含碎石黏土地層中盾構螺旋輸送機故障分析及應對措施

劉春桃，劉志賀，王 鵬

（中車智能交通工程技術有限公司，北京 100078）

盾構法是修建城市軌道交通隧道較常用的方法。盾構隧道的施工距離一般長達數公里，在開挖過程中可能會遭遇各種復雜工況。若盾構掘進斷面夾雜著粒徑較大且分布不均的碎石，則隧道施工時較易出現掘進速度變慢、開挖面水土壓力波動較大及螺旋輸送機故障等問題，威脅著盾構隧道開挖的安全與穩定。目前，對于盾構隧道穿越含碎石黏土地層時遇到的施工風險和應對措施還未形成有效的認識。因此，文章以東南沿海某地區軌道交通盾構隧道工程為背景，分析了盾構在含碎石黏土地層中掘進時遭遇螺旋輸送機故障時的應對措施，相關分析和結論可為類似工程的施工提供參考。

1 盾構機及其機械設備概述

盾構法是城市軌道交通隧道建設中較常用的方法之一。其盾構機為核心設備，通過推進盾構機進行地下隧道的開挖和施工。盾構機作為一種復雜的機械設備，包括多個關鍵組成部分，每個部分協同運作，共同完成隧道開挖任務。

1.1 盾構機基本結構

盾構機通常由刀盤、主軸、螺旋輸送機、推進系統、支撐系統等部分組成。刀盤位于盾構機前端，是開挖的主要工具。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。主軸連接刀盤和推進系統的關鍵部件，承受刀盤的轉動力和推進力，確保盾構機穩定推進。螺旋輸送機位于盾構機后部，負責將切削的土層和碎石通過螺旋輸送機械輸送至盾構機的尾部，進而將土層排出隧道。推進系統通過液壓和電動機等設備驅動盾構機，推動整個盾構機向前施工。支撐系統在盾構機開挖過程中，通過安裝預制管片等方式支撐隧道壁面，確保施工區域的穩定。

1.2 盾構機工作原理

盾構機工作的基本原理是“掘進—支護—排土”的循環過程。具體如下：①刀盤旋轉切削地層，螺旋輸送機負責將切削的土層和碎石輸送至盾構機尾部；②隨著盾構機的推進，支撐系統及時安裝預制管片等支撐隧道壁面，防止地層塌方；③排土系統將土層從盾構機尾部排出隧道，完成一次“掘進—支護—排土”循環。

1.3 盾構機穿越含碎石黏土地層中的挑戰

盾構機在含碎石黏土地層中進行施工時面臨許多挑戰，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，可能導致隧道變形和不穩定；大塊混凝土等異物可能導致螺旋輸送機排土不暢和斷軸故障。盾構機機械設備的故障嚴重影響施工進度和隧道工程的安全性，特別是在含碎石黏土地層中，機械設備的故障可能更加頻繁和嚴重，因此必須采取適當的措施進行應對和預防。

2 工程及地質概況

文章以東南沿海某地區軌道交通盾構隧道工程為研究背景。該工程長度約860 m，線路平面最小曲線半徑為1000 m，最大縱坡為3.942‰。區間隧道采用預制鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，管片外徑為8500 mm，環寬為1600 mm，混凝土等級C55。區間隧道穿越主要地層為人工填土、淤泥質黏土層及含碎石（角礫）粉質黏土。淤泥質黏土層物理力學性質較差，具有高壓縮性，層厚1.5～14.3 m。含碎石（角礫）粉質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，個別大于6 cm。隧道線路東側為市政河道，河道寬約30～40 m，勘察期間河面標高約1.500 m，水深1.5～2.5 m，河底淤泥厚0.5～0.8 m，河岸設置漿砌片石護坡。

3 盾構螺旋輸送機故障及其原因

3.1 故障情況

盾構機掘進時出現螺旋輸送機排土不暢情況，并導致設備停機。此次排土不暢表現為螺旋輸送機不排土，但可排出少量泥水。經采取正常操作（正反轉螺旋輸送機，伸縮螺旋輸送機，啟閉前土倉閘門），排土沒有明顯改善。經打開螺旋輸送機前部球閥，發現螺旋輸送機前部無渣土，判斷為：渣土、碎石組合體堵塞螺旋輸送機前閘門，并形成“拱包”，且有較大顆粒堵塞前閘門位置和螺旋輸送機輸送通道。圖1為螺旋輸送機排出的直徑60 cm×40 cm 的混凝土塊。

圖1 螺旋輸送機排出的直徑60 cm×40 cm的混凝土塊

3.2 螺旋輸送機故障原因

經過仔細地檢查和分析判斷，確認故障原因為螺旋軸斷裂，阻礙了前閘門的正常關閉。經與工程圖紙進行對比，估計螺旋軸斷裂長度約為1.1 m。此時，通過觀察穿越河流至今的螺旋輸送機排土情況和留存的渣樣，發現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。在與盾構機廠家共同分析后初步判定，這次螺旋輸送機斷軸是由于盾構機洞身范圍地層含有接近螺旋輸送機出土能力極限的大塊混凝土，而這些大塊混凝土可能來自附近大橋樁基沖樁的殘留物。

為了解決這個問題，盾構機廠家和施工團隊需要共同合作，采取有效的措施。施工團隊方面，需提前在盾構機洞身范圍內進行地層勘探，及時發現潛在的大塊混凝土區域，并進行相應處理。盾構機廠家方面，需在設計和制造螺旋輸送機時考慮可能遇到含碎石黏土地層的情況，并提高螺旋輸送機的出土能力，以應對類似的挑戰。此外，定期對螺旋輸送機進行維護和檢查，確保其在施工過程中的正常運行，也是預防類似故障發生的重要措施。

綜上所述，螺旋輸送機故障是由于盾構機洞身地層中含有超出其出土能力極限的大塊混凝土所導致。通過采取相應措施可以有效預防和解決這類機械故障，確保盾構施工的順利進行。這對未來類似工程的設計與施工提供了重要的經驗教訓。

4 螺旋輸送機維修及應急措施

4.1 維修措施

（1）在排土不暢的情況下，應對排土通道進行徹底檢查，清除可能導致不暢的大顆粒、碎石等異物。具體操作如下：①在土倉內添加適量的水和泡沫，增加土層的潤滑性和流動性，并通過反向旋轉螺旋輸送機來破壞“拱包”，使排土通道恢復暢通；②在土倉內插入部分大顆粒材料，如20 cm×20 cm×60 cm 方木，并注入泡沫，然后反向旋轉螺旋輸送機，以幫助打破“拱包”，恢復螺旋輸送機的排土功能。

（2）對于螺旋輸送機斷軸的情況，需做到以下幾點：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焊接在主軸上，防止其阻礙前閘門的關閉；③使用松動千斤頂油缸等工具，將斷軸安全拉出前閘門范圍；④完成上述步驟后，關閉前閘門，避免泥水涌入螺旋輸送機內，導致土倉失壓；⑤修復斷軸，確保其完整性和穩固性。

（3）維修后的測試和檢驗也十分重要。進行螺旋輸送機的功能測試，確保其排土暢通和運行正常，并對維修質量進行檢驗，確保螺旋輸送機符合設計要求和安全標準。螺旋輸送機恢復正常工作后，還需對其進行持續監測和觀察，以及時發現和解決潛在的問題。

（4）為了保障螺旋輸送機的長期穩定運行，必須定期進行維護保養。建立定期檢查機制，對螺旋輸送機進行檢查，包括潤滑油、密封件等的檢查和更換。同時，對螺旋輸送機的排土通道、輸送通道及土倉等部分進行清理和保養，防止碎石等異物堆積。定期維護潤滑系統，確保其正常運轉和使用壽命。

綜合采取上述維修和維護保養措施，可以有效應對螺旋輸送機故障，并保障盾構機的正常運行和施工安全。在實際施工中，維修工作應由經驗豐富的專業人員進行，并嚴格遵守安全操作規程，確保維修工作的順利進行和人員的安全。

4.2 維修期間應急措施

為了應對螺旋輸送機斷軸故障，并防止在拔出斷裂的螺旋軸時導致泥水涌入螺旋輸送機內，引起土倉失壓和地面過大沉降，需采取地面注漿加固和土倉卸壓措施。

（1）地面注漿加固。這種加固方法采用水泥、水玻璃雙液漿，通過地面引孔后退式注漿的方式，對刀盤頂部和掌子面前方土體進行擠密，以增加土體的穩定性。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。根據注漿位置的不同，選擇不同初凝時間的漿液：靠近刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時間較短的漿液，20～30 s；遠離刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時間較長的漿液，30～60 s。每個注漿孔位的注漿量不少于2 m3，注漿壓力不超過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，間距設置為1 m。在進行注漿加固前，還需要通過改性水玻璃和膨潤土的注漿施工來填充土倉上部空間和包裹盾體。

（2）土倉卸壓。地面注漿加固完成后，采用松動千斤頂油缸，打開土倉壁上的6個球閥，使刀盤上部約2m 范圍為空腔，保持氣壓狀態，而下部則是實土。通過鋼筋插入，確認無泥水涌出，并觀察到渣土具有較大粘性和流動性差的特點。

整個維修過程需要高度的技術操作和安全意識。應嚴格按照相關操作規程進行施工，確保維修措施的有效性和維修工作的安全進行。同時，定期檢查和維護盾構螺旋輸送機，及時處理潛在問題，是確保盾構隧道施工安全和順利進行的重要措施。

5 結論

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

（2）后續通過地面注漿加固、土倉卸壓及螺旋輸送機維修等應對措施可恢復盾構機正常功能，并防止盾構停機過程中地面產生過大沉降。