盾構(gòu)機(jī)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(xiàng)目是一項(xiàng)以供水為主要目的的公益性工程。本文結(jié)合洛陽(yáng)市引故入新工程項(xiàng)目，分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到隧洞出口時(shí)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(shí)際情況，制定了3種切實(shí)可行的脫困方案。通過(guò)比較，脫困方案得以確定和實(shí)施，恢復(fù)了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。最后，結(jié)合工程實(shí)際情況，介紹了預(yù)防卡盾措施，供類(lèi)似工程類(lèi)似情況借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);卡盾原因;脫困;預(yù)防措施

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(yáng)市引故入新工程起點(diǎn)為洛陽(yáng)市故縣水庫(kù)引水工程預(yù)留新安分水口，工程終點(diǎn)位于新安縣城關(guān)鎮(zhèn)南莊村東側(cè)澗河邊的新建水廠(chǎng)。本工程設(shè)計(jì)引水流量為0.58 m3/s，日供水量為5萬(wàn)m3，工程線(xiàn)路總長(zhǎng)為21.228 km，包括進(jìn)口管線(xiàn)段長(zhǎng)2.522 km，隧洞段長(zhǎng)18.647 km，出口連接段長(zhǎng)0.059 km，通過(guò)自流將水引入新安縣新建水廠(chǎng)。

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(jī)始發(fā)場(chǎng)地，采用2臺(tái)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)（下稱(chēng)盾構(gòu)機(jī)）分別從進(jìn)、出口始發(fā)場(chǎng)地相向掘進(jìn)施工，并最終在洞內(nèi)完成對(duì)接、拆解。盾構(gòu)法施工開(kāi)挖斷面為圓形斷面，開(kāi)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(bào)告，自隧洞進(jìn)口樁號(hào)K2+539.8至樁號(hào)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(qiáng)度較小，盾構(gòu)設(shè)備在該段掘進(jìn)速度較快[1]。自樁號(hào)K16+965至樁號(hào)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(zhǎng)石砂巖（P2s2），圍巖特性如表1所示，巖石強(qiáng)度相對(duì)較大，盾構(gòu)設(shè)備在該段掘進(jìn)速度相對(duì)較慢。從水文地質(zhì)條件來(lái)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(guò)程

工程土壓平衡盾構(gòu)出口段，采用中鐵635號(hào)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)至402環(huán)（樁號(hào)K20+685.9）后，推力逐漸增大，刀盤(pán)扭矩逐漸減小，更換刀具。之后，對(duì)402環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)。掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)推力不斷增加、刀盤(pán)扭矩逐漸減小、盾尾鉸接無(wú)法收回等現(xiàn)象。開(kāi)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(jī)原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)量、開(kāi)挖情況以及刀盤(pán)的刀具布置，盾體被卡的主要原因有四點(diǎn)。

3.1 管理原因

依據(jù)盾構(gòu)機(jī)采購(gòu)合同，隧洞進(jìn)出口各1 km盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)由設(shè)備廠(chǎng)家人員負(fù)責(zé)操作，在施工中應(yīng)定時(shí)對(duì)刀盤(pán)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(guò)程中，并未定時(shí)對(duì)刀盤(pán)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(kāi)挖直徑變小，造成盾體被卡。

3.2 操作不當(dāng)，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化大

司機(jī)操作盾構(gòu)機(jī)的過(guò)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(shí)，未停機(jī)檢查，未深入分析產(chǎn)生問(wèn)題的原因，未制定有效措施，而是抱有僥幸心理，強(qiáng)行推進(jìn)，推力過(guò)大造成滾刀螺栓松動(dòng)，壓塊脫落，滾刀整體回退，開(kāi)挖直徑變小，最終造成前盾被卡。在386環(huán)時(shí)啟用了超挖刀，在掘進(jìn)400環(huán)時(shí)超挖刀被卡，說(shuō)明巖石堅(jiān)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(pán)刀箱適應(yīng)性不夠

當(dāng)平均推力為1 400 t時(shí)，刀盤(pán)滾刀發(fā)生螺栓松動(dòng)現(xiàn)象，壓塊脫落，邊滾刀整體回退，導(dǎo)致開(kāi)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(kāi)倉(cāng)檢查，發(fā)現(xiàn)每環(huán)總有兩個(gè)以上刀具螺絲松動(dòng)，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(dòng)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(wèn)題。

3.4 地質(zhì)原因

盾體被圍巖卡死里程為樁號(hào)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(jì)提供的地質(zhì)資料長(zhǎng)石砂巖不符。經(jīng)取芯試驗(yàn)，干燥狀態(tài)平均單軸抗壓強(qiáng)度為85.7 MPa，圍巖抗壓強(qiáng)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(guò)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(qiáng)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(jì)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(jī)盡早脫困，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了三種方案。

方案1是從隧洞頂部鉆孔至盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)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(diǎn)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(jī)刀盤(pán)前面，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，支洞距掌子面約為480 m，距離長(zhǎng)，施工時(shí)間較長(zhǎng)。方案3是先用水鉆鉆孔，再用分離頂破碎方法在刀盤(pán)前方開(kāi)挖一個(gè)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(jī)快速脫困。經(jīng)多方咨詢(xún)并結(jié)合工程實(shí)際情況，最終選擇方案3。

4.1 水鉆鉆孔

首先用水鉆向刀盤(pán)前方掌子面位置破除出一個(gè)工作洞，利用盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)32%的開(kāi)口率，拆掉3把單刃滾刀，利用刀盤(pán)開(kāi)口位置和拆除掉的滾刀位置布置掏槽眼;在土倉(cāng)內(nèi)沒(méi)有固定鉆機(jī)的位置，焊接一個(gè)支架，用來(lái)固定鉆機(jī)，接好冷卻水管后開(kāi)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(gè)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(dòng)刀盤(pán)，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤(pán)開(kāi)口位置進(jìn)行擴(kuò)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(kāi)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(kāi)挖順序如下：利用刀盤(pán)開(kāi)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(dòng)刀盤(pán)，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤(pán)開(kāi)口位置擴(kuò)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(qiáng)度為85.7 MPa，施工作業(yè)空間位于盾構(gòu)機(jī)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(jī)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(zhǎng)度不小于300 mm的炮泥封堵。為減小爆破對(duì)盾體造成的損傷，距離盾構(gòu)機(jī)外輪廓預(yù)留50 cm的保護(hù)層。在爆破工作面上布置4個(gè)直徑83 mm、深度為1.5 m的爆破孔，中間布置一個(gè)直徑108 mm、深度為1.0 m的臨界孔。

5 盾構(gòu)機(jī)脫困措施

經(jīng)多次開(kāi)會(huì)研究，項(xiàng)目部制定如下脫困方案：采用鉆孔法，在刀盤(pán)與掌子面之間形成一定空間，滿(mǎn)足人員進(jìn)入的條件。人員進(jìn)入刀盤(pán)與掌子面之間的空間后，采用鉆孔與預(yù)裂爆破，刀盤(pán)前面形成作業(yè)臺(tái)階，鉆工可利用水鉆取芯，沿著刀盤(pán)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(kuò)大洞徑，再沿盾體外側(cè)反向回掏，孔深大于2.5 m，開(kāi)挖尺寸根據(jù)實(shí)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(gè)孔相連并形成空腔，當(dāng)鉆孔至頂拱120°范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)施工人員撤離現(xiàn)場(chǎng)，由盾構(gòu)機(jī)司機(jī)進(jìn)行試推，無(wú)法推進(jìn);二是繼續(xù)鉆孔到頂拱150°范圍內(nèi)時(shí)，重復(fù)步驟一，無(wú)法推進(jìn)，而繼續(xù)鉆孔到頂拱180°范圍內(nèi)時(shí)，重復(fù)步驟一，推進(jìn)壓力達(dá)到15 MPa（設(shè)計(jì)總推力1 600 MPa），由于尾盾被卡，主動(dòng)鉸接與被動(dòng)鉸接全部伸出，總計(jì)推進(jìn)18 cm。經(jīng)過(guò)與盾構(gòu)機(jī)廠(chǎng)家協(xié)商，并在管片上游側(cè)端部（即俯角60°位置）增加兩個(gè)輔助油缸配合（由原11個(gè)油缸增加至13個(gè)油缸），同時(shí)為保證被動(dòng)鉸接不被拉斷，在被動(dòng)鉸接位置焊接4個(gè)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(yǔ)

為保證盾構(gòu)機(jī)安全掘進(jìn)，杜絕卡盾現(xiàn)象，項(xiàng)目部必須制定切實(shí)可行的預(yù)防卡盾措施：在后續(xù)盾構(gòu)施工期間增加開(kāi)倉(cāng)檢查頻率，及時(shí)更換磨損嚴(yán)重刀具及復(fù)緊刀具螺栓，針對(duì)刀具螺栓松動(dòng)問(wèn)題應(yīng)采取防松措施;該項(xiàng)目地質(zhì)勘探報(bào)告與實(shí)際掘進(jìn)地質(zhì)出入較大，建議項(xiàng)目進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘或者增加地質(zhì)超前預(yù)報(bào)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(shí)刀具磨損原則，邊緣滾刀磨損量（最大）達(dá)到10 mm時(shí)需要更換刀具，刀盤(pán)正面滾刀磨損量（最大）達(dá)到20 mm時(shí)需要更換（如果前部地層不能確定能否進(jìn)入刀盤(pán)換刀，而根據(jù)刀具磨損進(jìn)度預(yù)計(jì)將于該處換刀時(shí)，磨損量在5～7 mm的刀具也需更換新刀）;刀具更換安裝時(shí)應(yīng)保證配合面干凈，刀具螺栓需要按照設(shè)計(jì)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(jì)要求進(jìn)行采購(gòu)更換，禁止采用不符合設(shè)計(jì)要求的刀具安裝配件;盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)情況下，當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)突變或異常時(shí)需要停機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)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(jī)順利掘進(jìn)。

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