汪高文，王高敏，高建强

（1、广东建科建设咨询有限公司 广州 510500；2、北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100044）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，城市人口急速膨涨，城市交通压力日益加剧，为缓解城市交通的压力，各大城市开始了地铁建设的热潮，作为区间隧道施工主力的土压平衡盾构［1］在地铁建设中大放异彩。据城市轨道交通协会统计［2］，截至 2017年 12月底，中国内地开通城轨交通运营线路的城市增加至34 个，开通轨道交通线路165条，累计运营里程5 033 km。其中地铁线路3 884 km，占比77.2%。区间隧道施工最常用的工法即为盾构法，而土压平衡盾构应用尤为广泛。

土压平衡盾构面对坚硬岩层［3］时盾构的适用性受到较大的影响，在一些城市（如广州、深圳、成都等）区间地质遇硬岩情况较为普遍。根据现行《地铁设计规范：GB 50307-2012》［4］“盾构法适用于第四纪地层、无侧限抗压强度偏低地层和软岩地层的隧道施工，在硬质岩层和含有大量粗颗粒漂石、块石的地层应慎用。”设计方往往会采用矿山法+盾构空推的方式通过坚硬岩层段。矿山法施工需要额外增加施工竖井而长期占用较大面积土地及加大经济投入，同时因采用爆破作业而增加了巨大的施工安全风险。

选择相应工程项目针对土压平衡盾构在坚硬岩地层掘进技术进行研究并在实际应用中加以验证，解决土压平衡盾构在坚硬混合花岗岩中掘进的难题，可实现合理利用现有设备、节约土地、缩短工期、有利施工安全、绿色环保的目标，社会效益较大。

1 选择研究对象的工程情况

广州地铁13号线［东洲站-新塘站］区间整体采用土压平衡盾构进行施工，但区间局部存在坚硬混合花岗岩地层段，选择该段区间作为土压平衡盾构在坚硬岩地层掘进技术的研究对象较为合适，工程概况介绍如下：

广州地铁13号线［东洲站-新塘站］区间左线隧道起讫里程范围为ZDK57+611.254～ZDK58+687.203，左线隧道长1 049.007 m，短链26.762 m；右线隧道起讫里程范围为 YDK57+611.254～YDK58+618.370，右线隧道长938.512 m，短链68.604 m。区间线路平面设1 个曲线段，曲线半径R=650 m，区间纵断面设计为单向坡，最大坡度为24.45‰，最大坡长为480 m，隧道顶部覆土厚度10.00～26.58 m。。

区间隧道穿越的地层有〈2-1B〉淤泥质土、〈2-2〉淤泥质粉细砂、〈5Z-2〉硬塑性砂质粘性土、〈6Z〉混合花岗岩全风化带、〈7Z〉混合花岗岩强风化带、〈8Z〉混合花岗岩中风化带、〈9Z〉混合花岗岩微风化带，隧道主要穿越〈5Z-2〉、〈6Z〉、〈7Z〉、〈8Z〉和〈9Z〉地层。根据［东洲站-新塘站］区间地质剖面图显示，区间右线共需穿越106 m 全断面硬岩段，穿越环号为373～443环，区间左线共需穿越54 m 全断面硬岩段，穿越环号为 391～426 环。

根据详勘揭示：

⑴〈8Z〉中风化混合花岗岩。揭露层厚0.90～13.00 m，平均 4.22 m，层顶埋深 3.40～43.30 m（标高-21.43～25.20 m）。岩性：青灰色夹浅肉红色，裂隙发育，岩芯呈碎块状，少量扁柱状，锤击声较清脆，花岗变晶结构，眼球状构造，主要矿物成分为石英、长石，次为云母，长石大部分风化成小黄斑点。岩石质量指标RQD 约为40%，节理发育，岩体较破碎，岩石天然单轴抗压强度值为51.9～102.4 MPa，平均83.9 MPa，岩石质量等级为Ⅲ级。

⑵〈9Z〉微风化混合花岗岩。层顶埋深12.80～25.00 m（标高-8.05～15.33 m）。岩性：灰黄色、灰白色，岩芯呈短柱状、扁柱状，局部碎块状，锤击声脆，岩质坚硬，节理裂隙稍发育，变晶结构，片麻状构造。岩石质量指标RQD 约为80%，岩体较完整，岩石天然单轴抗压强度值为 81.8～102.5 MPa，平均 92.4 MPa，岩石质量等级为Ⅱ级。

2 土压平衡盾构在坚硬岩层掘进技术研究

参照《地下铁道工程施工及验收规范》［5］相关要求，从解决土压平衡盾构对坚硬岩层的适用性，更大地发挥土压平衡盾构在地铁建设中的作用出发，通过技术手段对土压平衡盾构过硬岩进行研究，通过采用合理选用刀盘及刀具配置、在掘进过程初期合理选用盾构掘进参数、加强开仓对刀具进行全面检查等措施，以达到土压平衡盾构在坚硬岩层顺利掘进的预期效果。

2.1 对刀盘、刀具等参数指标进行优化设计

⑴刀盘设计首要突出破岩能力以应对中、微风化高强度岩层切削，并兼顾超大粒径孤石的破除，其次强化耐磨性能及刚度、强度要求，以应对特殊地层需要。

刀盘直径6 280 mm，采用6 主梁+6 小副梁设计，采用该种结构设计在可安装更多数量滚刀（46 刃）的同时，刀盘开口整个盘面均匀分布，开口率达34%（中心开口率达38%）。

刀盘的6 分度结构设有6 个支腿，较好地改善结构受力条件，通过有限元分析，大应力部位均配置足够的材料，再经有限元分析复核，刀盘结构的最大综合等效应力为170 MPa，刀盘绝大部分区域的等效应力不小于100 MPa，刀盘强度和刚度均能满足各种地层的施工需要。

⑵刀具配置设计

滚刀配置：刀盘共配置34 把单刃滚刀及6 把双刃滚刀，采取较小（75 mm）刀间距配置，在获得可接受的掘进进度时可破除90～120 MPa 左右岩石，掘进进度减慢时可破除110～140 MPa 岩石。

超挖刀配置：刀盘配置一把合金超挖刀，最高可破除60 MPa 的岩石，但目前仅可用于边滚刀新刀安装时扩挖使用，不作为长距离扩挖刀具。刀具配置如图1所示。

图1 刀具配置图Fig.1 Tool Configuration Diagram

⑶刀盘耐磨设计

刀盘前面板表面堆焊6.4+6.4 复合钢板，外圈梁外表面堆焊12.5+12.5 复合钢板，提高刀盘的耐磨性。

⑷刀盘磨损检测装置

刀盘设置有多处油压式磨损检测装置（共4 处，2处刮刀磨损检测，2 处面板磨损检测），防止漂石破坏刀盘盘体。

⑸刀盘泡沫及膨润土喷口

刀盘所有管路均布置在背面（设有保护措施），完全堵塞不能清理时可在仓内更换。喷口总成可以完全从刀盘背面抽出，完全损坏或阻塞不能疏通时，可在仓内抽出维修或更换。

2.2 施工过程参数控制及其他辅助措施

⑴盾构掘进至整个刀盘进入〈8Z〉中风化层前3环（370、371、372 环），对盾构掘进参数进行信息采集及分析，摸清设备对硬岩的适宜参数。

盾构掘进370、371、372 环参数：掘进总推力控制在1 300 t 左右，刀盘扭矩为2 200 kN·m 左右，掘进速度 5～25 mm/min。

⑵掘进过程每5～10 环施做一个止水环，不仅可以达到止水的效果，还能使壁后注浆密实，有效地防止管片上浮等质量事故。

⑶掘进过程中除向掌子面喷水外，仍需使用一定剂量的泡沫剂，起到润滑刀具的作用，并且能在一定程度上减小扭矩。

⑷在第一次开仓［6］检查刀具时，通过取芯对掌子面岩层的单轴抗压强度及完整性进行检测，为盾构顺利穿过收集准确的资料。

掘进至第375 环（全面进入硬岩第3 环）开仓后，对岩层进行了取芯，并送至试验室进行了岩矿鉴定。鉴定结果为石英30%～35%，钾长石55%～60%，黑云母7%～10%，饱和状态下的单轴抗压强度为89.1 MPa和84.3 MPa（共2 组），与地勘资料相符，仓内取芯情况如图2所示。

图2 仓内取芯情况Fig.2 Coring in Warehouse

2.3 加密开仓检查的频率，设定严格的刀具更换原则

进入〈9Z〉微风化岩层区段初期，每4～5 环开仓检查1 次刀具，盾构掘进稳定、设备参数可控后10 环左右检查1 次刀具，刀具更换原则如表1所示。

表1 刀具更换原则表Tab.1 Table of Tool Replacement Principles

3 工程应用

土压平衡盾构在坚硬混合花岗岩中掘进技术在广州地铁13号线东洲站～新塘站区间右线隧道掘进过程中进行了应用：

3.1 坚硬岩掘进情况

全断面硬岩段掘进环号范围为373～443 环，耗时45 d，累计开仓6 次，硬岩范围内掘进总推力控制在1 300 t 左右，刀盘扭矩为2 000 kN·m 左右，掘进速度均在10 mm/min 以上，最高速度可达到35 mm/min，为空仓推进，环出渣量约为60 m3。相关掘进参数统计如图3所示。

3.2 开仓情况

硬岩段累计开仓作业6 次，累计更换单刃滚刀19把、双刃滚刀5 把、刮刀1 把，累计耗时12 d。开仓后，岩面完整性较好，刀具轨迹清晰，刀具整体性较好，个别刀具需要更换，刀具情况如表2所示。

3.3 应用情况总结

广州地铁13号线东洲站～新塘站区间右线共计穿越全段面硬岩段106 m、71 环，总耗时45 d，其中开仓及换刀作业耗时12 d，实际平均掘进速度为2.15 环/d，最高掘进速度为5 环/d，硬岩范围内掘进总推力控制在 1 100～1 300 t，刀盘扭矩为 1 400～2 000 kN·m，掘进平均速度达到10 mm/min 以上，最高速度可达到35 mm/min。施工期间未出现任何安全及质量问题。

图3 相关掘进参数统计图Fig.3 Shield Tunnel under the Existing Railway Tunneling Parameters

表2 硬岩段开仓及换刀作业情况表Tab.2 Table of Opening and Tool Changing Operation in Hard Rock Section

4 结论

通过实际工程的验证，土压平衡盾构在遇坚硬岩地层（岩层单轴抗压强度大于100 MPa 以上），采用盾构刀盘、刀具合理配置、盾构施工参数的合理选用及优化施工过程控制，同时采取加强开仓检查及更换刀具等措施，是可以实现盾构在坚硬岩层中顺利掘进的，从而达到降低成本、缩短工期、节地、绿色环保、施工安全等多方面的效果。