盾构在不同地层掘进

盾构机在不同地层中的掘进

摘 要：针对泥水盾构在软岩和硬岩中掘进的实际情况，分析岩层对掘进的影响，给出软岩和硬岩中的掘进参数，并进行比较；分析泥水盾构在不同地层中掘进时遇到的特殊情况，根据有利于施工和延长设备使用寿命的原则，提出解决办法。

关键词：AVN2440DS 模式 掘进参数

1 前言

深圳前湾燃机电厂过海管廊工程和忠一武线输气管道城陵矶长江穿越隧道工程均采用AVN2440DS复合式盾构机的泥水模式施工完成，但由于两者地质构成截然不同，盾构掘进情况存在着较大差别。合理选择掘进中的参数，并根据地质情况和参数变化实时作以调整，对按期保质地完成工程和延长设备的使用寿命尤为重要，就盾构机在上述两工程不同地层中的掘进情况作以分析，并给出掘进参数的经验值和解决掘进中遇到问题的方法。

城陵矶长江穿越隧道的地层属硬岩，主要为全～微风化的绿泥石泥质板岩、白云石质泥质板岩、粉砂岩、卵石层等，并通过多个断层，掘进过程重在对刀具的保护，以及通过断层时防止刀盘抱死现象，参数选择相对正常；而深圳前湾燃机电厂过海管廊工程地层属软岩，主要为砂层、粉砂层及部分粘土层，掘进时还要考虑诸如保压、防止刀盘被泥沙抱死、盾构姿态难以调整等情况，因此较为特殊。

2 推进参数的选择及控制

(1) 推进压力大小

城陵矶隧道由于岩层较硬，为了保护刀具，控制掘进速度，一般选择推进压力在160 bar以下，80～120bar左右。深圳管廊则推进压力不稳定，通过泥沙层时，由l于机身被泥沙抱裹，克服阻力较大，推进压力在120bar以上，甚至高达到180bar。左右；通过风化带时，岩层较软且稳定性稍好，推进压力在80 bar左右就能获得较大的掘进速度。

(2) 刀盘压力大小

刀盘压力在硬岩中一般保持在90～140 bar左右，过大则损伤刀具，但其瞬间跳动值不能超过30 bar，若持续保持跳动30 bar左右，则需停机检查刀具；在软岩中刀具一般不会破损，只存在磨损现象，因此刀盘压力的控制根据掘进速度调整，但不能太大，太大则会导致刀盘被泥沙抱死的现象：

(3) 掘进速度

掘进速度可根据地质情况以及推进和刀盘压力进行调整，为保护刀具硬岩应选择稍慢的速度，在25 mm/min左右，断层采用快速通过，而软岩则采用较快的掘进速度50 mm/min左右，甚至更高。但速度控制原则是根据推进压力和刀盘压力进行调整，视具体情况而定。

(4) 开挖仓水压

硬岩条件下，保持较小的掌子面压力可以减小推进压力，便于排渣，在0．3～0．5 bar。左右；断层时至少为l bar，甚至更高；软岩条件下，为了防止出现过挖现象，掌子面压力应和土压保持一致。

(5) 导向油缸压力

导向油缸在掘进中为被动受力，其压力值能反映刀盘阻力。其压力在硬岩下一般单组不宜大于160 bar。四组油缸压力之和不宜大于480 bar，若大于规定值，则调低推进压力和推进速度，否则会造成刀具径向载荷过大，以致损坏刀具内部的轴承和密封。软岩视具体情况而定，但不能过大，过大可能损坏液压设备。

(6) 进排浆系统的压力和流量

进、排浆泵压力调整原则为：在各泵的额定压力值下，能够保证渣石顺利排出。不同岩层的进排浆量调整方法基本相同，推进速度越快，进排浆量就越大；反之，进排浆量可适当减小。

(7) 同步注浆量

同步注浆能够填充掘进留下的空隙，保证管片的稳定性，还能提高隧道的止水性能。注浆压力通常等于或略低于开挖舱压力，以防止浆液流向掌子面而与渣石一起被排出。硬岩条件下，注浆较为正常；但软岩情况下，经常会出现注浆管堵塞现象，应采取直接从管片吊装孔开口，而不经过盾尾注浆孔，来实现同步注浆。

(8) 掘进方向

盾构掘进方向的调整是通过改变四组导向油缸的伸长量来实现的。当需要向左运动时，则右侧两组油缸要比左侧两组伸长量大；需要向上运动时，则下面两组油缸要比上面两组伸长量大；同理，向右和向下，作相应调整。当作组合运动时，则为单向运动的合成。硬

岩条件下，每次调整的差值不能大于2 mm，相应两组差值在20 mm以下，过大可能损伤刀具；软岩条件下，如果纠偏不理想，可适当加大两组之间的差值。

以上为盾构机在两种不同地层中主要参数选择及控制。掘进中的任何一个参数的选择及调整都不是孤立的，都必须根据PLC反馈的数据进行对比，选择最优化的组合，使盾构机在最佳的状态下工作。

3 掘进中遇到的问题及解决办法

盾构机在硬岩和软岩中掘进时，由于地质的不同，可能遇到不同的特殊情况。为了设备的安全和施工的顺利，合理地处理这些特殊情况，尤为重要。在此，就两地掘进中遇到的可能损坏设备和影响施工的情况加以讨论，并提出处理的方法。

(1) 硬岩条件下，主要是判断刀具是否已经发生破损，及时发现并更换刀具，以保护未破损刀具和提高施工速度。一般地，当刀盘压力突然增大，或者瞬间跳动在30 bar以上并持续跳动，则操作人员就应该意识到可能刀具发生破损。这时可以减小推力，并控制速度，观察刀盘压力是否继续保持较高的跳动值，若继续跳动，则需停机检查刀具。刀具的破损往往伴随有较大异常响声，并有较强的震动。单个刀具的破损如果没有及时更换，则会引起其它刀具的受力不均匀，而造成更多刀具的损坏。刀具的过度磨损则可能对刀盘产生磨损，判断刀具磨损主要根据推进参数和地质情况：在正常的地质情况下，刀盘压力和推进压力都比较大，而跳动值不大，这时操作人员可根据掘进中的经验，来判断是否需要停机检查刀具。

(2) 通过断层和较软的泥沙层，有时会遇到盾壳或者刀盘被抱死的现象，由于软岩和断层的极不稳定，因此在掘进时必须保证开挖仓的水压和土压保持平衡，否则可能出现过

挖现象，而造成地表下陷。当软岩的坍塌或者泥沙过多地积压在盾壳上时，会出现推进力过大，而不能获得理想的掘进速度，并且盾尾的铰接油缸完全被拖出却不能缩回，这就是盾壳被抱死的现象。这时可以采取加注膨润土，并在第三节和盾尾的连接处加焊钢板，使第三节能够带动盾尾移动，直到离开断层，掘进的参数趋于正常，再去掉钢板，回到正常的掘进模式。当刀盘被泥沙抱死时，会出现刀盘扭力增大而不能转动，排浆量急速下降，而进浆压力增大。出现这种情况时，可以增大进浆压力至7～8 bar，同时增大排浆量，利用进排浆的压力差，把泥沙给反冲出来，从而恢复到正常的刀盘压力。

(3) 在软岩或者泥沙层中，盾构的姿态也比较难以控制；还可能遇到孤立的石块，给正常的掘进制造麻烦。硬岩中掘进时，每次导向油缸伸长量为2 mm左右，且相对两组的差值最好不要超过20 mm；但在软岩中，由于软岩的不稳定性，盾构机的姿态相对来说较难调整，在深圳前湾过海管廊的施工中，由于盾构机要在码头的两个桩基间通过，而泥沙的不稳定性又导致盾构机向左偏离，采取加大左右两组导向油缸的相对差值，在40～50mm之间，又在第二节和第三节连接处的左侧添加钢板，使盾构机始终处于向右的趋势，最后顺利的通过了码头上的桩基。由于岩层的不完全风化，在粉砂层可能会存在孤立的石块。孤立的石块不易被破碎，只能缓慢的掘进，使其被挤压到一边或者利用导向油缸缓慢伸缩，使其慢慢被磨碎。

4 结语

通过深圳前湾燃机电厂过海管廊工程和忠一武线输气管道城陵矶长江穿越工程的实际经验，可见在施工当中，应根据不同的岩层和实际情况选择适当的掘进参数，使盾构机在最佳的状态下工作，并针对掘进中遇到的问题，集思广益，选择最有效的解决方法，以保证盾构施工的顺利进行。