盾構(gòu)被困實(shí)例分析及脫困措施

黃平華

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450000; 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

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盾構(gòu)被困實(shí)例分析及脫困措施

黃平華1， 2

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450000; 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

在隧道盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)被困的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)工程施工進(jìn)度、安全和周圍環(huán)境等造成不利影響。通過工程實(shí)例分析刀盤、盾體和盾尾被困的常見原因，總結(jié)相應(yīng)的脫困措施，得出盾構(gòu)被困的分類判斷依據(jù)： 1)刀盤開口處被地層中異常渣土填充束縛的判斷依據(jù)； 2)邊刀(邊滾刀或邊刮刀)磨損造成掌子面開挖輪廓不足的判斷依據(jù)； 3)刀盤前方存在硬質(zhì)障礙物的判斷依據(jù)。

盾構(gòu)； 被困； 脫困； 刀盤； 盾體； 盾尾

0 引言

在隧道盾構(gòu)施工過程中，由于各種不可預(yù)知的原因，盾構(gòu)被困現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)工程施工進(jìn)度、安全、周圍環(huán)境等造成不利影響。因而就如何快速、安全地實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)脫困、恢復(fù)掘進(jìn)并尋求經(jīng)濟(jì)的脫困措施，是各盾構(gòu)隧道施工企業(yè)需要解決的重要課題。針對(duì)這一問題，國內(nèi)已有一些相關(guān)研究。林存剛等[1]介紹了粉砂地層中采取在刀盤前方地面開槽使刀盤脫困的方法。劉凱等[2]介紹了富水粉細(xì)砂地層中在刀盤周圍利用旋噴注漿技術(shù)，使刀盤自動(dòng)脫困。宋曉業(yè)[3]和蔡光偉等[4]介紹了砂卵石地層分別采用旋噴樁和袖閥管注漿技術(shù)進(jìn)行加固，實(shí)現(xiàn)人工開艙清理刀盤。已有研究文獻(xiàn)[5-11]表明盾構(gòu)被困原因各異，在各類地層中均有發(fā)生。對(duì)被困現(xiàn)象進(jìn)行分類能幫助確定各被困現(xiàn)象之間的泛化、特化和聚合等層次關(guān)系，并準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)備故障診斷，從而快速制定脫困措施，恢復(fù)盾構(gòu)掘進(jìn)。

根據(jù)盾構(gòu)主機(jī)的組成部件，盾構(gòu)被困可以分解為刀盤被困、盾體被困和盾尾被困。在盾構(gòu)掘進(jìn)中，有時(shí)發(fā)生局部被困，有時(shí)幾種被困現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)[5]。已有研究大多基于盾構(gòu)被困單個(gè)案例而闡述了脫困方法。本文在已有研究基礎(chǔ)上通過工程實(shí)例分析刀盤、盾體和盾尾被困常見原因并總結(jié)相應(yīng)的脫困措施，試圖探索出盾構(gòu)被困的分類判定依據(jù)。

1 刀盤被困實(shí)例分析及脫困措施

某泥水盾構(gòu)穿越帶有黏土夾層的粉細(xì)砂地層，在第706環(huán)(掘進(jìn)至600 mm)時(shí)，由于其他設(shè)備故障停機(jī)1.5 h，再次恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，刀盤啟用扭矩達(dá)到極限值3 600 kN·m亦無法啟動(dòng)，主要掘進(jìn)參數(shù)見表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，第706環(huán)刀盤扭矩異常增大，其他掘進(jìn)參數(shù)只發(fā)生略微波動(dòng)，故需對(duì)刀盤扭矩進(jìn)行分析，見圖1。

表1 主要掘進(jìn)參數(shù)(刀盤被困)

圖1 刀盤扭矩分析

該盾構(gòu)的刀盤總扭矩

M總=M1+M2+M3+M4。

式中：M1為刀具切削力產(chǎn)生的扭矩；M2為土艙內(nèi)渣土對(duì)刀盤鋼結(jié)構(gòu)表面的摩擦力產(chǎn)生的扭矩；M3為刀盤支撐法蘭摩擦力產(chǎn)生的扭矩；M4為刀盤后部攪拌臂摩擦力產(chǎn)生的扭矩。

由于泥水循環(huán)系統(tǒng)工作正常，可以排除扭矩M3和M4的影響；刀盤被困前，盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)的刀盤總扭矩只達(dá)到設(shè)計(jì)值的35%左右，可以排除扭矩M1的影響；將盾構(gòu)主機(jī)后退20～30 mm，依然無法啟動(dòng)刀盤，可以確定M2是造成刀盤無法啟動(dòng)的主要原因。

通過帶壓進(jìn)艙檢查刀盤和刀具，檢查結(jié)果如圖2所示，結(jié)合地質(zhì)情況，判斷刀盤被困原因?yàn)榈貙訔l件突然變化，刀盤被黏土糊住。

圖2 刀盤被黏土包裹

刀盤被困的原因大體可以分為2種： 1)主觀原因，主要是設(shè)置掘進(jìn)參數(shù)不合理、作業(yè)流程不規(guī)范和缺乏科學(xué)的防范措施，造成地表塌陷或者堵艙； 2)客觀原因，主要是地質(zhì)勘察不充分，在掘進(jìn)過程中碰到異物(如鋼管、大石塊或其他不明物體等)或者穿越具有收斂或膨脹性的特殊地層。

刀盤脫困的方法可以分2種： 1)采用工程措施，改善刀盤前方的地質(zhì)條件； 2)采取常壓或帶壓進(jìn)艙的方式，人工進(jìn)艙清理刀盤和土艙。其他刀盤被困案例見表2。

表2 刀盤被困案例及脫困措施

2 盾體被困實(shí)例分析及脫困措施

2.1 盾體被困工程實(shí)例1

某泥水盾構(gòu)穿越1段粉細(xì)砂地層(整個(gè)區(qū)間為復(fù)合地層)，石英含量達(dá)60%以上，主要為密實(shí)的粉砂質(zhì)細(xì)砂和砂質(zhì)粉砂，俗稱“鐵板砂”，見圖3。由于區(qū)間需穿越3處端頭加固區(qū)和1段長80 m入侵隧道1.5 m深的中風(fēng)化泥巖，故刀盤外圈配置5把雙刃滾刀。

在掘進(jìn)至第575—587環(huán)時(shí)，掘進(jìn)速度一直維持在5～6 mm/min,不能滿足施工進(jìn)度要求，必須進(jìn)行停機(jī)分析。盾構(gòu)處于R380 m的圓曲線段，停機(jī)位置如圖4所示，主要掘進(jìn)參數(shù)見表3。

由表3中第587環(huán)停機(jī)前近10環(huán)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)可知： 掘進(jìn)速度一直維持在較低水平，總推力逐步增大至盾構(gòu)的最大設(shè)計(jì)值，但是刀盤扭矩一直維持平穩(wěn)、上下波動(dòng)的幅度很小，故需對(duì)總推力進(jìn)行分析。

圖3 鐵板砂地層

圖4 盾構(gòu)停機(jī)位置(單位： m)

掘進(jìn)環(huán)號(hào)掘進(jìn)速度/(mm/min)氣艙壓力/MPa總推力/kN刀盤扭矩/(kN·m)鉸接拉力/kN574140．35267801833324157560．352118010543189576100．352691017232986??????58480．37320001297322458750．373200010913148588180．37285609653268589170．37278308702980590170．37255009863176

該盾構(gòu)總推力

F總=F1+F2+F3+F4+F5。

式中：F1為盾構(gòu)主機(jī)外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤(刀具)作用于掌子面的推力；F3為盾尾與管片之間的摩擦力；F4為后配套拖車的拉力；F5為開挖掌子面的水土壓力產(chǎn)生的推力。

分析過程： 1)根據(jù)盾體上的垂直土壓力和水平土壓力計(jì)算方法，當(dāng)?shù)貙記]有變化時(shí)，F(xiàn)1應(yīng)為定值，可排除F1的影響； 2)根據(jù)實(shí)際檢測，盾構(gòu)姿態(tài)和盾尾間隙均正常，盾尾與管片之間的摩擦力亦不會(huì)變化，可排除F3的影響； 3)根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)歷史數(shù)據(jù)，后配套總拉力一直維持穩(wěn)定，無變化，可排除F4的影響； 4)由于氣艙壓力設(shè)定為固定值，由開挖掌子面的水土壓力產(chǎn)生的推力是定值，故排除F5的影響； 5)利用排除法，排除了其他4個(gè)因素，結(jié)合盾構(gòu)仍處于R380 m的圓曲線段，得出F2為盾構(gòu)總推力增大的主要原因。

帶壓進(jìn)艙檢查刀盤和刀具，具體檢查結(jié)果如圖5和圖6所示。采用帶壓換刀, 同時(shí)利用中盾盾殼外圈的φ50 mm開孔進(jìn)行排砂脫困。

圖5 邊刮刀掉落

圖6 邊滾刀磨損

由盾構(gòu)被困工程實(shí)例1分析得出，確定盾體被困的掘進(jìn)參數(shù)特有表現(xiàn)形式主要為盾構(gòu)推力大和扭矩正常。通常盾體脫困的方法有： 1)更換刀具； 2)墊高邊刀； 3)使用超挖刀。其他類似盾體被困案例見表4。

2.2 盾體被困工程實(shí)例2

某泥水盾構(gòu)穿越中粗砂地層，當(dāng)掘進(jìn)至第561環(huán)時(shí)，掘進(jìn)速度為20 mm/min,但掘進(jìn)至第562環(huán)和第563環(huán)時(shí)，掘進(jìn)速度一直維持在1～3 mm/min，不能滿足施工進(jìn)度要求，必須進(jìn)行停機(jī)分析。主要掘進(jìn)參數(shù)見表5。

表5 主要掘進(jìn)參數(shù)(盾體被困工程實(shí)例2)

由表5可知，在第562環(huán)和第563環(huán)，掘進(jìn)速度下降，總推力和刀盤扭矩均增大至盾構(gòu)設(shè)計(jì)的最大值。

對(duì)刀盤扭矩和總推力進(jìn)行綜合分析， 影響因素主要有刀盤(刀具)作用于掌子面的推力F2和土艙內(nèi)渣土對(duì)刀盤鋼結(jié)構(gòu)表面的摩擦力產(chǎn)生的扭矩M2，表明有一種作用力既能影響刀盤的旋轉(zhuǎn)又能影響刀盤的開挖

輪廓； 因此，首先可以排除刀盤自身的原因，其次可以判斷這種作用力來自于刀盤外部的掌子面。通過帶壓進(jìn)艙檢查刀盤，發(fā)現(xiàn)刀盤前方有2根φ200 mm壁厚20 mm的鋼管，如圖7所示。

在發(fā)現(xiàn)刀盤前方存在障礙物時(shí)，通常采用常壓或帶壓進(jìn)艙的方式，人工進(jìn)艙清理障礙物。由盾體被困工程實(shí)例2分析得出，確定盾體被困的掘進(jìn)參數(shù)特有表現(xiàn)形式主要為盾構(gòu)推力大和扭矩大。其他類似盾體被困案例見表6。

圖7 刀盤前方發(fā)現(xiàn)鋼管

表6 盾體被困案例及脫困措施(推力大，扭矩大)

3 盾尾被困實(shí)例分析及脫困措施

某泥水盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土地層，在第385環(huán)進(jìn)入R350 m圓曲線段時(shí)，鉸接油缸(被動(dòng)式鉸接)出現(xiàn)收回困難的現(xiàn)象，進(jìn)入第416環(huán)時(shí)鉸接油缸被拉伸至最大行程，無法繼續(xù)掘進(jìn)。該臺(tái)盾構(gòu)的鉸接油缸設(shè)計(jì)最大拉力約為7 400 kN。停機(jī)分析，主要掘進(jìn)參數(shù)見表7。

表7 主要掘進(jìn)參數(shù)(盾尾被困)

對(duì)比脫困前后的掘進(jìn)參數(shù)，鉸接油缸拉力在脫困過程中逐步增大至最大值，其他參數(shù)未見大的變化。檢查發(fā)現(xiàn)5#鉸接油缸銷已經(jīng)斷裂、油缸銷子支座嚴(yán)重彎曲變形，其余鉸接油缸的銷子亦有輕微變形，如圖8所示。

(a) 支座變形

(b) 銷軸斷裂

盾尾被困的現(xiàn)象通常比較明顯，表現(xiàn)為掘進(jìn)中鉸接油缸被拉伸至極限行程。經(jīng)與其他盾構(gòu)設(shè)備廠家生產(chǎn)鉸接油缸進(jìn)行對(duì)比和分析，該盾構(gòu)盾尾被困主要原因是鉸接油缸總拉力設(shè)計(jì)值偏小，在盾尾長度增加25%的前提下，鉸接油缸總拉力減小了30%，見表8。

表8 鉸接油缸對(duì)比

盾尾脫困主要通過增大克服尾盾殼與外部地層或內(nèi)部管片之間摩擦力的作用力，脫困方法有： 1)增設(shè)輔助千斤頂，見圖9； 2)增設(shè)拉桿，見圖10。這2種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)： 1)在冷凍、注漿或長時(shí)間停機(jī)等靜態(tài)脫困時(shí)，應(yīng)選用鉸接拉桿的方法； 2)在穿越小曲線或者盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整等動(dòng)態(tài)脫困時(shí)應(yīng)選用輔助千斤頂?shù)姆椒?。通過增設(shè)輔助千斤頂?shù)姆绞讲坏軠p少鉸接油缸的拉力，還能減少盾構(gòu)的總推力，有時(shí)對(duì)盾體的脫困亦有幫助。

圖9 輔助千斤頂

圖10 鉸接拉桿

4 結(jié)論與建議

在排除盾構(gòu)自身設(shè)備故障的前提下，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中： 1)若刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)或扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常掘進(jìn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)扭矩，通常為刀盤被困，可以判斷為刀盤開口處被地層中異常渣土填充束縛； 2)若盾體被困且僅有盾構(gòu)總推力逐步增大至極限值，可以判斷為邊刀(邊滾刀或邊刮刀)磨損或刀盤開口處被堵造成渣土不能順暢進(jìn)入土艙，造成掌子面開挖輪廓不足； 3)若盾體被困且刀盤扭矩和推力均增大至極限值，若能排除掌子面出現(xiàn)坍塌，則可判斷為刀盤前方有硬質(zhì)障礙物，需進(jìn)艙檢查； 4)盾尾脫困中，增設(shè)輔助千斤頂?shù)姆椒▋?yōu)于增設(shè)拉桿。在脫困過程中，分類界限往往劃分的不是那么明顯，在實(shí)際施工中應(yīng)靈活運(yùn)用。

盾構(gòu)被困存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，在掘進(jìn)中應(yīng)盡可能避免發(fā)生。結(jié)合工程實(shí)際，預(yù)防盾構(gòu)被困的建議如下： 1)合理設(shè)置水土壓力； 2)正常掘進(jìn)時(shí)，確保鉸接油缸伸縮至油缸行程的中間位置； 3)當(dāng)需要長時(shí)間停機(jī)時(shí)，盾殼外圈需要注射膨潤土； 4)小曲線掘進(jìn)時(shí)，正確選取K塊管片的安裝點(diǎn)位； 5)如果條件允許，定期檢查刀具磨損情況。

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Case Study of Shield Jamming and Jamming Releasing Technologies

HUANG Pinghua1, 2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Shield is often jammed during tunneling, which has adverse impact on construction schedule, security and environment. The causes of cutterhead jamming, shield body jamming and shield tail jamming are analyzed; and then corresponding releasing technologies are summarized by cases study. The classification characteristics of shield jamming are summarized as shield cutterhead covered by grout, insufficient excavation contour of tunnel face caused by marginal cutters wear and obstacles in front of cutterhead.

shield; jamming; jamming releasing; cutterhead; shield body; shield tail

2016-04-11;

2016-06-21

黃平華(1977—)，男，江西余江人，1999年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院，工程機(jī)械專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)施工技術(shù)管理工作。E-mail： hpwa@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.013

U 455.3

B

1672-741X(2017)03-0342-06