硬岩段盾构掘进专项施工方案文档格式.docx

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4 

把中心滚刀（8 

刃）、32 

把单刃滚刀，滚刀直径为 

432mm；

配置了切刀

48 

把，刮刀 

12 

把，切削刀具采用大块硬质合金结构形式刀具。

滚刀的刀间距为 

90mm，刀

具采取高低搭配，滚刀伸出量为 

165mm，刮刀伸出量为 

120mm。

滚刀高出齿刀 

45mm，以便

在硬岩地段掘进时保护切刀，掘进中以滚刀先破开岩层，刮刀将破碎的岩石刮进土仓。

刀

具采用耐磨性能和冲击性能都非常优越的 

E5（日本标准）类硬质合金头。

刀盘、刀具的布置详见图 

和图 

2。

图1盾构机刀盘正面

图2盾构机刀盘背面

硬岩段盾构隧道的主要掘进技术

3.1 

掘进模式的选择

承担本区间的盾构具有一机三模式功能，即土压平衡式、开趟式和半开趟式，各模式

可以互换。

在硬岩地层掘进中，由于掌子面很稳定，为了加快推进速度，一般采用开趟式

推进，盾构机切削下来的碴土进入土仓内后，,即刻被螺旋输送机排出，土仓内仅有少量碴

土。

掘进中刀盘和螺旋输送机所受反扭力较小，由于不需控制土仓压力,刀盘扭矩较低，掘

进推力较低，掘进进度快。

3.2 

掘进参数的设定

硬岩地段盾构施工主要掘进参数的设定原则以保护刀具为原则，掘进参数的选择以刀

具贯入度为基准来控制掘进速度和总推力。

正常推进时速度宜控制在 

25mm/min 

之内，同时

-1-

根据监测数据适当加快或放慢推进速度。

在此原则下，对该区间硬岩掘进参数设定如下:

（1） 

盾构推进速度控制在 

0～25 

mm/min 

之间；

（2） 

总推力控制在 

8000～12000 

kN 

（3） 

刀盘扭矩控制在 

1000～2 

000 

kN·

m 

（4） 

刀盘转速控制在 

1.6～2 

r/min 

之间。

3.3 

渣土改良情况

在硬岩段地层掘进中，由于以滚刀破岩为主，渣土破碎后直径在 

1～3cm 

左右，渣土以

针片状碎石为主。

在初期施工中，我们在刀盘前面注入泡沫以期对渣土进行改良，但实际

效果很不理想。

主要原因是由于地下水十分丰富，在大量地下水的稀释作用下，泡沫基本

无法对碎石状渣土形成改良效果。

为此，在后续施工中，我们大胆的提出取消泡沫注入，

通过一段时间的实践，我们认为在富水条件下完全可以取消泡沫的注入，但要及时注意观

察渣土的情况，一旦地下水有所变化就要及时调整渣土改良方案。

图3 

没有注入泡沫的渣土

硬岩段盾构掘进存在的主要问题分析及应对措施

4.1 

刀具磨损严重

在硬岩地层掘进，首先遇到的一个问题就是刀具的磨损。

由于岩层强度高，刀具挤压、

切削围岩效率低，对刀具、刀盘的磨损相应也大。

因此在硬岩地层对刀具质量、刀具的检

查与更换等提出了更高的要求。

在掘进至 

41 

环,对刀具进行检查时发现，滚刀磨损较大，

特别是边缘滚刀磨损严重，磨损情况见表 

1。

为保证开挖直径，防止盾构机被卡住，确保

盾构安全，我们对 

32～41 

号边缘滚刀进行了更换。

根据相关经验，边缘滚刀在磨损超过 

8mm，必须进行更换。

从刀具检查情况来看，滚

刀以正常磨损为主，没有出现偏磨等非正常损坏现象。

更换下来的滚刀见图 

4、掌子面照

片见图 

5，从该图可以看出掌子面滚刀破岩效果非常好，轨迹线清楚，一定程度印证了刀

具的设计布置十分合理。

刀具序号

（#）

磨损量（mm）

滚刀位

置

滚刀位置

9

2

正面

26

4

10

2.5

27

11

28

3

12

29

13

30

5

14

31

15

32

6

边缘滚刀

16

33

17

34

7.5

18

35

19

36

20

37

21

38

8

22

39

23

40

24

41

25

-3-

图4更换下来的10把边缘滚刀

图5掌子面滚刀轨迹线

9 

月 

14 

日，我们开仓对刀具进行了检查，发现 

把新更换的边缘滚刀出现蹦圈现象，

同时部分刮刀出现蹦刃现象。

见图 

6、图 

7。

图6边缘滚刀刀圈崩裂

图7刮刀蹦刃

根据有关研究资料，23MPa 

的岩石强度是滚刀偏磨的分界线,因此在硬岩掘进中，滚刀

非正常磨损现象比复合地层相对要少，但如果掌子面岩层破碎，节理发育，则同样会造成

严重的偏磨等非正常磨损.在大连地铁 

101 

标港湾广场站～中山广场盾构区间的施工中就比

较明显。

该区间在通过辉绿岩地层中，平均强度在 

90MPa 

左右，但由于掌子面岩层裂隙多，

节理发育，造成了很严重的刀具非正常磨损。

该区间掌子面照片见图 

8，从图可以看出，

滚刀的轨迹线基本没有，岩层节理发育、裂缝很多，掌子面不平整，岩石强度也较高。

图8大连地铁港～中区间掌子面状况

由于掌子面的不平整、岩石强度高，造成该区间盾构施工进度十分缓慢，刀具磨损非

常严重，必须每环进行刀具检查。

滚刀损坏情况见图 

9。

图9 

大连地铁港~中区间施工中滚刀损坏情况

4.2 

应对措施

4.2.1建立刀具的定期、不定期检查制度

-5-

对定期检查而言，就是在在掘进中应每隔 

20 

环进行刀具的检查和量测。

在遇到地质情

况有变化，掘进参数异常以及渣土出现异常等特殊情况下，应立即进行刀具检查。

4.2.2刀具的磨损标准

在硬岩中推进，刀具在正常磨损情况下的更换标准为:

边缘滚刀磨损超过 

8mm，中心滚

刀磨损超过 

15～20mm 

时就需要进行更换。

此时磨损的刀圈的刀刃变宽,其冲击压碎和切削

岩石的能力降低，盾构掘进时的推力和扭矩就会增大，从而加大了盾构液压系统和电机系

统的负荷，严重降低掘进效率。

对非正常磨损的损害的刀具也需及时进行更换。

因为一旦

一把刀具失去作用，势必加重相邻刀具的负荷，加快相邻刀具的损害，并造成连锁反应，

产生不可挽回的重大损失。

4.2.3高度重视刀具更换质量

在更换过程中，要确保各安装面清洁干净、干燥，确保定位精度及螺栓的紧固质量。

针对滚刀螺栓容易松动的现象，采取焊接钢筋固定螺栓的措施，实际使用效果良好。

如果

安装质量存在问题，则会造成很多困难。

例如在边缘滚刀安装中，如因安装不到位有 

1mm

的间隙，将直接影响开挖直径 

8～10mm，对中心滚刀而言，若螺栓没有按要求紧固到位，

将会造成滚刀轴向窜到，进而造成刀具不正常损害。

4.3 

管片上浮的问题

4.3.1管片上浮的原因分析

（1）引起管片上浮的因素很多，如工程地质、水文地质、同步注浆质量、盾构姿态等。

就七～西盾构区间而言，由于地下裂隙水十分丰富，围岩为岩层，收敛变形小，围岩与管

片外侧存在 

14cm 

的空隙，为管片上浮提供了空间。

（2）管片脱出盾尾后，即使及时进行了同步注浆，也因为浆液初凝时间一般较长长，

不仅无法对管片提供约束，相反提供了上浮力。

经计算，在砂浆注满的情况下，每环管片

要承受的浮力为 

540kN，但管片的自重仅 

160kN，两者相差 

380kN，自然会造成管片上浮。

管片在刚拼装完成后，受盾尾刷的限制，上浮受限，但会造成盾尾间隙上小下大的现象，

严重会破坏盾尾刷。

在管片脱出盾尾后，上浮逐渐加大，在脱出盾尾 

5～6 

环左右达到最大

值，上浮量在 

12～14cm 

左右。

（3）由于线路纵坡为 

2.8%的下坡，一旦盾构机的轴线与线路纵轴线存在夹角，那么

推力就会产生一个垂直向上的分力，加剧管片的上浮。

对下坡线路，管片后方的水会往盾

构机处汇集，加剧管片的上浮。

（4）盾构机的姿态也影响管片的上浮。

盾构机在掘进中，要通过调整分区油缸的压力

来盾构机的姿态。

一般在掘进中，下部油缸的压力要大于上部油缸的压力。

根据在始发阶

段的经验，下部油缸的压力为 

100bar 

左右，上部油缸压力位 

70bar，上下油缸的压力差将

产生的压力差在 

60t 

不均匀的管片受力加剧了管片的上浮。

4.3.2 

（1）在掘进中，将盾构姿态下调 

10～12cm，以抵消管片上浮造成的轴线偏位。

（2）将注浆方式由同步注浆改为后方注浆。

从设在盾尾的同步注浆管里进行同步注浆

时，地下水极易将浆液稀释并流入土仓，注浆效果较差，并会给正常掘进带来一些困难。

经实践摸索，采用后方注浆方式，注浆效果较好。

后方注浆就是将浆液从盾尾后 

10 

环左右

的管片注浆孔注入。

（3）尽量采用双液浆注浆，以便尽快固定管片。

对同步注浆采用普通砂浆，但尽量缩

短砂浆的初凝时间，尽量控制在 

6h 

以内。

浆液应具有良好的稠度，可以适当添加外加剂，

如高效减少早强剂。

在注浆中，尽量降低注浆压力。

加强二次补浆，二次补浆以双液浆为

主。

（4）加强管片螺栓的紧固工作。

我们采用的气动扳手用于螺栓紧固，紧固力必须达到

该级螺栓要求的紧固力，同时加强对螺栓的复紧工作。

（5）加强对盾构姿态的控制，盾构纠偏要不能过急、过大，以免加剧千斤顶油缸压力

差，严重造成管片环面受力不均。

4.4 

管片的开裂、破损、错台的问题

4.4.1原因分析

七~西区间在始发阶段，管片出现的开裂、破损、错台现象比较突出，严重的影响了盾

构隧道的质量和外观。

（1）管片的整体外观和实体质量较差。

管片局部出现严重的蜂窝，见图 

10。

经我部

对管片进行回弹检测，强度普遍偏低，特别是管片的边缘部位，回弹强度仅 

35Mp 

左右，说

明管片砼存在离析、振捣不到位、管片的养护不当等的现象，管片的贯通裂缝见图 

11。

-7-

图10 

管片边缘出现的严重蜂窝图11管片出现贯通裂缝

（2）在掘进中，盾构机姿态控制不好、管片选型不当、管片上浮会造成盾尾间隙过小，

从而使管片被盾构机外壳挤压破损，见图 

12、图 

13.

图12 

管片边缘出现的破裂图13管片出现破损

（3）操作人不熟练造成的管片破损等质量缺陷，见图 

14、图 

15.。

图14 

管片吊装孔的破裂图15管片吊装孔的破损

（4）盾构机油缸行程差大、压力不均匀造成管片破损。

4.4.2预防措施

要最大限度的减少管片存在的质量问题，应采取以下措施：

（1）加强管片的验收，最大程度的减少不合格管片进场。

虽然管片由业主统一供应，

但我们要严格按规范要求，对每块进场的管片进行细致的验收，对存在裂缝、缺边掉角等

问题管片坚决不予进场。

（2）在管片的场内运输、井下运输及安装过程中，要加强对管片的保护，要轻拿轻放、

平稳运输，不得碰撞。

（3）管片安装前要对管片进行清洗，特别是管片的吊装口和四周一定要清洗干净。

（4）加强对操作工人的培训，建立考核奖励机制。

（5）加强盾构姿态的控制，严格控制油缸的行程差、减少环面的不均匀受力、技术测

量控制盾尾间隙。

（6）加强对吊装口的保护，取出吊装头时严禁硬拉和敲击吊装头。

-9-