）。
（2）切口压力设定
在全断面硬岩地层，由于掌子面围岩自稳性较好，为保证注浆质量，减少地下水侵入，同时减少喷涌现象，掘进过程中切口压力应不得低于1.0bar。同时结合计算切口压力，根据实际情况及时进行动态调整。
（3）总推力：总推力以控制刀具最大有效推力为准，最大推力F=2000t+650*切口压力，掘进过程不得超过推力上限值。
（4）推进速度：掘进速度控制在8～15mm/min。
（5）刀盘转速：为保证刀具在全断面岩层有效切削，刀盘转速设定为1.5～1.8rpm，裂隙发育时为1.2～1.5rpm，掘进过程中根据掘进速度、贯入度进行调整。
（6）刀盘扭矩：掘进扭矩2500-4000KNm，控制在4500KNm以内，最大扭矩波动不得超过1000KNm。
（7）同步注浆量不应小于12m3，注浆压力大于切口压力1bar左右。
2.姿态控制
（1）控制盾构姿态是为实现对管片拼装允许偏差、成型管片轴线偏差的控制要求。
（2）由于在硬岩富水段施工过程中地层水较大，地层水汇集易造成管片上浮。因此，掘进过程中盾构机姿态维持-30~-50mm，根据管片姿态及时进行修正，以平衡因管片上浮引起的轴线偏差。
盾构机水平掘进姿态不得大于限值±50mm，达到限值盾构机需暂时停机，查清原因，采取相应措施后，方能继续推进。
（3）趋势控制±5mm/m以内，滚动角控制±5mm/m以内
当偏差过大时，在较长距离内分次限量逐步纠偏，。每米纠偏量控制在2-3mm，每环纠偏量不超过5mm。纠偏时需防止因纠偏量过大损坏已拼装的管片和防止盾尾漏浆。纠偏应采用调整盾构姿态的方法来纠偏，纠正横向偏差和竖向偏差时，采取分区控制盾构掘进液压缸的方法进行纠偏；纠正滚动偏差时采用改变刀盘旋转方向、施加反向旋转力矩的方法进行纠偏。
（4）硬岩掘进震动较大，可能造成导向系统全站仪倾斜而测量错误，因此，应经常对测量系统进行检查，发现错误即时纠正。
（5）盾构掘进施工中，经常测量和复核隧道轴线、管片状态及盾构姿态，发现偏差应及时纠正。管片姿态测量频率一般为5环1次，在特殊地段、特殊时期根据监测情况和施工需要，监测频率可加大为2环1次～1环1次。
3.3渣土改良
在硬岩富水地层中，渣土含泥量极低，土压平衡盾构仓内排出的渣土较稀、流塑状态差，水渣分离。易造成喷涌（喷涌后清渣困难、时间长）、卡螺旋输送机、皮带输送机无法带走渣土（水渣分离，皮带机先带走水后再带走渣）、仓内压力无法稳定控制。成了制约施工进度的最大问题。而常规的渣土改良已无法满足施工要求。
1.泡沫剂添加
泡沫的作用主要是冷却和润滑刀具的作用，加入比例为5～10%，平均每环（管片宽度为1.8m）用量为70～80L。
2.聚合物添加
在盾构掘进时用活塞式注浆泵通过螺机底部或土仓壁上的预留孔注入高浓度聚丙烯酰胺水溶液。增强渣土的粘聚力，减小水渣分离及喷涌现象，提高皮带输送机携渣能力。平均每环（管片宽度为1.8m）用量为30～40kg。
泵送前先在搅拌桶中放水，搅拌桶容积约0.4方，边搅拌边加入聚丙烯酰胺，每桶聚丙烯酰胺固体用量为6～8kg，搅拌时间不小于120s，使聚丙烯酰胺固体溶解充分，随后再采用注浆泵泵送至土仓中，通过刀盘的转动使得聚丙烯酰胺水溶液与仓内的渣土拌和均匀以改善渣土性能。实际掘进过程根据出渣状态做适当调整，以改良渣土达到出渣顺畅进行控制。聚丙烯酰胺加注见图2。
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图2聚丙烯酰胺加注
3.水的添加
水主要以与泡沫的混合物加入，用量不大。当仓内来水较小，渣土较干时，再单独往土仓内加入水，用量以在土仓内不积水和在皮带上不流水为限。
3.4辅助措施
1.掘进前排水
掘进前往土仓中加气，通过土仓面板3、9点位的排水孔将土仓中的水压出仓外，将水位降至3、9点，然后在启动刀盘开始推进，这样使得在推进前期渣土不会太稀，能顺利带走渣土，提高掘进效率。
2.掘进过程中排水
在掘进过程中当仓内压力上升过快，无法通过螺旋输送机出渣控制时打开土仓面板顶部12点钟方向的排水泄压孔，将仓内泥浆排放至皮带输送机后方，再排放至渣斗中。此方法能有效稳住仓内压力，不会因仓内压力过高而导致的喷渣喷涌现象。
3.5壁后注浆
盾构隧道施工过程中对地面沉降要求较高，盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透、管片上浮错台等现象。为减少和防止地表沉降，堵住后方来水进入土仓，避免管片上浮，管片拖出盾尾后错台。在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的衬砌管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙，管片背后注浆包括同步注浆、二次注浆、注聚氨酯止水。
1.同步注浆
同步注浆与盾构掘进同时进行，通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用三泵六管路（六注入点）对称同时注浆。
胶凝时间一般为3～8h，根据现目前地层条件和掘进速度，通过现场试验，拟在后续改进同步注浆系统，同步注入水玻璃，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。注浆时根据推进速度调节同步注浆速度，保证每环注浆量不小于12m3，注浆压力不小于土仓压力1bar。
2.二次注浆
在硬岩富水地层，盾构隧道管片背后充填不密，无法有效封堵后方来水，造成渣土稀，无法稳定仓内土压，容易诱发喷涌、工后管片错台、漏水、地面沉降超限等问题，在施工过程中应及时进行盾构隧道内二次注浆，以控制工后沉降，防止管片上浮，提高防水效果等，有效封堵后方来水，提高掘进功效。
注浆封水环位置选择在管片脱出盾尾后方7环位置，在管片注浆孔上安装球阀，打开球阀阀门，使用风钻打穿管片壁后保护层或将钢钎插入孔口管内部，用大锤击打钢钎，打穿管片，拔出钻杆或钢钎，关闭球阀，连接注浆管路。
在搅拌机中拌制水泥浆液。根据管片背后开孔情况调整配合比，将水泥浆液的凝结时间调整在20～60s。
开始进行二次注浆作业。注浆时，先打开水泥泵管，15～20秒后打开水玻璃注浆管；浆液泵送完毕之后，应先停水注水玻璃，15～20秒后停止水泥液浆泵送。
注浆完成，清洗管路及设备，开始对下一注浆孔进行注浆。
止水环注浆顺序先在顶部开孔注0.5m3浆液（不封孔），再从底部对称逐步向上注入。注浆时需在打开注入孔位周边相邻孔位作为泄压孔和观察孔，同时严格控制注浆压力，观察周边管片变形情况，出现异常及时停机进行处理。
每5～10环进行一次封水环注浆，在已完成的止水环后方注浆时只需注入单液浆填充即可。
3.聚氨酯应急封环
当管片后方水压水流较大时，二次注浆无法及时封堵后方来水时，此时为快速止住后方来水，需注入聚氨酯材料进行封环止水，方法与二次注浆相同。
聚氨酯采用油性及水性混合后再进行注入，油性聚氨酯与水性聚氨酯配合比为1：1，此时浆液接触水后发泡效果最佳，每一环需注入聚氨酯约8 m3。
3.6掘进施工
在掘进施工过程中严格按照掘进技术交底进行掘进模式选择与掘进参数控制，并根据掘进参数变化、渣土性质、温度等及时分析掌握掘进情况，确保盾构掘进过程中始终处于可控状况。
3.7管片拼装
管片要尽量垂直于盾构轴线，让盾构机的推进油缸能垂直地推在管片上，这样使管片受力均匀，掘进时不会产生管片破损。同时也要兼顾管片与盾尾之间的间隙，避免盾构机与管片发生碰撞而破损管片。当因地质不均、推力不均等原因，使盾构机偏离线路设计轴线时，管片选型要适应盾构姿态。
管片拼装采取自下而上的原则，由下部开始，先装底部标准块（或邻接块），再对称拼装标准块和邻接块，最后拼装封顶块，封顶块拼装时，先径向搭接2/3，径向推上，然后纵向插入。
3.8刀具管理
成立专业刀具及配件管理工程师。建立严格的定期和不定期刀具检查制度，是盾构机在硬岩段掘进中必要的保障。
（1）定期刀具检查制度：一是刀具更换完成后，试运转后检查刀具的安装是否良好；二是根据围岩的不同情况，制定每掘进完成一定长度（15环），强制性进行刀具的磨损常规检查，并对检查情况进行评价，制定刀具的维护、更换方案。
（2）不定期刀具检查制度：主要是在盾构掘进过程中，掘进参数异常推进过程很难进行，重点针对掘进速度、扭矩、推力三者参数的异常情况进行综合判断。这时对刀具进行检查，并对刀具磨损量进行检查评估，制定刀具维护、更换方案。
（3）刀具配件管理制度：配置专职配件管理工程师，负责刀具配件的全过程管理，配件台账建立、消耗统计及配件使用的考核管理。在刀具配件库存达到预警值时，由配件工程师及时提醒刀具工程师提交刀具配件计划，计划审批后筹备刀具配件购置工作。
（4）刀具检查执行动态管理理念。根据开仓换刀统计情况，掌握刀具参数和前期进仓检查刀具总结的刀具磨损规律，确保盾构良性运转。每次开仓换刀后及时进行刀具分析，每把刀均单独建立台账，通过对每次换刀情况进行统计分析，不断对刀具进行优化。
3.9洞内水平运输
在盾构掘进过程中，洞内运输采用有轨运输双轨单线，每1km设会车双道岔双线一处，便于列车编组会车。在工作井井口段设置四轨双线，便于编组列车错车和材料及机械设备的吊放，距隧道口适当处设双线错车道。运输轨道布置见图3。
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图3 运输轨道布置图
洞内水平运输采用重载编组列车进行，每条盾构隧道区间用三列编组水平运输设备，其中两列用于盾构掘进，一列用于隧底结构及联络通道的施工。盾构掘进每列编组由55t变频电机车、6节15m3矿车、1节砂浆车和2节管片车组成。如图4所示。
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图4 盾构掘进列车编组示意图
盾构每掘进一环，同步注浆量设定为12 m3，每环管片7块。根据列车编组，由于渣土较稀，通常每掘进一环需要12～14个矿斗出渣。根据掘进情况，双线各增设一趟金刚车编组，同步进行洞内隧底填充作业。
3.10垂直运输
本标段工程的垂直运输分为两个部分，第一部分为施工材料的垂直运输，起吊设备采用2台50t龙门吊；第二部分为渣土垂直运输，主要采用一套垂直提升出渣系统进行渣土（渣土垂直提升系统见图5），50t龙门吊辅助出渣。
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图5渣土垂直提升系统
4 结论与建议
近年来，城际铁路蓬勃发展，盾构机在隧道修建中发挥了不可替代的作用，本文基于广佛环线全断面硬岩富水地层施工总结分析所得的经验，过程中在详细计算施工参数的同时，严格落实各项施工技术。在此基础上，根据现场实际情况，及时调整改善施工方案。从而达到提高工程施工质量、节约施工资源、缩短施工工期的目的。使施工企业的信誉与形象得到提升。
参考文献：
[1]硬岩地层盾构机掘进技术探讨[J].李锐.隧道建设.2011（S2）
[2]极硬岩层条件下盾构推进参数的优化[J].贾科.路基工程.2010（03）
[3]广州地铁硬岩段土压平衡盾构掘进施工的对策[J].靳世鹤.都市快轨交通.2007（03）