盾構(gòu)機卡盾原因分析及處理措施

鄭鵬 王琪琛

摘 要：引故入新工程項目是一項以供水為主要目的的公益性工程。本文結(jié)合洛陽市引故入新工程項目，分析了盾構(gòu)機掘進(jìn)到隧洞出口時發(fā)生卡盾的原因，根據(jù)隧洞掌子面空間小、施工難度大等工程實際情況，制定了3種切實可行的脫困方案。通過比較，脫困方案得以確定和實施，恢復(fù)了盾構(gòu)機掘進(jìn)。最后，結(jié)合工程實際情況，介紹了預(yù)防卡盾措施，供類似工程類似情況借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機;卡盾原因;脫困;預(yù)防措施

中圖分類號：U455.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0064-03

Abstract： The project of introducing Guxian Reservoir into Xin'an County is a public welfare project with water supply as the main purpose. Combining with the Guxian Reservoir to Xin'an County project in Luoyang City， this paper analyzes the reasons for the blocking of the shield when the shield machine is driving to the exit of the tunnel， and formulates three practical solutions for relief according to the actual situation of the tunnel， such as the small space of the tunnel face and the difficulty of construction. Through comparison， the rescue plan is determined and implemented， and shield tunneling is resumed. Finally， combined with the actual situation of the project， measures to prevent blocking are introduced， which can be used as a reference for similar projects.

Keywords： shield machine;causes of blocking;escape;preventive measures

洛陽市引故入新工程起點為洛陽市故縣水庫引水工程預(yù)留新安分水口，工程終點位于新安縣城關(guān)鎮(zhèn)南莊村東側(cè)澗河邊的新建水廠。本工程設(shè)計引水流量為0.58 m3/s，日供水量為5萬m3，工程線路總長為21.228 km，包括進(jìn)口管線段長2.522 km，隧洞段長18.647 km，出口連接段長0.059 km，通過自流將水引入新安縣新建水廠。

本工程隧洞段盾構(gòu)法的施工工藝為：在隧洞進(jìn)、出口分別布置盾構(gòu)機始發(fā)場地，采用2臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機（下稱盾構(gòu)機）分別從進(jìn)、出口始發(fā)場地相向掘進(jìn)施工，并最終在洞內(nèi)完成對接、拆解。盾構(gòu)法施工開挖斷面為圓形斷面，開挖外徑為3 860 mm，襯砌后內(nèi)徑為3 000 mm。采用預(yù)制鋼筋混凝土管片進(jìn)行全斷面襯砌，管片采用5+1分塊形式，環(huán)寬為1 200 mm，厚度為300 mm;管片塊與塊、環(huán)與環(huán)之間采用螺栓連接。

1 工程區(qū)間地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)報告，自隧洞進(jìn)口樁號K2+539.8至樁號K16+965段，洞身主要處于新近系（N）、古近系（E）巖層，洞身圍巖主要由黏土巖、砂質(zhì)黏土巖互層及砂質(zhì)黏土巖、黏土質(zhì)砂巖互層組成，巖石強度較小，盾構(gòu)設(shè)備在該段掘進(jìn)速度較快[1]。自樁號K16+965至樁號K21+195.3（隧洞出口），洞身主要處于二迭系上統(tǒng)圍巖段，洞身圍巖主要為上石盒子組上段長石砂巖（P2s2），圍巖特性如表1所示，巖石強度相對較大，盾構(gòu)設(shè)備在該段掘進(jìn)速度相對較慢。從水文地質(zhì)條件來看，工程區(qū)的含水巖組劃分為寒武系碳酸鹽巖含水巖組、二疊系砂巖含水巖組、古近系砂礫巖含水巖組和新近系砂礫巖含水巖組。

2 推進(jìn)過程

工程土壓平衡盾構(gòu)出口段，采用中鐵635號盾構(gòu)機掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)至402環(huán)（樁號K20+685.9）后，推力逐漸增大，刀盤扭矩逐漸減小，更換刀具。之后，對402環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)。掘進(jìn)過程中出現(xiàn)推力不斷增加、刀盤扭矩逐漸減小、盾尾鉸接無法收回等現(xiàn)象。開艙進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)前體切口環(huán)位置與周邊巖面密貼，判斷盾體被圍巖卡死。

3 盾構(gòu)卡機原因分析

根據(jù)現(xiàn)場的實際測量、開挖情況以及刀盤的刀具布置，盾體被卡的主要原因有四點。

3.1 管理原因

依據(jù)盾構(gòu)機采購合同，隧洞進(jìn)出口各1 km盾構(gòu)機掘進(jìn)由設(shè)備廠家人員負(fù)責(zé)操作，在施工中應(yīng)定時對刀盤和刀具損壞情況進(jìn)行檢查，以免邊滾刀磨損超限[2]。但在日常施工過程中，并未定時對刀盤和刀具損壞情況進(jìn)行檢查，盲目追趕進(jìn)度，以至于邊滾刀磨損超限，使得開挖直徑變小，造成盾體被卡。

3.2 操作不當(dāng)，盾構(gòu)機姿態(tài)變化大

司機操作盾構(gòu)機的過程中，盾構(gòu)姿態(tài)發(fā)生較大變化，掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不合理，出現(xiàn)掘進(jìn)困難時，未停機檢查，未深入分析產(chǎn)生問題的原因，未制定有效措施，而是抱有僥幸心理，強行推進(jìn)，推力過大造成滾刀螺栓松動，壓塊脫落，滾刀整體回退，開挖直徑變小，最終造成前盾被卡。在386環(huán)時啟用了超挖刀，在掘進(jìn)400環(huán)時超挖刀被卡，說明巖石堅硬程度超出預(yù)期，然后收回超挖刀，在以后的掘進(jìn)中未再使用超挖刀。390環(huán)到399環(huán)的姿態(tài)如表2、表3所示。

3.3 刀盤刀箱適應(yīng)性不夠

當(dāng)平均推力為1 400 t時，刀盤滾刀發(fā)生螺栓松動現(xiàn)象，壓塊脫落，邊滾刀整體回退，導(dǎo)致開挖直徑變小。脫卡后，采用正常平均推力6 000 kN推進(jìn)，平均速度控制在110 mm/min，扭矩控制在500 kN·m，每環(huán)推進(jìn)結(jié)束后進(jìn)行開倉檢查，發(fā)現(xiàn)每環(huán)總有兩個以上刀具螺絲松動，螺絲斷裂現(xiàn)象頻繁發(fā)生，然后采用鋼筋焊接刀具螺栓，情況有所改善，但螺栓松動仍然頻繁，甚至出現(xiàn)中心雙刃滾刀螺栓斷裂3顆、壓緊斜塊脫落1塊的問題。

3.4 地質(zhì)原因

盾體被圍巖卡死里程為樁號K20+685.9，此處隧洞埋深為45 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，結(jié)合土艙掌子面的圍巖情況，洞身范圍全斷面為灰?guī)r，與設(shè)計提供的地質(zhì)資料長石砂巖不符。經(jīng)取芯試驗，干燥狀態(tài)平均單軸抗壓強度為85.7 MPa，圍巖抗壓強度較高，容易造成刀具磨損速度快，導(dǎo)致間隙變小，在姿態(tài)調(diào)整過程中容易造成卡盾。

4 盾構(gòu)脫困處理措施

盾體被圍巖卡死后，采用強制脫困模式（即在盾尾加大外力小油缸增加推力）進(jìn)行脫困[3]。48 h累計向前推進(jìn)1 038 mm，推進(jìn)速度緩慢且盾尾鉸接容易被拉斷。為使盾構(gòu)機盡早脫困，技術(shù)人員設(shè)計了三種方案。

方案1是從隧洞頂部鉆孔至盾構(gòu)機刀盤前面，之后沿反方向清除卡盾周邊的圍巖脫困，但此方案缺點是埋深45 m，且破壞豎井周邊的植被。方案2是從隧洞側(cè)面人工鉆爆支洞至盾構(gòu)機刀盤前面，經(jīng)現(xiàn)場實測，支洞距掌子面約為480 m，距離長，施工時間較長。方案3是先用水鉆鉆孔，再用分離頂破碎方法在刀盤前方開挖一個工作洞，最后用預(yù)裂爆破方式清除盾體上方圍巖，使盾構(gòu)機快速脫困。經(jīng)多方咨詢并結(jié)合工程實際情況，最終選擇方案3。

4.1 水鉆鉆孔

首先用水鉆向刀盤前方掌子面位置破除出一個工作洞，利用盾構(gòu)機刀盤32%的開口率，拆掉3把單刃滾刀，利用刀盤開口位置和拆除掉的滾刀位置布置掏槽眼;在土倉內(nèi)沒有固定鉆機的位置，焊接一個支架，用來固定鉆機，接好冷卻水管后開始鉆孔取芯;控制好鉆孔速度，每次鉆孔破碎深度為200～500 mm，每個鉆孔間距為100～200 mm;在鉆孔完成后，用分離頂破碎掉孔間巖石。第1次掏槽完成后，轉(zhuǎn)動刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置進(jìn)行擴大掏槽，方法同第1次，最后完成工作洞的挖除工作。

4.2 工作洞開挖

由于土艙內(nèi)作業(yè)空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進(jìn)行，工作洞的開挖順序如下：利用刀盤開口位置布置掏槽眼，每次鉆孔破碎深度約為200 mm。第1次掏槽完成后，轉(zhuǎn)動刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置擴大掏槽，方法同第1次。

4.3 盾體周邊預(yù)裂爆破

根據(jù)地質(zhì)情況，本次爆破地層主要為灰?guī)r，干燥狀態(tài)平均抗壓強度為85.7 MPa，施工作業(yè)空間位于盾構(gòu)機土艙內(nèi)，作業(yè)空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進(jìn)行。

4.3.1 爆破器材選擇。根據(jù)隧洞水文地質(zhì)情況及盾構(gòu)機作業(yè)環(huán)境的特殊性，應(yīng)選用防水效果好、起爆安全的爆破器材。

4.3.2 裝藥結(jié)構(gòu)。炮眼直徑為83 mm，炮孔深度控制在1.5 m，炮孔用長度不小于300 mm的炮泥封堵。為減小爆破對盾體造成的損傷，距離盾構(gòu)機外輪廓預(yù)留50 cm的保護(hù)層。在爆破工作面上布置4個直徑83 mm、深度為1.5 m的爆破孔，中間布置一個直徑108 mm、深度為1.0 m的臨界孔。

5 盾構(gòu)機脫困措施

經(jīng)多次開會研究，項目部制定如下脫困方案：采用鉆孔法，在刀盤與掌子面之間形成一定空間，滿足人員進(jìn)入的條件。人員進(jìn)入刀盤與掌子面之間的空間后，采用鉆孔與預(yù)裂爆破，刀盤前面形成作業(yè)臺階，鉆工可利用水鉆取芯，沿著刀盤的外側(cè)、前盾外部半圓上部向反方向鉆孔并排取芯，先徑向擴大洞徑，再沿盾體外側(cè)反向回掏，孔深大于2.5 m，開挖尺寸根據(jù)實際情況調(diào)整。

具體施工步驟如下：一是由于孔深大于2.5 m，采用4.1施工方法，使每個孔相連并形成空腔，當(dāng)鉆孔至頂拱120°范圍內(nèi)時，停止鉆孔，檢查前盾盾體外側(cè)與圍巖三分之一部位的脫離情況，此時施工人員撤離現(xiàn)場，由盾構(gòu)機司機進(jìn)行試推，無法推進(jìn);二是繼續(xù)鉆孔到頂拱150°范圍內(nèi)時，重復(fù)步驟一，無法推進(jìn)，而繼續(xù)鉆孔到頂拱180°范圍內(nèi)時，重復(fù)步驟一，推進(jìn)壓力達(dá)到15 MPa（設(shè)計總推力1 600 MPa），由于尾盾被卡，主動鉸接與被動鉸接全部伸出，總計推進(jìn)18 cm。經(jīng)過與盾構(gòu)機廠家協(xié)商，并在管片上游側(cè)端部（即俯角60°位置）增加兩個輔助油缸配合（由原11個油缸增加至13個油缸），同時為保證被動鉸接不被拉斷，在被動鉸接位置焊接4個3 cm厚鋼板加固連接，然后按照平均推力1 200 kN進(jìn)行試推，終于順利推進(jìn)。

6 結(jié)語

為保證盾構(gòu)機安全掘進(jìn)，杜絕卡盾現(xiàn)象，項目部必須制定切實可行的預(yù)防卡盾措施：在后續(xù)盾構(gòu)施工期間增加開倉檢查頻率，及時更換磨損嚴(yán)重刀具及復(fù)緊刀具螺栓，針對刀具螺栓松動問題應(yīng)采取防松措施;該項目地質(zhì)勘探報告與實際掘進(jìn)地質(zhì)出入較大，建議項目進(jìn)行地質(zhì)補勘或者增加地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供技術(shù)支持;參照盾構(gòu)正常施工時刀具磨損原則，邊緣滾刀磨損量（最大）達(dá)到10 mm時需要更換刀具，刀盤正面滾刀磨損量（最大）達(dá)到20 mm時需要更換（如果前部地層不能確定能否進(jìn)入刀盤換刀，而根據(jù)刀具磨損進(jìn)度預(yù)計將于該處換刀時，磨損量在5～7 mm的刀具也需更換新刀）;刀具更換安裝時應(yīng)保證配合面干凈，刀具螺栓需要按照設(shè)計要求緊固，同一把刀所有螺栓扭矩需要保持一致;刀具安裝配件（墊塊、拉緊塊等）需要按照設(shè)計要求進(jìn)行采購更換，禁止采用不符合設(shè)計要求的刀具安裝配件;盾構(gòu)機正常掘進(jìn)情況下，當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)突變或異常時需要停機，現(xiàn)場分析、檢查造成掘進(jìn)參數(shù)突變或異常的原因，制定相應(yīng)措施后方可恢復(fù)掘進(jìn)，確保盾構(gòu)機順利掘進(jìn)。

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