全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)原因分析與脫困措施

李豐果

（1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511458；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450001）

GIL（氣體絕緣線路，gas insulated line）電力管廊、水電站輸水隧道、核電工程海底排水隧洞、城市地鐵等領(lǐng)域施工常采用盾構(gòu)掘進(jìn)修建。蘇通GIL綜合管廊長(zhǎng)江隧道工程是全球首次將大直徑盾構(gòu)應(yīng)用于GIL電力越江管廊的工程。我國(guó)的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間工程地質(zhì)和周邊環(huán)境條件，開(kāi)展了盾構(gòu)適應(yīng)性分析論證、盾構(gòu)針對(duì)性設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)等工作，使盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性和針對(duì)性更強(qiáng)。區(qū)間包含軟土、上軟下硬、全斷面硬巖地層的，過(guò)去一般采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，近年常采用雙模盾構(gòu)、三模盾構(gòu)，在進(jìn)入全斷面硬巖后可轉(zhuǎn)換為T(mén)BM（掘進(jìn)機(jī)，tunnel boring machine）模式，以此提高硬巖地層掘進(jìn)效率，在全斷面硬巖即將結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)換為土壓模式。

廣州某地下區(qū)間全斷面硬巖盾構(gòu)“卡殼”后[1]，采用了爆破清除前盾180°上部巖石后脫困。重慶某區(qū)間全斷面為中風(fēng)化砂巖，呈灰白色，換刀1環(huán)后掘進(jìn)參數(shù)異常，推力不斷增加、刀盤(pán)扭矩逐漸減小、鉸接無(wú)法收回[2]，判斷為盾體被圍巖卡死，圍巖抗壓強(qiáng)度為43MPa，采用爆破方法破除盾體上方圍巖使盾構(gòu)脫困；后期采用抬高刀具（保徑刀）增大開(kāi)挖直徑的方法解決邊滾刀磨損超限造成盾體被卡問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]結(jié)合重慶全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)的案例，分析了卡機(jī)原因，制訂了針對(duì)性措施。TBM 在施工時(shí)，由于地質(zhì)因素導(dǎo)致盾構(gòu)被卡，文獻(xiàn)[4]至文獻(xiàn)[6]提出了相應(yīng)的解決措施和注意事項(xiàng)。

本文系統(tǒng)總結(jié)了全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)原因，根據(jù)不同的卡機(jī)情況，分析提出了有針對(duì)性的脫困措施。

1 全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)原因分析

全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)原因主要包括設(shè)備原因、地質(zhì)條件原因和施工原因。

1.1 設(shè)備原因

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)開(kāi)挖斷面直徑與前盾直徑的差值必須大于設(shè)計(jì)值，例如：?6280mm 盾構(gòu)機(jī)前盾殼直徑為?6250mm，中盾及盾尾直徑?6240mm，開(kāi)挖半徑理論上必須大于前盾半徑一定值，中體較前盾半徑小，盾尾較中體半徑小。

盾構(gòu)機(jī)總推力設(shè)計(jì)過(guò)小、脫困扭矩設(shè)計(jì)過(guò)小、開(kāi)挖直徑與盾殼間隙過(guò)小、刀盤(pán)剛度不夠、被動(dòng)鉸接拉力偏小等問(wèn)題均易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層被卡，將不利于脫困。盾尾圓度失真，易造成導(dǎo)致盾尾與管片間甚至開(kāi)挖地層之間的摩擦力大大增加。

1.2 地質(zhì)條件原因

地質(zhì)條件是施工管理的基礎(chǔ)，巖層收斂、坍落、破碎帶均有可能導(dǎo)致盾構(gòu)被困。例如：對(duì)于大塊狀破碎巖體，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，姿態(tài)偏差較大時(shí)，易造成卡機(jī)事故。掌子面巖石差異較大時(shí)（上軟下硬、左軟右硬等），也易造成姿態(tài)惡化而卡機(jī)，如灰?guī)r地層空洞回填材料強(qiáng)度低，易造成盾構(gòu)姿態(tài)快速惡化。對(duì)于全斷面高強(qiáng)度硬巖地層，主要是保徑刀磨損導(dǎo)致開(kāi)挖直徑變小或姿態(tài)較差而卡機(jī)。

1.3 施工原因

基于對(duì)實(shí)際工程的調(diào)研情況，導(dǎo)致全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)的施工原因主要包括四個(gè)方面，分述如下：

（1）盾體被抱死而卡機(jī)。同步注漿管理，注漿壓力、盾尾密封壓力、土倉(cāng)壓力關(guān)系非常密切，注漿壓力過(guò)高，可能導(dǎo)致漿液通過(guò)被磨損或脫落的止?jié){板填充到盾殼與地層之間，甚至到達(dá)前方土倉(cāng)。若長(zhǎng)時(shí)間停工，漿液在盾體與地層間隙充填凝固，則導(dǎo)致盾構(gòu)將漿液抱死；

（2）開(kāi)挖直徑不夠而卡機(jī)。因刀具管理不到位，導(dǎo)致邊滾刀、保徑刀磨損超限，使開(kāi)挖直徑小于設(shè)定最小值。尤其在小半徑平曲線地段，因超挖量不夠，盾構(gòu)體（圓柱體）在理論曲面空間上都難以放置，更易被卡；

（3）姿態(tài)惡化而卡機(jī)。姿態(tài)控制不好，前方地質(zhì)或線路設(shè)計(jì)曲線發(fā)生變化時(shí)，經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的主司機(jī)不能在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)前方較差地質(zhì)段，做不到及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)突變或頻繁變化。轉(zhuǎn)彎半徑是一定的，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)突變，調(diào)向值超出最大允許值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象；盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)頻繁左右或上下調(diào)向，無(wú)形中減小了隧道的開(kāi)挖直徑，也會(huì)增加被困的概率。盾構(gòu)機(jī)鉸接角度過(guò)大，易導(dǎo)致盾體被憋死而卡機(jī)的問(wèn)題；

（4）管片使用不當(dāng)而卡機(jī)。管片事先排好版，盡量保證盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)、設(shè)計(jì)軸線相吻合，但隨著盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)變化，要做適當(dāng)優(yōu)化與調(diào)整，使通用環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)匹配使用。若管片配置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致盾尾間隙過(guò)小，掘進(jìn)姿態(tài)更難控制。管片拼裝質(zhì)量的好壞直接影響推進(jìn)油缸的有效推力，應(yīng)保證管片拼裝質(zhì)量，避免造成推力的浪費(fèi)等。總之，管片選擇不當(dāng)與拼裝質(zhì)量做不好，都會(huì)造成管片開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致卡機(jī)。

2 卡機(jī)脫困處理措施

卡機(jī)脫困處理措施主要包括利用鉸接、采用輔助油缸增大推力、刀盤(pán)前開(kāi)挖作業(yè)洞室及盾殼外密排鉆孔、刀盤(pán)前開(kāi)挖作業(yè)洞室及盾殼外開(kāi)挖等。

2.1 利用鉸接

因盾尾與管片間姿態(tài)較差而輕微卡機(jī)時(shí)，防止增加總推力而損壞鉸接油缸，被動(dòng)鉸接盾構(gòu)采用拉桿或鋼板代替鉸接油缸，加大推力將盾尾拖動(dòng)；主動(dòng)鉸接盾構(gòu)采用微小左右擺尾并加大主推力的方式將盾尾拖動(dòng)。在盾殼與地層之間注入觸變泥漿等低強(qiáng)度且有潤(rùn)滑作用的物質(zhì)，以此減小盾殼與地層之間的摩擦力。順利脫困后，及時(shí)恢復(fù)鉸接油缸。

2.2 采用輔助油缸增大推力

盾尾被卡較嚴(yán)重或超挖刀磨損不嚴(yán)重前盾被卡時(shí)，若盾構(gòu)機(jī)推力增至最大時(shí)仍無(wú)法脫困，可增加額外的推力來(lái)助推，即增輔助油缸。在盾尾增加外力油缸，增加推力且輔助油缸同時(shí)頂進(jìn)的工況下脫困，但輔助油缸要考慮管片最大承受能力（盾構(gòu)推進(jìn)油缸推力+輔助油缸推力）。剛開(kāi)始可只增加兩根輔助油缸，安裝在5點(diǎn)位、7點(diǎn)位附近（根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與卡機(jī)原因分析適當(dāng)調(diào)整）；若仍無(wú)法脫困，在3 點(diǎn)位、9 點(diǎn)位附近再增加兩根輔助油缸。增加輔助油缸前，對(duì)鉸接部位焊鋼板替代油缸，以此保護(hù)鉸接油缸。

2.3 刀盤(pán)前開(kāi)挖作業(yè)洞室及盾殼外密排鉆孔

因保徑刀磨損較嚴(yán)重，開(kāi)挖直徑略小于前盾直徑時(shí)，采用外置油缸無(wú)法脫困。經(jīng)分析，采用爆破方法，在刀盤(pán)前方、上方開(kāi)挖作業(yè)空間，反向沿盾殼密排鉆孔，如圖1所示。必要時(shí)在排孔內(nèi)裝微量炸藥爆破。復(fù)推時(shí)在盾殼外注入優(yōu)質(zhì)觸變泥漿減阻。

2.4 刀盤(pán)前開(kāi)挖作業(yè)洞室及盾殼外開(kāi)挖

因保徑刀磨損嚴(yán)重導(dǎo)致卡機(jī)非常嚴(yán)重，而采用盾體上半部密排鉆孔仍無(wú)法脫困時(shí)，采用爆破方法，在刀盤(pán)前、上方開(kāi)挖作業(yè)空間，反向沿盾過(guò)殼（180°范圍）爆破開(kāi)挖巖石，將盾殼與巖層緊密摩擦的范圍開(kāi)挖形成臨空面，如圖2所示。

爆破作業(yè)時(shí)控制好最大一段裝藥量，同時(shí)做好爆破震速監(jiān)測(cè)，保護(hù)好爆破點(diǎn)附近的建（構(gòu)）筑物及相鄰在建隧道。盾殼周圍打斜孔，減小沖擊力，以此保護(hù)盾構(gòu)機(jī)。若地層破碎富水，開(kāi)挖后做必要的支護(hù)（錨、網(wǎng)、拱架、噴混凝土等），以此確保施工安全。爆破作業(yè)完成后，清理作業(yè)空間的鉆桿、鉆頭、工具等雜物，避免盾構(gòu)復(fù)推后遺留物對(duì)刀具損壞或卡螺機(jī)。

拱部密排鉆孔或爆破開(kāi)挖可以直接解除，或者大幅減小盾殼與地層的摩擦力，盾構(gòu)機(jī)脫困后要慢速掘進(jìn)，因上部臨空對(duì)盾構(gòu)機(jī)無(wú)約束，需要嚴(yán)控姿態(tài)，避免盾構(gòu)“抬頭”掘進(jìn)。同時(shí)，及時(shí)對(duì)拖出盾尾的管片背空腔注砂漿充填密實(shí)，避免管片大幅上浮或地表塌陷等問(wèn)題的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)后，不能盲目脫困，要找出盾構(gòu)卡機(jī)原因，再確定脫困方案。本文在總結(jié)全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機(jī)原因的基礎(chǔ)上，分析了卡機(jī)脫困處理措施，得到以下結(jié)論：①全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進(jìn)，確保開(kāi)挖直徑是關(guān)鍵，尤其要嚴(yán)控邊滾刀或保徑刀磨損量；②全斷面硬巖地層盾尾被卡，可以采用后置輔助油缸加大推力的方式脫困；③全斷面硬巖地層因開(kāi)挖直徑不夠?qū)е驴C(jī)，采用開(kāi)挖擴(kuò)大洞徑脫困是最可靠的脫困措施；④爆破作業(yè)空間及反向爆破開(kāi)挖時(shí)，一定要嚴(yán)控鉆眼質(zhì)量及裝藥量，以此保護(hù)盾構(gòu)機(jī)。