盾構機掘進中解卡措施研究

張煥杰，劉廣仁，常喜平

（中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾構機掘進中解卡措施研究

張煥杰，劉廣仁，常喜平

（中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾構機在掘進的過程中，由于地層突變等原因易造成盾構機“卡殼”，使得盾構機陷入進退兩難的困境。文章以西氣東輸二線長江盾構工程為例，就盾構機“卡殼”的原因進行了詳細的分析，并提出增加盾構機的總推力，同時調整掘進參數等盾構機解卡措施，使盾構機成功脫困。

西氣東輸二線；盾構機；解卡；參數調整

1 工程概況

西氣東輸二線管道工程途經新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、廣西、廣東、浙江、江蘇、上海和香港等15個省、自治區、直轄市，是我國重要的天然氣輸送干線工程，也是我國的能源戰略新通道。長江盾構工程是西氣東輸二線東段的重點控制性工程之一，在江西省九江市和湖北省武穴市之間穿越長江，工程采用德國海瑞克公司生產制造的AVND3080AH泥水平衡盾構機，工程穿越的地質情況分別為泥質砂巖、中粗砂、中細砂、粉細砂和粉質黏土層。隧道水平長度為2 590 m，工期從2008年6月1日至2010年6月30日，共計25個月。隧道建成后，鋪設直徑1 219 mm、壓力10 MPa的天然氣管道。

2 被困盾構機情況

根據地質勘查報告，盾構機掘進地層在第15個探孔處（750 m）為泥質砂巖層，在第16個探孔處（800 m）為中粗砂和中細砂混合層。在泥質砂巖掘進中刀具存在一定程度的磨損，但在砂層掘進時如要更換刀具風險大，為此項目部決定在盾構機進入砂層前對所有刀具進行檢查，對磨損程度嚴重的刀具進行更換。更換刀具后，盾構機開始正常掘進，但是掘進2.4 m后，推進油缸壓力逐漸增大，速度逐漸降低直至無法推動，盾構機陷入困境，主要表現為以下幾個方面：

（1） 推進壓力增大。推進壓力由正常的5500kN逐漸增大至8 200 kN，后增至10 000 kN，臨近盾構機推力極限值（11 000 kN）。

（2） 鉸接拉力增大。鉸接拉力由正常的200 kN增加到2 200 kN，臨近盾構機鉸接拉力的極限值（2 800 kN）。

（3） 推進速度先增加后降低。更換刀具后，盾構機的推進速度為10～20 mm/min，后來增加至30 mm/min，之后推進速度逐漸降低至5 mm/min以下，最后速度為零。

（4） 出渣情況。更換刀具后，泥水分離出渣為泥質砂巖和少量礫石，后為中粗砂和中細砂，中間夾雜流木，出渣量逐漸降低至3 m3左右，遠低于正常量13.6 m3。

（5） 盾構機呈V字形，姿態難以控制。

3 原因分析

盾構機的姿態如圖1所示，選擇推進油缸壓力、導向油缸壓力、鉸接油缸壓力和反向壓力等參數，對最接近盾構機且推進異常的22環（第625～646環）的掘進數據進行分析，得到圖2所示結果。

從圖2中可以得出以下結果：

（1） 導向油缸壓力沒有明顯的變化，一直維持在5 200 kN左右，根據力學原理，表明盾構機在1#主機不存在“卡殼”的情況。

（2） 推進油缸和鉸接油缸壓力呈現出相同的變化趨勢，在第633環之前無明顯變化，第633環之后卻逐漸上升。第633環之前推進油缸的壓力為5 700 kN左右，在正常范圍內，此后壓力逐漸增大，最高達到10 000 kN。同樣鉸接油缸在第633環之前壓力為218 kN，此后逐漸增大，最高達到2 258 kN。所以第633環為推進油缸壓力和鉸接油缸壓力突然增長的一個拐點。與推進油缸和鉸接油缸的壓力趨勢一樣，反向壓力的變化也是在第633環的位置突然增大，然后上升。

根據力學原理，選取盾構機2#主機作為受力分析點，總的來說它受到4個力，分別為推進油缸壓力F推、導向油缸壓力F導、鉸接油缸壓力F鉸和反向壓力F反（盾殼與地層的摩擦力以及1～5拖車的反向拉力），它們滿足以下公式：

根據（1）式，可以看出F推和F鉸增大，F導不變，F反有可能增大，所以2#主機存在被卡的可能。

（3） 以3#主機為受力分析點，可以得到以下公式：

式中F管——盾尾和管片的摩擦力；

F地——盾尾和地層的摩擦力。

F管的數值是較為固定的，認定其不變；F鉸增大，從而得出盾尾與地層的摩擦力F地是增大的，這說明3#主機也存在被卡的可能。

（4） 在第633環泥水分離出現的流木量最大，所以初步判斷在第633環的位置可能存在大量的枯樹阻礙盾構機的前進。在緩慢掘進至第642環時，推進油缸和鉸接油缸的壓力也達到最大，掘進速度幾乎為零。主盾構司機伸出鉸接油缸發現推進速度有所提高，而鉸接油缸壓力隨之逐漸增大，所以判斷盾構機3#主機出現“卡殼”。

通過以上的“卡殼”可能性分析，可以看出3#主機（盾尾）被卡。現初步認定盾構機卡住的主要原因是：地層由泥質砂巖層向砂層過渡時，中間夾雜流木，引起掘進姿態急劇變化，阻礙盾構機前進。

4 盾構機脫困措施

4.1 對地質資料進行詳細分析

根據勘探報告，15號探孔和16號探孔位于完全不同的地層，在15號探孔的泥質砂巖層和16號探孔的砂層，并無流木的報告，所以必須對該段地層進行補勘。通過補勘發現，該段地層為泥質砂巖層向砂層的過渡段，盾構掘進的區間上層為中粗砂和中細砂，下層為泥質砂巖，中間夾雜著流木。

4.2 成立盾構機脫困領導小組

項目部成立了盾構機脫困領導小組，由主管生產的項目副經理任組長，班組長任副組長，成員包括主盾構司機、質量部長、技術部長、物資部長等。領導小組有權調動相關的人、機、物、料，整體協調盾構機的脫困工作。

4.3 掘進參數控制

根據補勘報告，盾構掘進的地層是上軟下硬地層，它是一種特殊的地質，既具有軟巖地層的不穩定性，又具有硬巖的強度。在這類地層中施工，盾構機刀盤切削工作面土體，上部軟地層較易進入刀盤艙，而下部較硬巖體不易破碎，盾構機的姿態較難控制。其掘進參數需要考慮以下因素：

（1） 刀盤轉速。在上軟下硬地層中掘進，上部砂層只需轉動刀盤即可破壞地層，而下部泥質砂巖硬度較高，刀盤的滾刀受力較大，局部對刀具即刀盤的損傷較大，所以應適當降低刀盤轉速，使刀具受到的瞬時沖擊小于安全荷載，刀盤的轉速要控制在1.2～1.6 r/min。

（2） 油缸推力。通過分析可以看出，刀盤推力已經臨界極限，僅僅靠盾構機自身的推力難以完成脫困任務，必須額外添加輔助推進油缸，添加的油缸位于管片和鉸接油缸的底座之間。設添加油缸的推力為F1，得到：

通過公式（3）與公式（2）的比較，可以看出F鉸減小了，聯合公式（1）可知，F推＞F導+F鉸+F反，能夠保證盾構機順利掘進。

（3）掘進速度。由于盾構機是在地層過渡段掘進，同時還添加了輔助推進油缸，所以推進的速度不宜過快，控制在3～5 mm/min。

（4） 注漿。為了保證盾構機外部的潤滑，通過盾尾和2#機前部向盾殼外部注入黏度為60 s的膨潤土泥漿，并合理掌握注漿壓力，使注漿量、注漿流量與推進速度等施工參數形成最佳匹配。

4.4 保持信息暢通

盾構司機密切關注各推進壓力、鉸接壓力、導向壓力、輔助油缸壓力等主要參數，同時積極與泥水分離司機保持溝通，隨時掌握泥水分離的出渣情況，控制每環的出渣量；并且根據地質補勘報告，隨時掌握盾構機所處位置的地層情況。

通過采取以上措施，盾構機在添加輔助油缸掘進15環（18 m）后，進入了砂層掘進，順利地通過了過渡段的掘進，盾構機成功脫困。

[1] 譚忠盛，洪開榮，萬姜林，等.軟硬不均地層復合盾構的研究及掘進技術[J].巖石力學與工程學報，2005，25（2）：3 945-3 952.

[2] 付艷斌.上軟下硬地層中盾構法隧道施工技術[J].交通科技與經濟，2009，（4）：80-84.

[3] 鐘志全，楊自華.特殊地段的泥水盾構施工[J].建筑機械化，2007，（8）：49-51.

[4] 寧銳，劉文斌.軟硬不均復雜地層的盾構施工技術研究[J].吉林水利，2009，（9）：19-22.

[5] 楊書江.盾構在硬巖及軟硬不均地層施工技術研究[D].上海：上海交通大學，2006.

[6] 史興全.西氣東輸管道工程大型穿越遇到的技術難題及其對策[J].石油工程建設，2005，（1）：43-47.

Abstract：Because of abrupt strata changing,the shield machine may be unable to move during tunnel-ing.This article takes the Yangtze River shield tunneling construction of Second West to East Gas Pipeline Project for example,carries out the detailed analysis of shield machine stuck reasons,and researches the stuck freeing measures of increasing general power of the shield machine and regulating operational parameters.Finally,the shield machine stuck problem is successfully solved.

Key words:Second West to East Gas Pipeline;shield machine;stuck freeing;parameter regulation

（67）Research of Stuck Freeing Measure for Shield Machine in Tunneling

ZHANG Huan-jie（China Petroleum Pipeline Fourth Construction Co.,Langfang 065000,China）,LIU Guang-ren,CHANG Xi-ping

TE973.4

B

1001－2206（2011）02－0067－03

張煥杰（1979-），男，河北廊坊人，工程師，2008年畢業于西南石油大學管理科學與工程專業，碩士，現從事項目管理工作。

2010-05-28