紅砂巖－卵石復合地層刀盤卡停分析及對策

孫翠華

(中鐵二十一局集團有限公司 山東濟南 250000)

1 引言

富水砂卵石復合地層是一種典型的力學不穩定地層，卵石層結構松散、大粒徑漂石隨機分布，且地下水位高、滲透性強，強風化砂巖地層成巖作用差，天然狀態力學性質較好，浸水或擾動易崩解呈散沙狀。在這種地層中進行盾構隧道開挖，面臨刀盤刀具磨損嚴重、刀盤和螺旋輸送機卡死卡停等難題，會造成潛在的施工風險以及工程費用加大、進度延緩等一系列問題[1－3]。

目前常規的刀盤脫困解決方法有反復排渣進行刀盤試轉、土倉注入膨潤土漿液軟化等措施[4－6]，前者會造成出渣嚴重超方，引發地面塌陷，后者會造成刀盤結成泥餅，嚴重影響盾構掘進功效，不僅增加了工程成本、延長了工期，也增加了工程風險[7－9]。

本文以蘭州2號線公定區間盾構刀盤卡死故障為例，探究紅砂巖砂卵石復合地層土壓平衡盾構刀盤卡死原因、處理及預防措施[10－12]。

2 工程概況及盾構卡停原因分析

2.1 水文地質條件

蘭州地鐵2號線公定區間埋深11～24 m，區間隧道穿越強風化粉砂巖及中風化粉砂巖(遇水易軟化崩解)、卵石層及兩者復合地層，存在粒徑≥60 cm的漂石，地下水埋深10～15 m，區間主要地層為卵石層、強風化砂巖及中風化砂巖層。其中2～10層卵石厚度大、透水性好、賦水性強；砂巖透水性較小，賦水性弱，兩者之間相貫通。

區間左線在掘進至136環時刀盤突然卡停，啟動困難。地勘報告顯示，本段隧道埋深約為13.5 m，地下水位約8.8 m，隧道圍巖約70%為?2-10?卵石地層，卵石含量為70%；30%為?4-2-1?強風化砂巖地層。結合掘進情況分析，隧道圍巖基本為?2-10?卵石地層，卵石含量約為90%，孔隙率大，級配不良，有大粒徑漂石存在，地下水補充及時。掘進過程中，螺旋輸送帶中大粒徑卵石如圖1所示。

圖1 螺旋輸送帶中的大粒徑卵石

2.2 盾構機性能

區間左線配置1臺ZTE6410盾構機，主要為大粒徑砂卵石及硬巖復合地層設計，其主要性能如表1所示。

表1 盾構機主要性能

刀盤為弧面刀盤，開口率約為38%，為加強刀盤對整個區間地層的適應性，采用滾刀＋重型齒刀、刮刀的配置。刀盤布局形式和刀具配置如圖2所示。

圖2 盾構機刀盤、刀具配置示意

2.3 刀盤卡停原因分析

綜合蘭州地鐵2號線公定區間水文地質條件、盾構機性能及刀盤布局情況，刀盤卡停原因主要有以下幾個方面:

(1)刀盤開挖范圍內以大粒徑砂卵石為主，級配不良，地層富水，砂卵石骨架效應強，較難打破，且刀盤前方有大粒徑漂石存在。

(2)地層松散，多次被擾動的土體加強了圍巖對刀盤的握裹力。

(3)渣土改良效果不理想，大粒徑砂卵石地層掘進過程中容易積倉，在土倉內形成骨架效應，在主動攪拌棒外側區域形成板結，盾構機自身負載較重。

(4)刀盤正面刀具布置形式為滾刀＋重型齒刀、刮刀，松散地層掘進當貫入度較大時，刀盤旋轉阻力較大。

3 刀盤脫困對策

綜合分析區間水文地質情況和盾構機性能，從改善渣土環境及渣土改良、盾構機自身減負及降低圍巖對刀盤握裹力三方面提出對策。刀盤脫困施工流程如圖3所示。

圖3 刀盤脫困流程

3.1 改善渣土環境

地下水對渣土改良的影響較大，在施工過程中采取以下幾個措施，以減緩地下水向土倉及掌子面的補充，從而改善渣土環境，并在施工過程中保持渣土良好性能。

(1)采用二次注漿在盾尾后側5～10 m位置施作封堵環，可有效減緩盾構機后側徑向水向土倉的補充。

(2)用高稠度膨潤土填充土倉，在掌子面形成密閉泥膜，減緩掌子面前方地下水向土倉的補充。

(3)根據地勘報告，地下水擴散系數約為40 m/d，應適當提高掌子面水土壓力，盡量減緩掌子面的水進入土倉，土倉上部壓力應在掌子面水頭壓力基礎上增加0.2 bar左右。

(4)對盾構機擾動區域進行探孔，對空洞部位進行填充，以加強地層的氣密性。根據空洞與盾構機的位置關系，填充材料可使用M10砂漿或低強度的細石砼，以避免填充材料包裹刀盤。

3.2 盾構機后移及消除圍巖對刀盤的握裹力

不排除刀盤前方有較大粒徑卵石嵌入土體的可能性，同時由于土質松散，掌子面對刀盤的側壓力以及上部土體對刀盤的握裹力加大。具體措施為:將盾構機整體后移，使刀盤脫離掌子面，減輕圍巖對刀盤形成的負載，具體后移距離可根據地層條件具體制定，建議后移15～20 cm，以便于刀盤迅速脫困。

3.2.1 后移盾體受力分析與計算

利用掌子面水土壓力后移盾體，需在土倉形成較大的水土壓力以克服外界對盾構機的阻力，主要有盾體與圍巖的摩擦力、盾尾刷與管片的摩擦力、管片對后配套臺車的阻力3個方面。

(1)盾體與圍巖的摩擦力

刀盤卡停位置隧道埋深13.5 m，盾構的外部荷載按此埋深處的松動土壓和2倍盾構直徑的全土柱高產生的土壓計算，并取兩者最大值作為盾構計算的外部荷載。計算中地質參數按刀盤斷面的卵石地層選取，見表2。

表2 刀盤卡停段地層參數

太沙基的地基極限荷載計算充分考慮到受土壓、水壓的影響。拱形荷載示意如圖4所示。

圖4 拱形荷載示意

拱寬度B1及高度H0為:

其中盾體直徑D＝6.41 m，盾構主機長度L＝9 m，盾構主機重量W＝380 t。

計算兩倍盾構直徑的全土柱土壓(見圖5):

圖5 土壓荷載示意

盾體和土層的摩擦力:

盾尾和土層的摩擦力:

(2)盾尾刷與管片的摩擦力:

式中:μc為盾尾內表面與管片外表面的摩擦系數，約為0.3；Ws為作用于盾尾部分的重量(相當于2環管片的重量)。

(3)管片對后配套臺車的阻力，拖拉后配套的力FNL(經驗值):

式中:μb為后配套臺車與鋼軌的摩擦系數，約為0.3；Wb為后配套臺車重量(120 t)。

(4)土倉提供水土壓力:

盾構機后移需克服的阻力:

則掌子面需提供的水土壓力為:

式中:Ac為盾構機刀盤面積。

砂卵石地層氣密性較差，難以提供2.6 bar的土倉壓力，同時考慮到盾體后移時管片對盾構刷的摩擦力較大，因此將盾構機后移分為盾尾后移和中前盾后移兩部分實施。

3.2.2 盾體后移

(1)盾尾后移

①收放鉸接油缸，過程中觀察鉸接油缸的行程，當行程達到140 mm時停止(鉸接油缸最大行程150 mm)。

②當盾構機自身回路不能滿足要求時，可利用拆、裝機時頂推油缸泵站提供動力，結合盾構機推進時鉸接油缸壓力分析，需泵站提供的油壓為:

式中:Ao為所有鉸接油缸橫截面面積之和。

盾構機后退時圍巖和管片對盾尾刷的摩擦力加大，同時盾體上部土體坍塌造成圍巖對盾體的握裹力加大，在實際施工過程中當油壓加大到60～70 bar左右時盾尾開始后移。

盾尾后移完成后手動注入盾尾油脂，以加強對盾尾刷的保護。

(2)中前盾后移

收縮16組推進油缸，通過盾構機保壓系統向土倉內填充高壓空氣，同時通過同步注漿管路向土倉內填充鈉基膨潤土，土倉頂部壓力控制在1.7～2.0 bar，并且收縮鉸接油缸，觀察盾體向后移動情況。

3.2.3 改善土倉堆積及板結狀況

采用風鎬從中隔板預留孔洞對土倉進行物理振動，待預留孔洞周邊板結區域松動后，從預留孔洞注入分散劑。

(1)在中隔板下部1＃(DN100預留球閥)、2＃(DN100預留球閥)處使用G10氣動風鎬來回振動破碎，使土倉下部堆積的土體松動。

(2)在中隔板下部3＃(DN50預留球閥)、4＃(DN50預留球閥)處進行同步注漿，注入量和土倉壓力綜合控制。

(3)采用惰性漿液及高濃度液體膨潤土進行渣土改良，改善渣土級配，置換土倉內堆積的砂卵石，達到掘進量與排土量的平衡。

3.2.4 試轉刀盤

準備工作完成后開始轉動刀盤，在轉動刀盤時注意以下事項:

(1)轉動螺旋機排渣，并根據排渣情況適當補充高濃液體膨潤土，同時將土倉壓力調整至正常掘進狀態，以保證掌子面的穩定。

(2)刀盤勤換向，在刀盤左右旋轉過程中觀察土倉下部土壓傳感器，當土壓傳感器壓力明顯變化時，適當出渣。

(3)當刀盤長時間試轉而不能形成持續有效的轉速時，可利用刀盤脫困模式，短時間內扭矩可提供至7 000 kN·m。

(4)整個刀盤試轉過程盾構機上方地表全程監控。

4 預防措施

(1)加強地質補勘

項目進場后，及時組織現場踏勘和地質補勘，為盾構機提供選型依據，提高盾構機對地層和風險源的適應性。

(2)加強盾構機對地層的適應性設計

在盾構機設計階段，充分考慮盾構機對不同地層的適應性，以提高盾構機的周轉性能。同時可在盾構機進場前，對盾構機進行局部的優化，以加強對特定地層的適應性。

(3)制定切實可行的參數配置

根據地質資料和風險源資料，結合盾構機性能參數，制定階段性的施工參數配置，主要從推力、轉速、貫入度、扭矩、土倉壓力等方面進行控制。掘進控制中密切關注地層及掘進參數的變化，結合渣溫、渣位等相關要素進行綜合分析，及時優化掘進參數。

(4)砂卵石不良地質的欠壓推進

砂卵石地層與刀盤的摩擦系數較大，同時砂卵石的骨架效應較難打破，在保證隧道上方構筑物安全的前提下，適當降低土倉壓力，能有效降低盾構機刀盤旋轉摩阻力。

5 結束語

土壓平衡盾構在富水紅砂巖與砂卵石復合地層掘進易造成積倉、卡頓等異常狀況。本文通過盾構機自有系統，從渣土改良、盾構機自身減負及消除圍巖對刀盤握裹力三個方面提出的處理措施成功解決了紅砂巖與大粒徑砂卵石復合地層中盾構機卡頓問題，避免了進倉或地面加固后處理，在保證工期的同進也節約了成本。