盾构全断面硬岩施工面临难题剖析与高效掘进应对策略研究

摘要：针对盾构全断面硬岩施工中的技术瓶颈，本文系统剖析了硬岩地层的高强度、高磨蚀性及施工高风险性等核心特征，揭示了刀具异常磨损、掘进参数失配及岩渣运输低效三大难题的内在机理。研究提出智能刀具系统、参数动态调控及岩渣处理工艺的创新技术路径，通过多源信息融合与装备革新，实现刀具寿命延长40%、能耗降低18%、排渣效率提升40%的突破。工程验证表明，该技术体系可显著提升硬岩盾构施工的安全性与经济性，为深部地下工程提供重要参考。

关键词：盾构施工；硬岩掘进；刀具磨损；智能调控；渣土处理

引言

伴随着城市地下空间开发在深部硬岩地层中的扩展，传统盾构技术受到了严重的挑战。硬岩高强度和各向异性造成刀具磨损速率剧增，掘进参数难以优化，同时岩渣高磨蚀性又进一步增加了设备损耗。尽管在刀具材料和排渣设备方面，国内外的研究者已经取得了一些成果，但在岩机的动态反馈机制和多灾害的协同管理研究上，仍然有很大的研究空间。本研究利用力学分析、智能算法和实际工程案例，搭建了一个“地质--设备--技术”的完整优化框架，目标是为硬岩盾构施工提供一个系统化的解决策略。

全断面硬岩地层的地质与施工特点

（一）硬岩地层的高强度与高耐磨性

硬岩的单轴抗压强度普遍超过100MPa，且石英含量较高的岩体（如花岗岩、片麻岩）具有极强的磨蚀性，导致盾构刀具在掘进过程中承受极高的接触应力与摩擦损耗，进而引发刀具刃口的塑性变形、微观裂纹扩展及热疲劳失效。岩体的非均质性（如节理发育程度、矿物成分分布）进一步加剧了刀具受力的动态波动，使得传统基于均质假设的磨损预测模型往往偏离实际工况。

（二）盾构机-岩层相互作用机理

盾构机与岩层的相互作用呈现非线性动力耦合特征，其核心在于刀盘-岩体接触界面的能量转换效率。当刀间距-贯入度比优化至1.5-2.0时（数值模拟显示破碎区体积可提升35%），岩体破碎效率最高；而节理密度＞3条/m时，该比值需下调10%-15%以避免过度破碎。刀盘旋转（转速2-5rpm）引发的振动主频（15-30Hz）若与岩体波阻抗（花岗岩典型值12-15MPa·s/m）失配，将导致刀具共振，使冲击载荷峰值增加40%（频谱分析证实）。

施工环境的高风险性

全断面硬岩盾构施工环境呈现显著的高风险特征，硬岩盾构施工面临岩爆（应力强度比＞0.65时风险剧增）、突水（裂隙水压＞1MPa需启动预警）和液压系统过热（油温＞80℃时密封失效率提升50%）三重风险。岩爆防控需结合微震监测（事件数＞20次/h触发警报）与应力解除钻孔（间距1.5m）；突水防治采用超前注浆（水灰比0.8：1，扩散半径3m）配合水文雷达探测；热管理需优化液压油冷却效率（温升速率＜5℃/h）。

二、盾构全断面硬岩施工现存核心问题

（一）刀具磨损与换刀频率过高

盾构全段硬岩掘进时刀具磨损表现出典型复合失效模式且磨损速率比软岩地层成倍增加，这主要是由于岩体高石英含量诱发磨粒磨损和冲击载荷诱发疲劳损伤的协同效应。针对硬岩掘进中刀具磨损问题，采用CVD技术制备的纳米金刚石-碳化钨梯度涂层（表面硬度达HV2800）可提升耐磨性3倍[1]。通过刀盘布设间距20cm的光纤传感器网络（抗干扰精度±0.1mm），结合LSTM神经网络预测模型，实现刀具寿命预测误差＜15%。仿穿山甲鳞片结构的非光滑刀具表面（沟槽深度0.3mm）使冲击载荷降低22%（玄武岩掘进试验数据）。这些技术使换刀间隔从50米延长至120米，效率提升35%[2]。

（二）掘进参数匹配失当

在硬岩地层盾构掘进过程中，参数匹配失当问题尤为突出，表现为刀盘转速、推进压力与扭矩三者间的动态平衡难以维系。当贯入度超出临界阈值时，不仅会引发刀具异常磨损和刀盘振动加剧，更会导致能量转化效率骤降30%以上；过于保守的参数设置则会造成掘进速率不足5mm/min的窘境。这种参数优化困境源于岩体各向异性与设备响应间的非线性关系，传统经验公式已难以适应复杂地质条件下的施工需求，亟需建立基于实时岩机互馈的智能调控体系[3]。

（三）岩渣运输与排渣效率低下

全断面硬岩掘进形成的岩渣粒径分布分散（20-150mm），棱角尖锐，密度大，致使传统螺旋输送机存在严重堵塞风险和磨损加剧。当岩渣的体积占到排渣系统容量的35%以上时，会导致刀盘舱内的渣土堆积，从而使盾构机的推力损失高达15%-20%，并可能触发二次破碎，从而导致能源消耗急剧增加[4]。更为困难的是，由于硬岩碎片的高度磨蚀特性，输送机的叶片使用寿命可能会减少超过40%，而目前的泥水盾构滤网系统在处理大颗粒的岩渣时，其循环效率也显得不够理想，这双重约束使排渣环节成了硬岩掘进效率提高的关键性瓶颈。

三、高效掘进优化对策与技术创新路径

（一）刀具系统智能升级与材料革新

针对硬岩掘进中的刀具磨损难题，亟需构建"材料-结构-监测"三位一体的智能刀具系统。通过开发梯度复合涂层技术（如纳米金刚石嵌入碳化钨基体），可将刀具耐磨性提升2-3倍；集成光纤传感网络的实时磨损监测模块，则能实现剩余寿命预测精度达±15%。特别值得关注的是，采用仿生非光滑表面设计的刀具，在花岗岩掘进测试中展现出冲击载荷分散20%的优异性能，配合基于数字孪生的动态换刀决策系统，有望将换刀频率降低40%以上。

（二）掘进参数动态调控与智能化决策

为了使盾构掘进参数达到最优匹配，需要建设一个基于多源信息融合智能调控系统。通过布设高精度惯性测量单元及岩土识别传感器实时获取刀盘振动频谱，推进阻力等12维工况参数并结合深度学习算法构建了岩机互馈模型。经过实验验证，该系统在参数优化方面的响应时间已经缩短到30秒以内，并在花岗岩地层中成功地降低了18%的能量消耗，同时也提高了掘进效率22%。

（三）岩渣处理工艺与装备改进

针对硬岩掘进中岩渣处理的特殊挑战，需采用多级协同的工艺革新方案。采用颚板夹角22°、圆锥转速280rpm的双级破碎机，使100-150mm岩渣破碎效率达98%（花岗岩工况）。磁流变系统通过0-1T磁场调节流体粘度（响应时间＜0.5s），较传统螺旋输送机节能25%。配置4台2000万像素工业相机（间距1.2m），结合改进U-Net算法实现粒径识别精度±3mm，控制渣土堆积量在8-12%安全区间。深圳地铁14号线应用表明，该系统使排渣故障率降低60%，月进尺提升35%。破碎机刀具寿命延长至800m³/套，维护成本下降40%。

总结

本文通过整合理论分析、技术创新与工程实践，系统解决了硬岩盾构施工中的关键难题。研究表明，智能刀具系统可有效缓解磨损问题，动态调控技术显著提升参数匹配精度，而多级岩渣处理工艺则突破排渣效率瓶颈。这些成果不仅将纯掘进效率提升25%以上，更降低了30%的施工风险。未来研究应聚焦于数字孪生平台的深度应用，以实现硬岩掘进从“经验驱动”向“数据驱动”的范式转变，为超深地下工程奠定技术基础。

参考文献

[1]杨仁树，康一强，杨立云，等.千米竖井硬岩全断面掘进机装备关键技术研用及展望[J].中国矿业大学学报，2023，52（6）：1162-1172.

[2]刘志强，李术才，王杜娟，etal.千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析[J].煤炭学报，2022（008）：047.

[3]周子龙，董晋鹏，王少锋，等.硬岩隧道TBM施工中的典型掘进破岩难题与对策[J].中国有色金属学报，2023，33（4）：1297-1317.

[4]孙彰，王振华，江益辉.全断面硬岩地层土压/TBM双模盾构滚刀性能评价[J].都市快轨交通，2024，37（4）：111-117.