随着城市轨道的建设发展，盾构隧道在轨道交通中占有举足轻重的地位。但由于地质条件的不确定性，在盾构隧道施工过程中往往会遇到地下不明障碍物，导致盾构机刀具会产生严重的磨损，以至盾构机在掘进过程掘进效率低下，甚至无法掘进。当刀具磨损严重时对刀具进行置换便成为了我们的必选方式，但刀具置换必须具备一定的工作空间，如何创造工作空间便成了刀具置换的重点问题，本文以厦门轨道交通4号线工程后厦盾构区间盾构掘进过程中遇到全断面基岩为例，研究了盾构机掘进施工过程中高强度基岩条件下盾构刀具置换工作空间创造施工技术，保证了盾构机刀具置换的顺利进行，为以后盾构掘进施工中遇到类似工程条件提供参考。
隧道施工；高强度基岩；盾构机；刀具置换；工作面
1工程概况
厦门市轨道交通4号线工程后厦盾构区间上、下行线均自后厦区间明挖东侧始发、始发后下穿绿林带、珩丰路、后垵窗内社、圣果路、岩昌路、岩通路接入厦门北站。区间上、下行长均约m。线路平面最小平区间半径m，上、下行纵断面为单坡形式，隧道顶部覆土厚度为6.7~16m，盾构隧道外径为mm，内径为mm。本工程采用中铁重工生产的土压平衡盾构机，盾构机直径为mm。
2盾构区间高强度基岩区介绍
根据后厦盾构区间左线详细勘查报告及我部施工勘查显示后厦盾构区间下行线ZDK30+.00~ZDK30+及ZDK30+~ZDK30+外上软下硬地层区域，上覆地层岩性为全风化花岗岩，下卧地层为微风化花岗岩；ZDK30+~ZDK30+（环~环）段为全断面基岩，岩性为微风化花岗岩，微风化花岗岩单轴抗压强度达到Mpa。由于基岩上方为后溪长途汽车站且暂未拆除（详见图1），无地面处理条件，因此我部采取了对基岩区域不进行预处理，盾构机直接掘进的方案，且计划在全断面区域常压开仓换刀，并根据基岩凸起情况预先选定了三处常压开仓地点。
由于盾构机已经穿越了部分孤石区域及上软下硬地层，年10月7日上午，盾构机于后厦盾构区间下行线推进至环时（尚未到达预定开仓地点，拟定开仓地点详见图2），盾构机掘进速度突然下降、扭矩及推力增大，盾构刀盘跳停的情况，此时盾构机已无法向前推进。根据我司对障碍物的处理经验，为防止盾构机发生更严重的损坏，掘进停止掘进，立即采取常压开仓的方式对刀具进行检查及置换。
3盾构机刀盘介绍
刀盘设计根据施工需求，可配置滚刀或在滚刀刀箱上安装撕裂刀。在滚刀刀箱上安装撕裂刀，辅以合理的渣土改良，可满足在粘土、砂层等软土地层的施工要求；若在刀盘上安装滚刀，可满足在风化岩地层的施工要求。
采用准面板结构设计，可安装滚刀或在滚刀刀箱上安装撕裂刀，开口率33%，刀盘中心开口率38%。开口在整个盘面均匀分布，保证刀盘掘进过程中碴土顺利进入土仓。该盾构机刀盘配置17寸中心双联滚刀6把、17寸单刃滚刀38把、刮刀49把、边刮刀12把、仿形刀1把。
4盾构机刀具置换工作面创造方案比选
盾构机刀具置换中在刀盘与掌子面之间需要一定的工作空间作为刀具的安拆空间，安拆空间需满足刀具安装与拆除时刀具的输送要求，一般而言为30cm。在本工程为满刀具安拆空间要求，我部首先采取的措施为回收顶进千斤顶，然后向土仓内充气，利用土仓内带的气压与掌子面之间的反作用力，强制性的使盾体产生一定的回缩量。但是由于盾体正处于基岩内，盾体产生了轻微的卡盾现象，盾体回缩效果不太明显，盾体仅回缩2cm,要求的刀具置换空间还存在一定的差距。且由于盾构机土仓内操作空间有限，进行刀具工作面创造时无法采用大型的机具进行处理，对此我司拟定了以下几种方案；
方案一：风镐破碎基岩或静态爆破
根据现场施工条件我司首先选取了利用风镐对掌子面进行破碎，风镐的工作原理主要是用压缩空气活塞反复运动，使镐头不断撞击基岩面，从而使基岩致裂。但在施工过程中发现由于基岩为完整基岩，强度过高且基岩面缺少临空受力面，风镐撞击到基岩面只使基岩面产生一个小白点，并未达到基岩破碎的效果。且在本方案中考虑到如果基岩破碎的工作量较大，可以利风钻钻眼作为装药孔进行静态爆破，但是由于基岩强度过高，钻眼效率极低。
方案二：液压镐破碎基岩
液压镐的工作原理是以油压为工作介质，通过密封容积的变化来传递动力，通过油压内部的动力来传递动力，与风镐相比液压镐具有更大的冲击力。但是施工过程中我司发现虽然液压镐具备更大的冲击力，但是亦未达到岩石破碎的效果，液压镐在冲击基岩面时会产生剧烈的反弹且基岩面的破碎效果与利用风镐冲击完整基岩的效果一样，仅会在基岩面产生白点。
方案三：手持持切割机+风镐破碎基岩
根据格里菲斯准则，脆性材料的破坏是由材料内部裂纹尖端的应力集中引起裂纹拓展所致，如果材料内部存在微裂纹，且在施加外力的条件下，在裂纹端部将产生极大的应力集中。根据这个思路，我司通过对外露基岩面利用手持切割机对基岩面进行切割，利用外力让基岩产生细小的临空面及增加基岩裂缝，完成基岩面切割后再利用人工凿对割缝进行扩缝处理，最后利用风镐对基岩进行破碎。后期的施工结果中证明，利用该种方案不仅能达到基岩破碎的效果，而且施工效果极高。
5手持切割+风镐破碎基岩工作面创造施工
5.1工作面创造施工流程
仓门打开后安全人员完成气体检测并利用空压机通过风管放通风管土仓内进行通风，随后由专人人员对刀具进行，确定需要进行置换的刀具。后期的工作便主要为创造工作面为刀具更换提供施工条件。工作面创造的主要施工流程为：刀坑位置选择→岩面割缝→风镐破除基岩→刀具置换。
5.2刀坑位置选择
根据盾构机的特点一般将刀具置换的位置选择在三点位或九点位，刀坑凿除的位置便一般选择在三点位或九点位。根据选择的点位利用红色喷漆大体在刀具主梁边缘喷漆确定刀坑范围，刀坑的范围要比刀箱的宽度适当的外扩些，确保刀具安拆过程中具有足够的空间。确定完刀坑位置后将角钢铁焊接在土仓壁上作为岩面凿除及刀具置换平台的支撑点。
5.3岩面割缝
确定刀坑位置之后，人退出土仓，旋转刀盘使刀坑位置位于刀梁之间的孔洞。刀盘旋转到位后利用木板搭设基岩面凿除平台，根据前期画好的刀坑范围，利用手持切割机在基岩面横向间隔20cm，角度5°~10°进行割缝。割缝完成后利用人工凿间断性的对基岩表面2~5cm范围内的割缝进行扩缝处理。按照一定角度进行割缝及利用人工凿进行扩缝处理主要目的为将增加后期风镐镐头受力点，如不对割缝进行扩缝处理在后期风镐破除基岩过程中风镐会出现很大程度上的反弹现象，增加施工难度。
5.4风镐破除基岩
进行风镐破除基岩时采用由内向外分层分段破除的方式进行施工，段与段之间在施工过程中注意分段岩面之间要预留错台。每次分层破除厚度约在10~15cm左右，分段错台高度约在3~5cm。分层破除的主要目的是由于手持切割机割缝的深度有限，过厚的岩层厚度风镐施工过程中风镐会进行反弹，在施工过程中只能割缝一层，破除一层，以次循环，直至完成刀具置换的要求工作空间（一般而言刀坑的深度具有30cm即可）。分段预留错台的主要目的为后一层基岩破除预留临空面，提供风镐着力点，通过此种方式除第一层基岩面割缝需要做扩缝处理外，剩余的基岩面割缝的时候便可以省去这道工序，提高施工效率。
5.5刀具置换
盾构机刀坑破除完成后，先将工作平台所用的模板收回后，将刀盘需要置换的刀梁旋转至凿除的刀坑范围内进行刀具置换，一个刀梁的刀具置换完成后，将另一个刀梁旋转至刀坑内进行刀具置换，以次循环直至所有刀具置换完成。
6结论与建议
厦门轨道交通4号线工程后厦盾构区间在高强度基岩条件下刀坑凿除过程中尝试了不同的工艺及工法，通过一系列技术措施尝试最后采取了适合的施工工艺，最后完成了刀坑的凿除，为盾构机刀具置换提供了工作面同时亦为后期刀具的置换提供了有利的条件。对以后工程中出现类似问题的处理具有参考的意义。但由于刀具置换工作面创造为地下施工且盾构机土仓内空间狭小，空气不流通，在施工过程中应该注意以下问题：
（1）盾构机开仓前应该做好有毒气体检测及通风工作，安全人应该做好安全确认工作，只有确认安全后方可进仓进行施工作业；
（2）掌子面虽为全断面基岩，掌子面比较稳定，但是作业人员要时刻观测掌子面稳定状态及渗水情况，一旦发现异常，施工人员应立即退出土仓，关闭仓门，并采取相关措施，危险排除后方可再次进仓作业；
（3）在施工过程中无论是对高强度基岩进行割缝处理还是利用风镐破除基岩均会产生较大的粉尘，因此作业人员在进仓之前需穿戴好防护用品；
（4）在刀坑凿除施做过程中，严禁旋转刀盘，确保施做人员的安全。
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