含碎石黏土地層中盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)故障分析及應(yīng)對(duì)措施

劉春桃，劉志賀，王 鵬

（中車智能交通工程技術(shù)有限公司，北京 100078）

盾構(gòu)法是修建城市軌道交通隧道較常用的方法。盾構(gòu)隧道的施工距離一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里，在開(kāi)挖過(guò)程中可能會(huì)遭遇各種復(fù)雜工況。若盾構(gòu)掘進(jìn)斷面夾雜著粒徑較大且分布不均的碎石，則隧道施工時(shí)較易出現(xiàn)掘進(jìn)速度變慢、開(kāi)挖面水土壓力波動(dòng)較大及螺旋輸送機(jī)故障等問(wèn)題，威脅著盾構(gòu)隧道開(kāi)挖的安全與穩(wěn)定。目前，對(duì)于盾構(gòu)隧道穿越含碎石黏土地層時(shí)遇到的施工風(fēng)險(xiǎn)和應(yīng)對(duì)措施還未形成有效的認(rèn)識(shí)。因此，文章以東南沿海某地區(qū)軌道交通盾構(gòu)隧道工程為背景，分析了盾構(gòu)在含碎石黏土地層中掘進(jìn)時(shí)遭遇螺旋輸送機(jī)故障時(shí)的應(yīng)對(duì)措施，相關(guān)分析和結(jié)論可為類似工程的施工提供參考。

1 盾構(gòu)機(jī)及其機(jī)械設(shè)備概述

盾構(gòu)法是城市軌道交通隧道建設(shè)中較常用的方法之一。其盾構(gòu)機(jī)為核心設(shè)備，通過(guò)推進(jìn)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行地下隧道的開(kāi)挖和施工。盾構(gòu)機(jī)作為一種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，包括多個(gè)關(guān)鍵組成部分，每個(gè)部分協(xié)同運(yùn)作，共同完成隧道開(kāi)挖任務(wù)。

1.1 盾構(gòu)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機(jī)通常由刀盤、主軸、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等部分組成。刀盤位于盾構(gòu)機(jī)前端，是開(kāi)挖的主要工具。刀盤上裝有刀具和刀齒，可以切削地層并將土層推入螺旋輸送機(jī)。主軸連接刀盤和推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承受刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力和推進(jìn)力，確保盾構(gòu)機(jī)穩(wěn)定推進(jìn)。螺旋輸送機(jī)位于盾構(gòu)機(jī)后部，負(fù)責(zé)將切削的土層和碎石通過(guò)螺旋輸送機(jī)械輸送至盾構(gòu)機(jī)的尾部，進(jìn)而將土層排出隧道。推進(jìn)系統(tǒng)通過(guò)液壓和電動(dòng)機(jī)等設(shè)備驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)，推動(dòng)整個(gè)盾構(gòu)機(jī)向前施工。支撐系統(tǒng)在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)安裝預(yù)制管片等方式支撐隧道壁面，確保施工區(qū)域的穩(wěn)定。

1.2 盾構(gòu)機(jī)工作原理

盾構(gòu)機(jī)工作的基本原理是“掘進(jìn)—支護(hù)—排土”的循環(huán)過(guò)程。具體如下：①刀盤旋轉(zhuǎn)切削地層，螺旋輸送機(jī)負(fù)責(zé)將切削的土層和碎石輸送至盾構(gòu)機(jī)尾部；②隨著盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)，支撐系統(tǒng)及時(shí)安裝預(yù)制管片等支撐隧道壁面，防止地層塌方；③排土系統(tǒng)將土層從盾構(gòu)機(jī)尾部排出隧道，完成一次“掘進(jìn)—支護(hù)—排土”循環(huán)。

1.3 盾構(gòu)機(jī)穿越含碎石黏土地層中的挑戰(zhàn)

盾構(gòu)機(jī)在含碎石黏土地層中進(jìn)行施工時(shí)面臨許多挑戰(zhàn)，例如：碎石含量較高，增加了刀盤和刀具的磨損；黏土地層的高壓縮性，可能導(dǎo)致隧道變形和不穩(wěn)定；大塊混凝土等異物可能導(dǎo)致螺旋輸送機(jī)排土不暢和斷軸故障。盾構(gòu)機(jī)機(jī)械設(shè)備的故障嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和隧道工程的安全性，特別是在含碎石黏土地層中，機(jī)械設(shè)備的故障可能更加頻繁和嚴(yán)重，因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行應(yīng)對(duì)和預(yù)防。

2 工程及地質(zhì)概況

文章以東南沿海某地區(qū)軌道交通盾構(gòu)隧道工程為研究背景。該工程長(zhǎng)度約860 m，線路平面最小曲線半徑為1000 m，最大縱坡為3.942‰。區(qū)間隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片錯(cuò)縫拼裝，管片外徑為8500 mm，環(huán)寬為1600 mm，混凝土等級(jí)C55。區(qū)間隧道穿越主要地層為人工填土、淤泥質(zhì)黏土層及含碎石（角礫）粉質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)黏土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有高壓縮性，層厚1.5～14.3 m。含碎石（角礫）粉質(zhì)黏土層的礫石含量約為10%～20%，碎石含量10%，粒徑以0.2～4 cm 為主，個(gè)別大于6 cm。隧道線路東側(cè)為市政河道，河道寬約30～40 m，勘察期間河面標(biāo)高約1.500 m，水深1.5～2.5 m，河底淤泥厚0.5～0.8 m，河岸設(shè)置漿砌片石護(hù)坡。

3 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)故障及其原因

3.1 故障情況

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)排土不暢情況，并導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。此次排土不暢表現(xiàn)為螺旋輸送機(jī)不排土，但可排出少量泥水。經(jīng)采取正常操作（正反轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)，伸縮螺旋輸送機(jī)，啟閉前土倉(cāng)閘門），排土沒(méi)有明顯改善。經(jīng)打開(kāi)螺旋輸送機(jī)前部球閥，發(fā)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)前部無(wú)渣土，判斷為：渣土、碎石組合體堵塞螺旋輸送機(jī)前閘門，并形成“拱包”，且有較大顆粒堵塞前閘門位置和螺旋輸送機(jī)輸送通道。圖1為螺旋輸送機(jī)排出的直徑60 cm×40 cm 的混凝土塊。

圖1 螺旋輸送機(jī)排出的直徑60 cm×40 cm的混凝土塊

3.2 螺旋輸送機(jī)故障原因

經(jīng)過(guò)仔細(xì)地檢查和分析判斷，確認(rèn)故障原因?yàn)槁菪S斷裂，阻礙了前閘門的正常關(guān)閉。經(jīng)與工程圖紙進(jìn)行對(duì)比，估計(jì)螺旋軸斷裂長(zhǎng)度約為1.1 m。此時(shí)，通過(guò)觀察穿越河流至今的螺旋輸送機(jī)排土情況和留存的渣樣，發(fā)現(xiàn)渣土中夾雜著不同粒徑的碎石、混凝土、鋼筋等異物，其中最大粒徑約為60 cm×40 cm。在與盾構(gòu)機(jī)廠家共同分析后初步判定，這次螺旋輸送機(jī)斷軸是由于盾構(gòu)機(jī)洞身范圍地層含有接近螺旋輸送機(jī)出土能力極限的大塊混凝土，而這些大塊混凝土可能來(lái)自附近大橋樁基沖樁的殘留物。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，盾構(gòu)機(jī)廠家和施工團(tuán)隊(duì)需要共同合作，采取有效的措施。施工團(tuán)隊(duì)方面，需提前在盾構(gòu)機(jī)洞身范圍內(nèi)進(jìn)行地層勘探，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的大塊混凝土區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)處理。盾構(gòu)機(jī)廠家方面，需在設(shè)計(jì)和制造螺旋輸送機(jī)時(shí)考慮可能遇到含碎石黏土地層的情況，并提高螺旋輸送機(jī)的出土能力，以應(yīng)對(duì)類似的挑戰(zhàn)。此外，定期對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行維護(hù)和檢查，確保其在施工過(guò)程中的正常運(yùn)行，也是預(yù)防類似故障發(fā)生的重要措施。

綜上所述，螺旋輸送機(jī)故障是由于盾構(gòu)機(jī)洞身地層中含有超出其出土能力極限的大塊混凝土所導(dǎo)致。通過(guò)采取相應(yīng)措施可以有效預(yù)防和解決這類機(jī)械故障，確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。這對(duì)未來(lái)類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了重要的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

4 螺旋輸送機(jī)維修及應(yīng)急措施

4.1 維修措施

（1）在排土不暢的情況下，應(yīng)對(duì)排土通道進(jìn)行徹底檢查，清除可能導(dǎo)致不暢的大顆粒、碎石等異物。具體操作如下：①在土倉(cāng)內(nèi)添加適量的水和泡沫，增加土層的潤(rùn)滑性和流動(dòng)性，并通過(guò)反向旋轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)來(lái)破壞“拱包”，使排土通道恢復(fù)暢通；②在土倉(cāng)內(nèi)插入部分大顆粒材料，如20 cm×20 cm×60 cm 方木，并注入泡沫，然后反向旋轉(zhuǎn)螺旋輸送機(jī)，以幫助打破“拱包”，恢復(fù)螺旋輸送機(jī)的排土功能。

（2）對(duì)于螺旋輸送機(jī)斷軸的情況，需做到以下幾點(diǎn)：①安裝安全門確保維修人員的安全；②將斷裂的螺旋軸臨時(shí)焊接在主軸上，防止其阻礙前閘門的關(guān)閉；③使用松動(dòng)千斤頂油缸等工具，將斷軸安全拉出前閘門范圍；④完成上述步驟后，關(guān)閉前閘門，避免泥水涌入螺旋輸送機(jī)內(nèi)，導(dǎo)致土倉(cāng)失壓；⑤修復(fù)斷軸，確保其完整性和穩(wěn)固性。

（3）維修后的測(cè)試和檢驗(yàn)也十分重要。進(jìn)行螺旋輸送機(jī)的功能測(cè)試，確保其排土?xí)惩ê瓦\(yùn)行正常，并對(duì)維修質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，確保螺旋輸送機(jī)符合設(shè)計(jì)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。螺旋輸送機(jī)恢復(fù)正常工作后，還需對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和觀察，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問(wèn)題。

（4）為了保障螺旋輸送機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，必須定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。建立定期檢查機(jī)制，對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行檢查，包括潤(rùn)滑油、密封件等的檢查和更換。同時(shí)，對(duì)螺旋輸送機(jī)的排土通道、輸送通道及土倉(cāng)等部分進(jìn)行清理和保養(yǎng)，防止碎石等異物堆積。定期維護(hù)潤(rùn)滑系統(tǒng)，確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)和使用壽命。

綜合采取上述維修和維護(hù)保養(yǎng)措施，可以有效應(yīng)對(duì)螺旋輸送機(jī)故障，并保障盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)行和施工安全。在實(shí)際施工中，維修工作應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員進(jìn)行，并嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，確保維修工作的順利進(jìn)行和人員的安全。

4.2 維修期間應(yīng)急措施

為了應(yīng)對(duì)螺旋輸送機(jī)斷軸故障，并防止在拔出斷裂的螺旋軸時(shí)導(dǎo)致泥水涌入螺旋輸送機(jī)內(nèi)，引起土倉(cāng)失壓和地面過(guò)大沉降，需采取地面注漿加固和土倉(cāng)卸壓措施。

（1）地面注漿加固。這種加固方法采用水泥、水玻璃雙液漿，通過(guò)地面引孔后退式注漿的方式，對(duì)刀盤頂部和掌子面前方土體進(jìn)行擠密，以增加土體的穩(wěn)定性。注漿的漿液配比為水泥漿水灰比1 ∶1，水玻璃溶液濃度18～25°Bé，水泥漿和水玻璃溶液體積比例為1 ∶1。根據(jù)注漿位置的不同，選擇不同初凝時(shí)間的漿液：靠近刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時(shí)間較短的漿液，20～30 s；遠(yuǎn)離刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時(shí)間較長(zhǎng)的漿液，30～60 s。每個(gè)注漿孔位的注漿量不少于2 m3，注漿壓力不超過(guò)0.2 MPa，并確保注漿引起的地面隆起不大于1.5 cm。為了保持注漿的均勻性和有效性，注漿孔位采用梅花形布置，間距設(shè)置為1 m。在進(jìn)行注漿加固前，還需要通過(guò)改性水玻璃和膨潤(rùn)土的注漿施工來(lái)填充土倉(cāng)上部空間和包裹盾體。

（2）土倉(cāng)卸壓。地面注漿加固完成后，采用松動(dòng)千斤頂油缸，打開(kāi)土倉(cāng)壁上的6個(gè)球閥，使刀盤上部約2m 范圍為空腔，保持氣壓狀態(tài)，而下部則是實(shí)土。通過(guò)鋼筋插入，確認(rèn)無(wú)泥水涌出，并觀察到渣土具有較大粘性和流動(dòng)性差的特點(diǎn)。

整個(gè)維修過(guò)程需要高度的技術(shù)操作和安全意識(shí)。應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程進(jìn)行施工，確保維修措施的有效性和維修工作的安全進(jìn)行。同時(shí)，定期檢查和維護(hù)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)，及時(shí)處理潛在問(wèn)題，是確保盾構(gòu)隧道施工安全和順利進(jìn)行的重要措施。

5 結(jié)論

（1）此次螺旋輸送機(jī)斷軸故障是盾構(gòu)機(jī)洞身范圍地層含有接近螺旋輸送機(jī)出土能力極限的大塊混凝土導(dǎo)致，該混凝土塊可能為附近大橋樁基沖樁殘留物。

（2）后續(xù)通過(guò)地面注漿加固、土倉(cāng)卸壓及螺旋輸送機(jī)維修等應(yīng)對(duì)措施可恢復(fù)盾構(gòu)機(jī)正常功能，并防止盾構(gòu)停機(jī)過(guò)程中地面產(chǎn)生過(guò)大沉降。