復合地層中TBM卡盾原因分析及脫困案例

譚軍民

(北京中鐵隧建筑有限公司盾構公司，北京 100000)

0 引言

目前越來越多的城市將把地下交通網作為解決交通擁擠的最為有效手段，對于山城重慶顯得尤為重要。重慶軌道交通六號線二期就是在重慶復合式地層中首次使用復合式TBM的地鐵線路。在該地層中應用復合式TBM將面臨許多挑戰，如盾體防卡、掘進姿態控制以及開倉換刀等一系列難點和重點技術問題。

本文就通過對重慶復合地層中TBM脫困的案例分析著手，找出卡盾的原因，并提出對策。

1 工程概況及地質狀況

工程屬于重慶軌道交通六號線二期復合式TBM試驗段茶園分段，復合式TBM掘進分為左右線。TBM首先完成左線掘進任務，再從右線進行二次始發，完成掘進任務后，從車站預留井口吊出。

隧道穿越的地層基本上以砂質泥巖和砂巖為主，圍巖裂隙不發育，圍巖的完整性較好，地下水主要賦存于裂隙中，由于裂隙不發育，故地下水量較少。隧道穿越的泥巖和砂巖抗壓強度在3.7 MPa～27.9 MPa之間。

2 復合式TBM主要參數

2.1 刀盤和刀具相關參數

刀盤開挖直徑為φ=6 280 mm，前體直徑為φ1=6 250 mm。刀盤上單刃滾刀為34把，中心雙刃滾刀為5把。其中有2把單刃滾刀所處位置的開挖直徑比前體直徑大，一把滾刀直徑為φ2=φ=6 280 mm，另一把滾刀直徑為φ3=6 260 mm。在前體外部焊裝了2道5 mm厚的耐磨層，那么前體實際直徑為φ4=6 260 mm。根據上述數據可以知道，TBM在正常掘進時的最大允許磨損量H為:

2.2 鉸接系統與推力系統情況

復合式TBM共有推進油缸30根，總推力F1=3 700 t，鉸接油缸有14根，總鉸接拉力P1=7 340 kN，為被動鉸接系統。主要參數見表1。

3 復合式TBM卡盾時征兆

3.1 掘進參數情況

在TBM掘進時，當時掘進參數為推力14 600 kN，速度在16 mm/min范圍頻繁變動，刀盤扭矩1 800 kN·m，鉸接壓力245 Bar。根據與之前的掘進參數進行比較，發現速度和推力、鉸接壓力、扭矩這幾個參數出現了異常變化。具體掘進參數變化表見表2。

取參數正常時的396環與399環，400環比較，發現參數變化異常。從表2中5環的參數可以看出，速度越來越小，總推力越來越大，扭矩越來越小，鉸接油缸壓力越來越大。由此判定保徑刀磨損量過大，已經超出最大允許磨損量H，決定進行開倉驗刀，檢查刀具磨損情況。

表1 推進系統和鉸接系統參數簡表

表2 盾尾被困前5環掘進參數表

3.2 刀具檢查和更換情況

開倉對刀具進行檢查和測量，發現1把單刃滾刀崩刃，3把變滾刀磨損量較大，2把保徑刀磨損量超出最大允許磨損量H。具體刀具磨損量見表3。

表3 刀具磨損情況表

從表3中可以看出，5，6號保徑刀的磨損量已經超出H，從圖1中可以知道，2，3，4號邊滾刀處于圓弧位置，磨損量已經偏大，為了更好的保證開挖直徑和刀盤面板、滾刀本身，因此需要對表3中6把刀進行更換。

3.3 重新掘進時，掘進參數和被困表征

對上述刀具更換完后，重新開始掘進，TBM掘進參數出現異常，鉸接壓力直線飆升，最高達到310 Bar左右，鉸接油缸行程最大達到了130 mm(設計行程為150 mm)，而掘進速度卻在0 mm/min～4 mm/min跳動，此時扭矩最大只有350 kN·m，推力只有14 800 kN。但是隨著鉸接油缸壓力增大，推力也在逐漸增大。具體掘進參數見圖1。

圖1 被困時（401環）掘進參數

由于鉸接壓力和鉸接油缸行程過大，為了防止鉸接油缸拉斷和損壞鉸接液壓系統，立即停止推進。為了減少鉸接油缸壓力和縮小鉸接油缸行程，將鉸接油缸回收。在回收的過程中，發現復合式TBM盾尾不動，而中前盾在鉸接油缸的拖拽下向后移動，達到鉸接油缸的回收。由此現象我們初步判定為中前盾能夠活動自如，未被卡死，只有盾尾被困住。同時也更好的解釋了推進力大、扭矩小、鉸接壓力和行程過大、推進速度小的原因。

4 脫困措施

由于只有盾尾被困住，因此將采取相關措施對盾尾進行脫困。根據盾尾被困時掘進參數可知，由于鉸接壓力和鉸接油缸行程過大，無法再進行下一步的掘進。因此所采取措施主要目的是:在掘進過程中釋放鉸接油缸的壓力和行程，使掘進參數能達到正常狀態，順利掘進。

4.1 脫困措施

根據現場的實際情況，在盾尾與中盾之間用30 mm厚的Q235鋼板采取焊接方式進行硬連接，然后在外部增加力量的辦法來增加盾尾的拉力——在盾尾和管片之間采用300 t液壓千斤頂輔助。千斤頂一端與盾尾上鉸接油缸支座接觸，另一端與管片接觸。

TBM推進時，同時啟動液壓千斤頂，依靠千斤頂推力、鉸接拉力、鋼板拉力三種力合力把盾尾拉動，使盾尾脫困。受力分析計算:

其中，F為盾尾脫困所需拉力;f1為鉸接油缸設計拉力;f2為輔助千斤頂推力;f3為每塊焊接鋼板拉力;n為鋼板的數量。

由于無法計算F，根據換刀前掘進參數，取盾尾未被困住時的最大推力值，F=F1=14 800 kN，f1=7 340 kN，f2=3 000 kN，根據式(2)計算得出:

根據中盾與盾尾連接部分空間的情況，我們取n=16塊，那么可以計算出f3=278.75 kN。焊縫長度為200 mm，經過計算，那么該鋼板焊縫能承受的拉力F2≤1 002 kN，保險系數約為3.6，能滿足拉力要求。

經過系列的準備工作和焊接加工后，開始推進。經過近8 h的緩慢推進，盾尾成功脫困。

4.2 注意事項

在采用上述方法時，需要注意以下幾點:

1)為了保證盾尾受力的均衡性，連接鋼板必須對稱布置。

2)必須保證焊接質量高，而且在施作時，必須注意對TBM上現有零配件的保護，如鉸接油缸油封和推進油缸活塞(因為焊接溫度高，容易燒壞密封和對活塞桿造成損傷)。

3)為了方便操作，輔助千斤頂對稱布置在3點和9點位置。千斤頂底部焊接支撐鋼筋，作為輔助千斤頂和墊鐵的工作平臺。工作平臺一定要焊接牢固，防止在受力后蹦脫砸壞底部油管和油缸。

4)輔助千斤頂必須用手拉葫蘆加以固定，以防下墜砸傷設備。在推進過程中設專人看護，防止輔助千斤頂油缸頂推時歪斜。

5 原因分析及對策

5.1 復合式TBM盾尾被困原因分析

復合式TBM脫困的過程，也是分析被困原因的過程，經過分析，認為主要是由以下幾個方面的原因造成:

1)TBM操作司機經驗不足，對掘進參數變化不敏感，同時管理者對掘進參數的監控不到位。從參數的變化可以看出，在398環時掘進參數出現異常，但未引起足夠重視。

2)對整個施工情況無全面了解，沒有做好提前籌劃。在停機開倉換刀時，隧道剛好處于圓曲線與速曲線綜合階段，盾體姿態偏差大。在399環時，后盾垂直偏差為34 mm，左右偏差為26 mm。

3)刀具管理水平不足，沒有一套完善刀具檢查制度，刀具檢查不及時，致使保徑刀磨損超出最大磨損量H。

4)盾尾刷損壞嚴重，在停機開倉換刀時，進行了壁后補充注漿，致使漿液流入盾尾四周，把盾尾殼體包裹住，凝固后產生了收縮力。拆機時，發現3道盾尾密封刷全部損壞。

5)在推進完398環后，施工現場停電24 h。停機換刀時所處位置的地質情況為砂質泥巖，存在一定的收斂，致使盾尾被收縮力抱緊。

6)該復合式TBM的鉸接系統為被動鉸接，其拉力有限，不能很好的發揮作用。

5.2 復合式TBM在復合地層中掘進時防卡應對措施

經過本次盾尾被困、脫困的過程中，筆者在施工現場不斷的探索，總結了一些施工對策，對以后復合式TBM在同類型地層中掘進施工時防卡起到很好的作用。

5.2.1 調整好掘進參數

在掘進過程中，隨時監控掘進參數的變化。當主要掘進參數出現異常變化時，要及時采取相關措施，同時遵循“高轉速，小扭矩，大推力”的思想，設定好掘進參數。

5.2.2 控制好盾構機姿態

復合式TBM在硬巖段掘進時，姿態控制非常關鍵，當TBM掘進偏離了設定掘進線路，在硬巖段糾正掘進姿態要比在軟土中難度大得多。對于被動鉸接系統，利用推進千斤頂的推力差糾正姿態，效果不是很明顯，并且加大了刀具的磨損量，也就加大了復合式TBM被卡住的風險。

5.2.3 建立刀具檢查制度

從上面的分析可知，刀具磨損量是復合式TBM被卡的關鍵因素之一。因此建立定期和不定期刀具檢查制度，對復合式TBM防卡具有非常重要的意義。

定期刀具檢查制度:1)刀具更換完成后，試運轉一定距離后檢查刀具的安裝是否良好;2)根據圍巖的不同情況，規定每掘進完成一定長度后，進行刀具的磨損常規檢查，并對檢查情況進行評價，制定刀具的維護、更換方案。

不定期刀具檢查制度:主要是在盾構掘進過程中，掘進參數異常，推進過程很難進行，這時對刀具進行檢查，并對刀具磨損量進行檢查評估，制定刀具維護、更換方案。

建立嚴格的刀具檢查管理制度，及時掌握刀具的使用情況，是TBM在硬巖段掘進中防卡的必要保障，刀具管理要由專業的人員來管理和維護。

5.2.4 正常停機期間施工管理制度

由于該段地層為砂巖和砂質泥巖，雖然圍巖的完整性較好，但是存在一定的收斂，所以必須建立停機期間施工管理制度，防止TBM被卡。本工程中，由于車站無法提供作業面，致使TBM停機長達1.5個月。停機期間施工管理制度:1)停機時間對壁后注漿和盾尾密封脂注入做出具體要求，防止漿液流入盾殼四周;2)為減小由于巖層收斂而增大的摩擦力，制定相關處理措施，如停機期間定期掘進一定長度而使TBM移動或在盾體四周注入膨潤土等。

5.2.5 施工各方加強溝通

在TBM掘進過程中，設備部門、技術部門和生產部門要加強交流和溝通，及時應對施工中出現的問題。如開倉換刀時間、位置，注漿的時間、位置等等提前進行溝通，為減小施工風險，有必要時可以調整相關工序。在本工程中，如果提前知道即將出現速曲線和圓曲線，可以提前進行開倉換刀，那么可以錯開該段;開倉換刀時，控制好注漿量或者不注漿，防止盾殼被漿液包裹住，從而降低TBM被卡的風險。

6 結語

本文對重慶復合地層中TBM被卡的原因和對策進行了介紹，也對脫困措施進行了簡單說明，對以后同類似的施工起到參考和指導作用。在重慶地鐵施工中使用了9臺復合式TBM，因此做好TBM的防卡工作顯得尤為重要。

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[3] 中鐵隧道裝備制造有限公司.CREC019-23操作說明書[Z].重慶，2010.