盾構在復雜地層姿態失控的處理措施

【摘 要】即使國內隧道盾構工程施工技術發展相對成熟，但在工程實施過程相對于掌子面土體是一個封閉的施工的環境，對土體地質缺少感官認識，所以因為掌子面地質的不確定性，經常會造成盾構掘進施工過程中會遇到一些突發事故，這就需要我們首先做好應急處理及尋求分析事故后的解決方案。本工程成都地鐵2號線22標【經干院~東部副中心】區間左線在掘進過程中突然盾構姿態失控，經我部積極應對，多方渠道獲取解決方案，最終成功控制姿態，并且確保隧道線型控制。

【關鍵詞】掘進；姿態失控；控制姿態

1 工程概況

成都地鐵2號線22標由1個始發工作井和2個盾構區間組成，其中第一個隧道區間長約1.2公里，第二個隧道區間長約0.8公里，兩盾構區間由一車站分隔。盾構隧道內徑φ5400mm，外徑φ6000mm，管片厚度為300mm，管片寬度有1.5m和1.2m兩種。

2 事故發生及應急處理

本工程【經干院~東部副中心】區間左線掘進至10至16環時盾構機垂直姿態一度較低，垂直后點達到-50mm左右，為了防止盾構機姿態進一步惡化，立即采取往上抬頭的糾偏措施。往上抬的過程中感覺較正常，姿態按照預想的趨勢發展，但在23環掘進過程中準備壓頭擺尾時發現盾構機姿態不受控姿態一直往上走，并且俯仰角在不斷擴大。

圖1 姿態不受控盾構機姿態走勢圖

面對這種情況現場首先判斷是四組千斤頂油壓出現問題，立即停機對四組千斤頂油壓及電磁閥等進行檢測，同時通知測量組對盾構機姿態進行復測。檢測后發現盾構機設備正常，盾構機姿態復測結果也與盾構機推進導航系統顯示數據相符。

圖2 姿態不受控地段地質圖

由圖2可知，掌子面上部與中部為強風化泥巖及中風化泥巖，而下部為強風化砂巖，考慮到砂巖強度高于泥巖強度，且底部砂巖隨著盾構機前進方向有個上坡不斷增多的趨勢，初步確定盾構機姿態不受控向上抬頭是由于下部相對硬度較高的砂巖作用，使得盾構機順著砂巖地層走向的坡度往上走，這也是典型的上軟下硬地層中出現的掘進難點。但該坡度距離較短，盾構機再往前掘進5環左右即可以通過該斜坡，如果該原因成立的話，待盾構機通過該斜坡后，掌子面砂巖比例可以達到一半且保持不變，那么盾構機姿態將會停止惡化，進而恢復正常。

決定繼續推進，放緩推進速度，加大上部千斤頂推力進行糾偏，同時注意保護盾尾鉸接，必要時通過土艙氣壓將盾構機退回來達到收鉸接的目的。

圖3 姿態不受控后盾構機推力控制

由圖3知，剛開始上下組千斤頂推力控制相當，這是常規的糾偏方法，但是由圖1可知盾構機姿態垂直方向一直保持向上走的趨勢，且前點趨勢要大于后點趨勢。推進實際操作過程中上部千斤頂油壓不斷增大，下部千斤頂油壓則不斷減小，由圖3可知，上部油壓高達300bar，而下部油壓甚至出現過0bar，這種慢速、高油壓的非常規糾偏方法下姿態依舊惡化。

掘進至28環（裝管片）時，如圖4所示，盾構機所處位置，機身已經過半通過砂巖地層斜坡，但由圖1可知，盾構機姿態依舊向上走，說明之前原因推斷及采取的措施不成立，所以立即停止向前推進，并且開艙檢查掌子面情況。

圖4 掘進至28環時盾構機所處位置

3 事故分析及處理措施

停止掘進后，立刻組織措施研討會，各抒己見，集各方意見，初步得出盾構機姿態失控主要原因是盾構機被“裹死”，造成盾構機被束縛，限制盾構機糾偏。

由圖2可知，姿態不受控盾構機所處位置隧道范圍內均為風化巖層，根據詳勘資料及掌子面碴土取樣實驗表明，本工程風化巖膨脹率（FS）平均為28%，同時開艙發現盾構機外殼圖圍巖之間的縫隙很小，且筒體外部土體十分堅硬。經量測，盾構機筒體前體外部與圍巖間隙基本上小于1cm，而本工程所使用的海瑞克S-471盾構機刀盤、前體、中體及盾尾的直徑依次為6280mm、6250mm、6240mm及6230mm。這樣實際間隙值明顯低于理論間隙值，很不利于盾構機的糾偏。

經研討決定在刀盤上加兩把擴挖小型貝殼刀，分別加在刀盤3#與7#輔壁上，采取燒焊的形式，該擴挖刀起到2cm的擴挖作用，也就是其較刀盤原來輪廓向外伸出2cm。

圖5 加焊擴挖小型貝殼刀

加焊擴挖刀后恢復掘進發現盾構機姿態并沒有好轉，并且推進越來越困難，盾構機姿態進一步惡化，該措施解決效果欠佳。

4 事故再分析及解決措施

加焊擴挖刀后掘進過程中發現盾構機滾動角變化特別大，筒體與圍巖之間的間隙可能增大，擴挖刀起到了擴挖作用。但也有可能盾構機筒體外圍某一部分受到圍巖的束縛，從而導致盾構機在掘進過程中的擺動。于是我部在31環位置開艙，繼續優化措施如下：

4.1 如果盾構機姿態得不到改良是因為盾構機筒體被束縛的原因導致，就有可能是之前加焊的擴挖小貝殼刀效果不好。因為小型貝殼刀只加焊了兩把，同時該小型貝殼刀的開挖作用位置只是在刀盤的徑向位置，也就是說在盾構機推進過程中，考慮到刀盤的轉動以及盾構機向前行進，不難發現擴挖小型貝殼刀的并沒有完全的擴挖出一個2cm的空間，而是呈一個螺旋狀得擴挖，所以說圍巖還是有可能繼續對盾構機的“裹死”。

考慮至此，31環開艙時將之前加焊的兩把擴挖小型貝殼刀割除，同時將兩把小型貝殼刀相鄰位置的兩把邊緣鏟刀加焊2cm的墊塊。另外通過加墊塊將38/40#滾刀向外延2cm，37/39#滾刀向外延1cm。這樣就避免了螺旋擴挖。

4.2 如果盾構機姿態不受控向上走是盾構機筒體某一部分受束縛導致的，這個部位肯定是在盾構機筒體底部，這樣才能導致盾構機向上走。經多方討論，最后取得統一意見是：刀盤的開挖直徑要大于筒體的外徑，這樣在盾構機向上糾偏時，盾構機有一個向上抬頭的趨勢，造成前體前檐底部就一個較大的縫隙，而這個縫隙會迅速的被從掌子面刮下來的較硬風化巖給填充，進而將盾構機墊高。前盾體前檐底部縫隙不斷出現，風化巖不斷填充，盾構機也就不斷被抬高，故務必阻止風化巖進入盾構機前檐底部。因此在盾體前端底部4點至8點的位置一道裙板，使土艙內碴土不能填充到前盾的底部。裙板一般選用12mm厚的鋼板加工。

圖8 裙板及裙板安裝后的效果圖

采用此擋土裝置后，盾構機向前掘進1環后，絕對俯仰角開始變小，糾偏效果明顯，表明姿態具備了可控性，說明此裝置對盾構機在膨脹巖土中的掘進姿態控制起到了輔助作用。最后盾構機按計劃的糾偏線路慢慢地回到了設計軸線附近，成功地解決了被“裹”的困境。

5 效果與總結

采取以上措施后，盾構機向前推進1環后，絕對俯仰角開始變小，表明在該擋土裝置的輔助下盾構機姿態開始好轉，表明盾構機姿態具備可控性。為防止盾構機姿態出現相反的惡化，即向上糾偏不受控。在34環位置將擋土裙板割除，同時關艙恢復正常掘進。盾構機姿態不斷好轉，最后盾構機姿態恢復正常并且完全受控。

本次盾構機姿態不受控事故告訴我們，在工程實施過程中遇見突發事故，務必冷靜分析，集思廣益，將問題細化，各個擊破。在解決問題的過程中除了可以借鑒同行的經驗，也需要需要有創新精神，膽大心細，以最快最好的形式解決問題。

參考文獻：

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