土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在隧道施工中出現(xiàn)卡機(jī)事故的處理措施

張曉莉

（山西省水利建筑工程局第八工程處 山西太原 030006）

1 工程概況

蘭州市城市軌道交通1號(hào)線一期工程土建Ⅰ標(biāo)段世紀(jì)大道站～中間風(fēng)井區(qū)間，采用德國(guó)海瑞克技術(shù)制造的一臺(tái)Φ6.49 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，區(qū)間隧道最大縱坡坡度27‰，隧道埋深為10.4～40.4 m，世紀(jì)大道站～風(fēng)井區(qū)間分左右兩線，左線長(zhǎng)1 141.701 m，區(qū)間隧道左線右線間距約9 m，最小平面曲線半徑450 m。隧道采用通用楔形管片襯砌，區(qū)間隧道外直徑Φ6.2 m，內(nèi)徑Φ5.5 m，管片襯砌每環(huán)縱向?qū)挾葹?.2 m，從世紀(jì)大道站左線開始始發(fā)推進(jìn)到第10環(huán)時(shí)，因地層原因造成了卡機(jī)情況的發(fā)生。

2 卡機(jī)段地質(zhì)情況

2.1 工程地質(zhì)

隧道主要穿越地層大部分為全斷面3-11卵石層，始發(fā)段隧道穿越地層為2-10卵石層和3-11卵石層復(fù)合層，長(zhǎng)度約150 m。

3-11卵石層：灰黃色、青灰色，飽和，局部夾有薄層或透鏡狀砂層。據(jù)顆分資料及現(xiàn)場(chǎng)勘探，該層粒徑大于200 mm的漂石、卵石平均含量占64.53%，一般粒徑20～60 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20mm的圓礫平均含量占14.82%；中粗砂充填。卵石、圓礫母巖成分主要為砂巖、花崗巖、石英巖、硅質(zhì)巖、鈣質(zhì)泥巖、燧石等。級(jí)配不良，磨圓度較好、分選性較差。泥質(zhì)弱膠結(jié)，局部呈鈣質(zhì)弱膠結(jié)，成巖特征，據(jù)鉆孔巖心局部可形成柱狀巖心，其下膠結(jié)較弱。

2-10卵石層：雜色、青灰色。局部夾有薄層或透鏡狀砂層，廣泛分布于河漫灘上部和安寧區(qū)二級(jí)階地黃土狀土之下。據(jù)顆分資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，粒徑大于200 mm的漂石、卵石平均含量占63.5%，一般粒徑20～50 mm，漂石含量較少，最大粒徑為500 mm；粒徑2～20 mm的圓礫平均含量占12.4%，中粗砂充填。

根據(jù)實(shí)際施工情況推斷，2-10卵石層一般粒徑20～50 mm，漂石含量較多，最大粒徑為550 mm；3-11卵石層該層粒徑大于20 mm卵石較多，一般粒徑20～60mm，漂石含量較少，最大粒徑為350mm；中粗砂充填。

2.2 水文地質(zhì)

區(qū)間隧道全斷面位于卵石層中，屬孔隙性潛水。水位埋深10.9～12.7 m，地下水豐富，含水層厚，滲透系數(shù)大，區(qū)間隧道開挖可能產(chǎn)生較大涌水現(xiàn)象，對(duì)工程施工影響較大。

3 試掘進(jìn)施工情況

3.1 卡機(jī)情況

自2015年1月7日盾構(gòu)機(jī)始發(fā)推進(jìn)后，遇到了一系列的卡機(jī)事件，時(shí)間持續(xù)最長(zhǎng)的一次為從2015年1月12日到2月17日，具體卡機(jī)時(shí)盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)情況如下：2015年1月12日夜班時(shí)，盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)完成第10環(huán)，于0點(diǎn)10分左右在管片拼裝結(jié)束后，準(zhǔn)備推進(jìn)第11環(huán)，盾構(gòu)機(jī)操作手按正常流程啟動(dòng)刀盤，刀盤啟動(dòng)后，扭矩維持在1.1 MN.m左右進(jìn)行空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速保持在1.1 r/min；在操作控制室顯示各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)均為正常值，開始推進(jìn)，啟動(dòng)螺旋機(jī)正常出渣，操作人員在啟動(dòng)推進(jìn)后（推力約9 000 kN）約5 min左右，發(fā)現(xiàn)刀盤土倉內(nèi)上部土壓突然上升，刀盤扭矩迅速升高，控制室可以看到扭矩值從1.1 MN.m達(dá)到6.1 MN.m，瞬間造成刀盤卡死。

3.2 刀盤被卡后采取的措施及原因分析

1）刀盤卡死后在操作控制室采取正反轉(zhuǎn)刀 盤，試圖轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤達(dá)到脫困，持續(xù)正反轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7 h，但刀盤沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，反而使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度從±5°變?yōu)椤?°；經(jīng)初步分析后認(rèn)為是由于卵石地層的不穩(wěn)定性，在轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)致使本來就穩(wěn)定性不好的掌子面的卵石發(fā)生塌落，并在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中造成進(jìn)一步的堆積，所以當(dāng)開始正常推進(jìn)時(shí)，因?yàn)槁菪龣C(jī)轉(zhuǎn)速較低，螺旋機(jī)只能將部分渣土及一些卵石排出；很大一部分大小卵石經(jīng)沖洗沉積，堆積在土倉里面以及刀盤外部；具體情況反饋到操作控制室為上部土壓計(jì)值有突然的變化，說明有不穩(wěn)定卵石層又發(fā)生了進(jìn)一步塌落，各種因素同時(shí)作用致使刀盤突然性卡死。

2）基于以上判斷，通過高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到螺旋機(jī)將整個(gè)刀盤土倉排空，倉內(nèi)土層高度可以通過安裝在土 倉隔板上的土壓計(jì)測(cè)定，即各個(gè)土壓計(jì)讀數(shù)基本為0 MPa時(shí)，可以推斷倉內(nèi)渣土基本排空，后在刀盤脫困扭矩模式下（扭矩值可以達(dá)到7.2 MN.m）再次嘗試啟動(dòng)刀盤，但刀盤仍沒有轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）在刀盤脫困模式下無法脫困后，將推進(jìn)油缸收回50 mm，同管片接觸處分開后，通過往刀盤前部加注膨潤(rùn)土和泡沫，為刀盤前部加壓，使刀盤前部產(chǎn)生后退的力，并通過盾尾鉸接油缸收回，兩者同時(shí)作用，想以此來將刀盤后退，達(dá)到脫困，最終因地層原因（埋深10 m左右，地層密實(shí)度等因素），刀倉內(nèi)壓力最大可以達(dá)到0.09 MPa，而且在達(dá)到此壓力后，膨潤(rùn)土和泡沫擊穿地層，從地面噴出，無法實(shí)現(xiàn)使刀盤退回來嘗試脫困。

4）經(jīng)過上述這些脫困措施始終無法實(shí)現(xiàn)脫困，決定開倉對(duì)刀盤倉內(nèi)渣石進(jìn)行清理檢查，在清倉之前先打開倉門，在脫困扭矩下轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)，可以看到刀盤有特別小的轉(zhuǎn)動(dòng)距離。第一次清倉時(shí)，使用800 mm×800 mm×10 mm竹角板在倉內(nèi)對(duì)掌子面露出處進(jìn)行封閉支護(hù)，保證在清倉時(shí)人員的安全。在進(jìn)行清倉的同時(shí)，對(duì)電氣、液壓系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)檢查并確認(rèn)盾構(gòu)機(jī)工作系統(tǒng)的正常，在土倉清空后再次試轉(zhuǎn)，情況同之前基本相同，反而刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)距離進(jìn)一步縮小。

5）因倉內(nèi)已經(jīng)清空仍無法脫困，所以對(duì)減速機(jī)、齒輪等機(jī)械傳動(dòng)部分，以及馬達(dá)、小齒輪和大齒輪進(jìn)行了詳細(xì)的檢查，確認(rèn)了刀盤驅(qū)動(dòng)部位沒有任何問題。通過高性能應(yīng)變調(diào)理器，在刀盤內(nèi)貼電阻應(yīng)變計(jì)來確定主驅(qū)動(dòng)扭矩已經(jīng)傳遞到刀盤。

6）根據(jù)所測(cè)結(jié)果確定需要繼續(xù)對(duì)刀盤外部進(jìn)行更徹底的清理，通過對(duì)刀盤前部200 mm掌子面進(jìn)行加固，具體實(shí)施方法為：經(jīng)測(cè)量確定刀盤里程位置后，從地面用旋挖鉆機(jī)鉆孔6個(gè)，并放置Ф800 PVC螺旋塑料套管，其內(nèi)部澆筑C20水下混凝土，等強(qiáng)度上來后，監(jiān)理工程師同施工單位對(duì)掌子面進(jìn)行加固驗(yàn)收，達(dá)到常壓開倉條件，繼續(xù)清理土倉內(nèi)、刀盤前邊及周邊的渣土和卵石，倉內(nèi)以及刀盤前部全部清空后嘗試啟動(dòng)，刀盤還是紋絲不動(dòng)，經(jīng)分析認(rèn)為對(duì)刀盤前部打孔，造加固樁時(shí)對(duì)地層有了進(jìn)一步擾動(dòng)，再加上長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)造成刀盤周邊卵石失水而進(jìn)一步沉積固結(jié)所造成的，徹底清理后終于于2月17日實(shí)現(xiàn)脫困。

4 總體分析及預(yù)防

總體分析造成卡機(jī)的主要原因?yàn)樘m州地層的特殊性，盾構(gòu)機(jī)所處區(qū)間隧道位于全斷面卵石層中，屬孔隙性潛水，于黃河Ⅱ級(jí)階地，地下水豐富，含水層厚，滲透系數(shù)大，尤其在此段的推進(jìn)過程中，卵石含量很大，并且基本可以確定區(qū)間正線上方存在不穩(wěn)定的松散體，突然性塌落攜帶大卵石將刀盤卡死。

在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，掌子面因自穩(wěn)性差，不停的有卵石塌落下來通過螺旋機(jī)排出一部分，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可通過超挖刀角度傳感器可以看到刀盤能轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越來越小。因?yàn)槟壳八辉谒淼酪韵?，膨?rùn)土和泡沫在注入刀倉后被水稀釋流走，土倉內(nèi)的膨潤(rùn)土并不多，停機(jī)時(shí)土倉內(nèi)的砂卵石不斷往下沉積，固結(jié)等，造成此種卡機(jī)情況發(fā)生，因此在以后的施工中，應(yīng)該盡量縮短停機(jī)時(shí)間，或者在長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，需要確認(rèn)使用相當(dāng)高濃度的膨潤(rùn)土對(duì)倉內(nèi)卵石進(jìn)行改良，并安排相關(guān)人員值班，定時(shí)啟動(dòng)一次刀盤，保證刀盤的可轉(zhuǎn)動(dòng)性。

5 總結(jié)

如今在城市軌道交通的建設(shè)中，盾構(gòu)機(jī)發(fā)揮著越來越大的作用，但每個(gè)城市的地層情況各有不同，在施工時(shí)要多總結(jié)，積累經(jīng)驗(yàn)，通過正確的分析判斷采取果斷的措施，保證盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)。