廣州地鐵花崗巖地層盾構機脫困工程實例

阮小賽,楊 杰

[1.北京建工集團（廣州）建設有限公司,廣東 廣州 510000; 2.廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司,廣東 廣州 510000]

0 引言

作為目前較為先進的盾構隧道掘進機之一，復合式土壓平衡盾構機因其對強度差別較大及斷面分布不均勻等復雜地質條件的良好適應性，被大量應用到城市軌道交通工程區(qū)間盾構隧道施工中。面對復雜的地質環(huán)境，當施工過程中出現刀盤刀具檢查更換不及時、掘進參數及盾構機姿態(tài)控制不當、盾構停機時間過長等情況時，容易發(fā)生盾構機卡盾被困。根據文獻[1-3]介紹，安裝輔助千斤頂增加推力或對圍巖進行爆破，是盾構機脫困的常用手段。

1 工程概況

廣州市軌道交通5號線東延段及同步實施工程（文沖~黃埔客運港）是廣州市城市軌道交通第三期建設規(guī)劃（2017—2023）項目之一。該工程位于黃埔區(qū)，線路長約9.76 km，均為地下線敷設方式，共施作6座車站（不含文沖站）、7個區(qū)間、1座新建停車場，平均站間距1.64 km，其中換乘站2座。

其中雙崗停車場出入場線區(qū)間盾構段隧道施工起于區(qū)間明挖段，沿東南方向掘進，長度約1 200 m。線路縱斷面為“V”字形，最大坡度3.5%。

盾構隧道襯砌環(huán)管片外徑6 m、內徑5.4 m、管片環(huán)寬1.5 m，每環(huán)分塊6塊，分別為1封頂塊、2鄰接塊、3標準塊，通過彎螺栓連接。盾構隧道施工采用海瑞克土壓平衡盾構機施工，盾構機刀盤為復合式刀盤，開挖直徑6 280 mm，配置12把邊緣單刃滾刀、20把正面單刃滾刀和4把中心雙刃滾刀，均為18寸；盾構機前、中、尾盾直徑分別為6 250 mm、6 240 mm、6 230 mm。

區(qū)間盾構隧道斷面穿越地層主要為全、強、中風化花崗巖地層，其中中風化花崗巖地層占比達46.6%，地質占比如圖1。

圖1 雙崗停車場出、入場線穿越地質占比餅狀圖

2 盾構掘進過程

區(qū)間出場線隧道施工在第290環(huán)掘拼完成后開始春節(jié)前停機，停機前掘進過程中，盾構機總推力約1 400 t，掘進速度約5~10 mm/min，各項參數正常。根據現場掘進渣樣判斷，盾構機刀盤在287環(huán)開始進入全斷面中風化花崗巖地層，至290環(huán)停機位置掘進約5 m，推測盾尾頂部仍處在強風化花崗巖地層。

停機44天后盾構機恢復掘進，291環(huán)至293環(huán)掘進過程中，盾構機總推力從2 000 t不斷升高至3 800 t。294環(huán)掘進過程中盾構機總推力上升至4 400 t，已達當前狀態(tài)下的最大推力。掘進至行程400 mm左右時速度降低至0，之后外加4個單頂推力100 t的輔助千斤頂輔助掘進仍無速度，判定盾構機卡盾。項目部啟動盾構機脫困應急處置。

卡盾位置盾構機覆土厚度約23.5 m，從上到下地層為粉質黏土、砂紙黏性土、全~強風化花崗巖。刀盤剛進入全面中風化花崗巖＜8H＞地層長度約5 m，最近處勘探揭露孔區(qū)域巖石近似RQD值約30%，飽和抗壓強度范圍值為40.9~77.20 MPa。中盾、尾盾位置頂部為強風化花崗巖＜7H-b＞層。

3 盾構機卡盾原因分析

3.1 隧道線型及盾構姿態(tài)分析

該段盾構隧道線型設計平面為直線段，縱斷面為3.45%下坡段，隧道為直線，春節(jié)停機復推前后盾構機姿態(tài)無變化。

在291環(huán)開始恢復掘進時盾構機姿態(tài)為Y=-31 mm、X=-18 mm，掘進到294環(huán)盾構機卡盾時盾構機姿態(tài)為Y=-26 mm、X=-15 mm。過程中沒有出現異常糾偏。

3.2 刀盤刀具檢查分析

在292環(huán)掘進完成后，由于推力有所增加，現場安排對刀具進行了檢查測量，邊緣#39/#40滾刀（對應最大開挖直徑6 280 mm）最大磨損量約9 mm，正常磨損無偏磨，未發(fā)現刀箱有變形。其余邊緣滾刀均為正常磨損無偏磨現象。隨后更換了全部12把邊緣滾刀并恢復掘進。

至293環(huán)掘進完成后，再次檢查邊緣#39/#40滾刀最大磨損量約1~1.5 mm，正常磨損，且刀具安裝無松動變形現象。通過刀具測量得到的刀具磨損數據，計算該段開挖輪廓最小直徑約6 262 mm（邊緣滾刀磨損9 mm），出現在292環(huán)刀具更換前。293環(huán)掘進完成后，最小輪廓截面到達前盾中部，開挖輪廓最小直徑約6 262 mm大于前盾直徑6 250 mm，理論上不會完全卡住盾體。開挖面地層如圖2。

圖2 卡盾位置掌子面及拱頂照片

3.3 盾尾鉸接分析

該工程所使用的盾構機盾尾鉸接為被動式鉸接，總拉力最大為1 000 t?？ǘ芮埃軜嫏C掘進291~292環(huán)過程中，鉸接油壓偶爾出現400 bar最大油壓（總拉力約1 000 t），現場通過增加4個單頂推力100 t的輔助千斤頂后，掘進完成292環(huán)。分析出現最大鉸接拉力的原因可能為春節(jié)長時間停機，少量盾尾同步二次注漿漿液滲入盾尾下部并固結導致。

盾構機掘進293環(huán)過程中，鉸接油壓逐漸降至約290 bar（總拉力約750 t）；掘進294環(huán)卡盾前，鉸接油壓最大值約250 bar（總拉力約650 t）。根據鉸接參數變化分析，盾構機盾尾位置未被完全卡死，卡盾部位很可能集中在中、前盾區(qū)域。

3.4 切口環(huán)檢查分析

卡盾發(fā)生后，現場進倉檢查測量邊緣#39/#40滾刀最大磨損量約2 mm，正常磨損無偏磨。前盾3、9點鐘位置切口與開挖輪廓巖石之間的縫隙寬度約1.2 cm，縫隙正常；12點鐘位置切口與開挖輪廓巖石之間的縫隙小于0.4 cm，縫隙偏小。

隨后，現場組織對開挖倉進行清倉。將倉內石塊、石渣等完全清出后檢查前盾切口環(huán)與開挖輪廓之間，發(fā)現6點鐘位置切口環(huán)與開挖輪廓巖石之間的縫隙大于1.6 cm，同時4、7點以下切口環(huán)與開挖輪廓巖石之間存有大量石渣石粉，并夾有少量固結的水泥漿液。

綜上分析推測，盾構機在強度較高的全斷面中風化花崗巖地層中長時間低貫入度掘進，使倉內產生大量石粉并沉積，掘進過程中底部石粉不能有效排出，通過切口環(huán)底部進入盾體與開挖輪廓之間的縫隙。與此同時，全斷面巖層欠壓掘進，盾尾同步和二次注漿漿液經盾體底部往開挖倉方向滲入，引起石粉固結。盾構機掘進過程中的上抬趨勢使盾體底部石粉層逐漸變厚，擠壓盾體貼緊開挖輪廓上部，最終導致盾體被卡死。

4 盾構機脫困處理措施

4.1 制定方案

根據分析推測的盾構機卡盾原因，結合受困位置地質和地面環(huán)境條件，項目部制定了三個脫困方案。

方案一使用高壓水槍從開挖倉內沖洗前盾切口環(huán)與開挖輪廓之間的縫隙，將縫隙之間的石粉盡可能沖洗出來，降低石粉對盾體的包裹力，以達到盾構機脫困目的。由于開挖倉內作業(yè)空間狹小，開挖倉底部容易積且水抽排困難，前盾切口與單品之間縫隙較小不能目視沖洗位置，因此高壓水槍操作難度大、水柱效率較低。同時，石粉漿液固結程度不定，導致沖洗較為困難，效果難以保證。

方案二采用旋挖鉆機，在地面垂直于隧道軸線成一排孔至中、前盾頂部，使盾體上方巖層完整性降低而部分卸力，降低巖層對盾構機的包裹力，達到盾構機脫困目的。該方案需密排成孔，施工過程中先期成孔很難回填密實，相鄰孔施工過程中極易發(fā)生塌孔、躥孔風險。同時旋挖鉆機成孔作用范圍較小，巖石強度較高，脫困成功率得不到保證。

方案三采用爆破的方式，破壞盾構機上方圍巖使圍巖卸力，達到盾構機脫困目的。該方案是通過在地面按一定間距垂直鉆孔至盾構機上方一定距離內并埋設PVC管，然后將炸藥裝填至PVC管底部，利用炸藥爆破使盾構機上方圍巖破碎，降低圍巖對盾構機的包裹力以達到盾構機脫困目的。

綜合分析之后，項目部判斷方案一可行性較低，現場實施困難，因此決定放棄方案一，實施方案二和方案三。

4.2 旋挖鉆孔方案

（1）成孔位置確定。根據掘進情況判斷，盾構機圍巖最小輪廓截面最有可能在前盾中部距離切口約1.2 m的位置。因此在該截面進行旋挖鉆孔使盾構機脫困的可能性最大。為了盡可能避免出現塌孔、躥孔風險，將原計劃的密排鉆孔改為間隔鉆孔，鉆孔間距中心間距約2.5 m，采用直徑800 mm旋挖鉆成孔。鉆孔距離切口環(huán)約1.5 m，頂部孔深度至盾體上方0.2 m，兩側孔深度至盾體中心線以下0.5 m，孔壁距離盾體0.3 m。鉆孔布置圖如圖3所示。

圖3 旋挖鉆孔平面、立面示意圖

（2）旋挖成孔。由于成孔深度超過20 m，現場采用泥漿護臂成孔，成孔至預定后使用砂漿回填至地面以下4 m轉用粉質黏土回填。成孔過程中，隧道內和地面聯(lián)動，防止因施工過程中孔深計算失誤旋挖鉆損傷盾體。

鉆孔施工完成后，盾構機啟動并加載推力。推力加載到最大值，仍沒有速度，旋挖鉆孔脫困方案失敗。啟動爆破圍巖方案

4.3 爆破圍巖方案

（1）爆破孔布置及成孔。為了有效破碎卡盾部位的圍巖，同時避免爆破應力使盾體變形，爆破孔平面布置為前盾切口后0.5 m至中盾鉸接前0.5 m的中前盾位置。兩側至盾體外廓0.7 m，剖面深度至盾體頂部0.3 m、兩側至盾構機中線以下0.3 m。示意圖如圖4所示。

圖4 爆破孔布置圖

由于該段盾構機拱頂巖層較厚，為了提高成孔效率，現場采用潛孔錘成孔?？讖?00 mm，孔內埋設75 mm直徑PVC管便于炸藥裝填。為了防止PVC管上浮，管道下放完成后在內部裝滿清水，并蓋上蓋子。

潛孔錘成孔沖擊較大，且終孔深度距離盾體較近。為了避免盾體損傷，需準確控制鉆孔定位、成孔垂直度及深度。成孔過程中，需建立上下聯(lián)動機制，實時反饋洞內盾體異響情況，出現異常及時停止鉆孔。

（2）爆破。此次盾構機脫困施工爆破作業(yè)采用乳化炸藥，每孔裝藥量900 g。炸藥裝填在PVC管底部，空管采用細石回填密實。起爆方式為順序起爆，間隔時長30 ms，從近刀盤一排孔開始起爆。起爆前，撤離隧道內人員，提前將開挖倉降至常壓后關閉倉門，降低爆破沖擊波對主驅動密封的影響。

（3）掘進脫困。爆破完成后，檢查盾體有無變形、管片有無開裂滲水等。檢查完成后，啟動盾構機運行，盾構機加載至總推力3 700 t時開始有速度。294環(huán)掘進完成時，總推力降低至2 200 t左右，掘進速度從2 mm/min逐漸提高到6 mm/min。

295環(huán)至297環(huán)掘進過程中，盾構機掘進速度能夠維持在6 mm/min左右。同時總推力逐漸降低至1 500 t左右，趨于正常水平，盾構機脫困成功。

5 結語

復合式土壓平衡盾構機在硬巖段掘進過程中由于刀具檢查更換不及時、掘進參數及盾構機姿態(tài)控制不當、盾構停機時間過長等原因，出現盾構機卡盾的可能性較高。通過此次盾構機脫困施工，項目部總結了三條預防措施：第一，避免盾構機在巖、土交界面和全斷面巖層位置長時間停機。確需長時間停機時，停機前做好盾體徑向孔高濃度惰性泥漿注入和檢查，提前填充盾體與巖石之間的縫隙，保證盾體潤滑；第二，及時檢查更換邊緣滾刀，避免出現較大磨損或偏磨現象導致開挖直徑不足；第三，優(yōu)化硬巖段掘進參數和刀具選擇，盡量避免長時間低貫入度掘進，防止土倉內留存大量細石、石粉，填塞盾體背后縫隙。