砂巖復(fù)合地層盾構(gòu)旋轉(zhuǎn)事故分析

曹建輝/CAO Jian-hui

(中鐵三局集團橋隧工程分公司，河北 邯鄲 056036)

近年來，我國地鐵建設(shè)大規(guī)模開展，盾構(gòu)法施工作為一種對周邊環(huán)境影響較小的施工方法，被廣泛應(yīng)用于地鐵工程建設(shè)。在硬巖掘進中，偶有盾體和管片旋轉(zhuǎn)的事件發(fā)生。本文依托成都地鐵某標(biāo)段左線管片旋轉(zhuǎn)事件，從硬巖地質(zhì)、刀具配置、施工操作和力學(xué)機理等方面對盾構(gòu)大幅度翻轉(zhuǎn)的原因進行了深入分析。

1 工程概況

成都地鐵1號線某區(qū)間左線掘進150環(huán)時，發(fā)生盾體旋轉(zhuǎn)事故。盾構(gòu)位于全斷面中風(fēng)化砂巖層，盾構(gòu)處于半徑R=450m的左轉(zhuǎn)平面圓曲線上，豎曲線處于28‰的下坡段隧道頂部埋深12.6m。中等風(fēng)化層，巖體較完整，巖芯呈柱狀，錘擊聲脆，局部夾礫巖，巖芯采取率90%～95%。飽和抗壓強度值Rc=7.20～15.90MPa。巖石基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。該套地層以厚層～巨厚層構(gòu)造為主，巖層產(chǎn)狀320°∠10°，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，節(jié)理多以豎直方向為主。

管片外徑為6 000mm，內(nèi)徑為5 400mm，寬度為1 500m，厚度為300mm，混凝土強度為C50，抗?jié)B等級為P12。每環(huán)由6塊管片組成，其中1塊封頂塊，2塊鄰接塊，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊；每環(huán)管片環(huán)向采用12根M27螺栓，縱向采用10根M27螺栓進行連接，管片螺栓機械性能為5.6級。

2 盾構(gòu)配置

施工使用1臺中鐵裝備CET6250復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)刀盤開挖直徑?6 280mm。盾構(gòu)刀盤面板、刀盤周邊和螺旋機采用復(fù)合鋼板或耐磨塊，以加強耐磨性能。盾構(gòu)最大推力3 700t；額定扭矩6 650 kNm。螺旋機筒體內(nèi)徑800mm，最大通過粒徑為?300×570mm。

2.1 刀盤的布置

刀盤面板采用4個主梁和4個副梁的結(jié)構(gòu)形式。刀盤開口率36%，中心區(qū)域開口率達到38%。刀盤前面共設(shè)置了6個添加劑注入口，其中4個為專用泡沫口，另外2個為專用的膨潤土注入噴口。在磨損較多的部位，如刀盤進土口、刀盤開挖面、攪拌棒、刀盤邊緣等處，堆焊網(wǎng)格狀耐磨硬質(zhì)合金，大大提高了刀盤的耐磨性能和使用壽命（圖1)。

圖1 中鐵裝備盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)

2.2 刀具的布置

刀盤共布置了4把17寸雙刃中心滾刀、32把17寸單刃滾刀，滾刀直徑為432mm；1號～8號滾刀刀間距90mm，8號～25號滾刀刀間距100mm，25號～39號滾刀刀間距逐漸減小。焊接撕裂刀29把，刀高140mm；焊接撕裂刀和單刃滾刀處于同一軌跡，S1對應(yīng)27號滾刀的軌跡線，兩種在刀盤上安裝位置不同，如圖2、圖3所示。周邊刮刀8把，刀高130mm；刮刀32把，刀高120mm；保徑刀8把，刀高70mm。切削刀具采用大塊硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)。刀具采取高低搭配，滾刀高出焊接撕裂刀35mm，滾刀高出刮刀45mm。在硬巖地段掘進時保護切刀，掘進中以滾刀先破開巖層，刮刀將破碎的巖石刮進土倉。

圖2 滾刀及其軌跡線

3 管片旋轉(zhuǎn)過程

圖3 焊接撕裂刀及其軌跡線

盾構(gòu)掘進第150環(huán)時，盾構(gòu)掘進參數(shù)：上部土壓0.53～0.98bar；刀盤轉(zhuǎn)速1.5r/min；刀盤扭矩3 000kNm；推力10 800～12 748kN；推進速度在30～65mm/min；盾體滾動角變化平均速率為0.25°/min。盾構(gòu)司機為提高推進速度，加大推力至12 748kN。刀盤扭矩變化不大，但滾動角變化極快，幾分鐘內(nèi)由-1.97°快速變化至+4.86°。盾尾處突然發(fā)出巨響并發(fā)生劇烈震動，盾體向逆時針方向偏移。技術(shù)人員現(xiàn)場檢查盾尾時，發(fā)現(xiàn)第147環(huán)至148環(huán)之間管片縱向螺栓全部斷裂。147環(huán)與148環(huán)相對應(yīng)的螺栓孔逆時針旋轉(zhuǎn)47cm。經(jīng)計算，管片偏轉(zhuǎn)度數(shù)為-9.97°。發(fā)生事件時刀盤轉(zhuǎn)向為順時針轉(zhuǎn)動，導(dǎo)向系統(tǒng)顯示滾動角為極值-5°，實際測量盾構(gòu)偏轉(zhuǎn)角度為-8.7°，如圖4所示。

圖4 管片旋轉(zhuǎn)照片及螺栓剪斷照片

4 管片扭轉(zhuǎn)原因分析

4.1 理論分析

盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)切削巖土?xí)r，巖土對刀盤產(chǎn)生一個反力矩M巖，巖土對盾構(gòu)外殼產(chǎn)生一反方向力矩M盾，以維持盾構(gòu)體平衡。主要存在三種情況。

1）當(dāng)M巖≤M盾時，盾構(gòu)體穩(wěn)定，管片不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢。

2）當(dāng)M巖＞M盾時，盾構(gòu)具有滾動的趨勢，盾構(gòu)的推進千斤頂對管片產(chǎn)生扭矩。當(dāng)管片與圍巖或同步漿液對管片的摩阻力產(chǎn)生的反抗力矩M管片能抵抗這一力矩時，盾構(gòu)體及管片也都穩(wěn)定，不會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢。

3）當(dāng)M巖＞M盾+M管片時，盾構(gòu)體和管片會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

根據(jù)上述力學(xué)分析，導(dǎo)致管片扭轉(zhuǎn)的原因有刀盤貫入度過大、刀盤扭矩過大等掘進參數(shù)異常；刀盤前方有異常障礙物；圍巖穩(wěn)定性較好，管片與圍巖之間存在著一定的空隙等。

4.2 開倉檢查

為確認(rèn)刀盤前方是否存在障礙物卡住刀盤導(dǎo)致事件發(fā)生，針對此次事件進行開倉檢查。

1）沖洗刀盤和清理渣土后，檢查刀盤外觀無異常情況、刀具磨損正常，未發(fā)現(xiàn)異常障礙物卡住刀盤。

2）刀盤位于全斷中風(fēng)化砂巖地層，地層較為穩(wěn)定，發(fā)生在刀盤中上部有一層較厚的礫巖層。礫巖層屬于堆積層，礫巖的強度明確高于砂巖。

3）刀盤外圓弧焊接撕裂刀與同一軌跡的滾刀高差過小。

4.3 根據(jù)開倉情況和掘進參數(shù)綜合分析

第150環(huán)盾構(gòu)掘進參數(shù)：上部土壓在0.53～0.98bar；刀盤轉(zhuǎn)速1.5r/min；刀盤扭矩3 000kNm左右；推力10 800～12 400kN；推進速度在30～65mm/min；盾構(gòu)司機在掘進過程時為提高掘進速度加大推力，當(dāng)掘進速度提高到65mm/min時，沒有相應(yīng)的提高刀盤轉(zhuǎn)速。此時刀具的貫入度大于45mm/r。刀盤布置了40刃17寸滾刀，滾刀高于刀盤面板175mm，焊接撕裂刀29把，滾刀高于刀盤面板140mm。兩者差值35mm。

當(dāng)掘進速度提高后，刀具的貫入度大于45mm/r時，貫入度大于滾刀與焊接撕裂刀的刀高差。導(dǎo)致滾刀和焊接撕裂刀同時開挖掌子面。此段地層含有較厚礫巖層硬度較高，焊接撕裂刀直接作用于掌子面，但其不能有效的破巖。致使刀盤瞬間被卡，導(dǎo)致盾體和盾尾內(nèi)兩環(huán)管片旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)生盾尾外部第147環(huán)與第148環(huán)管片相對旋轉(zhuǎn)-9.97°，管片縱向螺栓全部斷裂。兩環(huán)相對應(yīng)的螺栓孔逆時針旋轉(zhuǎn)47cm。

5 預(yù)防及處理措施

1）每一塊管片拼裝時，應(yīng)將每個螺栓初步扭緊，在盾構(gòu)掘進過程中確保管片3次復(fù)緊工作。

2）根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)，合理分配各推進油缸分區(qū)油壓。避免較大分區(qū)壓力差使管片產(chǎn)生漂浮現(xiàn)象，從而提高管片的整體自穩(wěn)性。

3）盡量縮短單個方向的旋轉(zhuǎn)時間，使正反轉(zhuǎn)時間和扭矩趨于均衡。

4）盡量縮短同步注漿液的初凝時間，以增強管片的自穩(wěn)性和及時給予管片足夠的摩阻力。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管片有位移跡象時，應(yīng)及時對管片進行襯背注漿，以防止管片繼續(xù)位移，或?qū)芷M行有效的填充，以防止管片產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)。

5）在發(fā)現(xiàn)管片產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)時，可將刀盤與管片扭轉(zhuǎn)方向同向旋轉(zhuǎn)，并適當(dāng)延長旋轉(zhuǎn)時間，以防止管片繼續(xù)扭轉(zhuǎn)并使管片恢復(fù)正常位置。

6）在管片扭轉(zhuǎn)過大時，可合理利用管片螺栓孔與螺栓間的公差進行調(diào)整，管片拼裝時將管片向扭轉(zhuǎn)的反方向進行拼裝。

6 總 結(jié)

盾構(gòu)在硬巖掘進時，盾構(gòu)司機應(yīng)充分掌掘區(qū)間地質(zhì)情況及圍巖的特性。在刀具選擇上采用全盤滾刀，應(yīng)取消焊接撕裂刀的布置。掘進參數(shù)的選擇采用小推力、高轉(zhuǎn)速、低扭矩的掘進模式，密切關(guān)注貫入度，貫入度應(yīng)控制在20mm/r。