復(fù)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(gòu)公司，北京 100000)

0 引言

目前越來越多的城市將把地下交通網(wǎng)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(hào)線二期就是在重慶復(fù)合式地層中首次使用復(fù)合式TBM的地鐵線路。在該地層中應(yīng)用復(fù)合式TBM將面臨許多挑戰(zhàn)，如盾體防卡、掘進(jìn)姿態(tài)控制以及開倉換刀等一系列難點(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)問題。

本文就通過對重慶復(fù)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(zhì)狀況

工程屬于重慶軌道交通六號(hào)線二期復(fù)合式TBM試驗(yàn)段茶園分段，復(fù)合式TBM掘進(jìn)分為左右線。TBM首先完成左線掘進(jìn)任務(wù)，再從右線進(jìn)行二次始發(fā)，完成掘進(jìn)任務(wù)后，從車站預(yù)留井口吊出。

隧道穿越的地層基本上以砂質(zhì)泥巖和砂巖為主，圍巖裂隙不發(fā)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(fā)育，故地下水量較少。隧道穿越的泥巖和砂巖抗壓強(qiáng)度在3.7 MPa～27.9 MPa之間。

2 復(fù)合式TBM主要參數(shù)

2.1 刀盤和刀具相關(guān)參數(shù)

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(shí)際直徑為φ4=6 260 mm。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以知道，TBM在正常掘進(jìn)時(shí)的最大允許磨損量H為:

2.2 鉸接系統(tǒng)與推力系統(tǒng)情況

復(fù)合式TBM共有推進(jìn)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(dòng)鉸接系統(tǒng)。主要參數(shù)見表1。

3 復(fù)合式TBM卡盾時(shí)征兆

3.1 掘進(jìn)參數(shù)情況

在TBM掘進(jìn)時(shí)，當(dāng)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)為推力14 600 kN，速度在16 mm/min范圍頻繁變動(dòng)，刀盤扭矩1 800 kN·m，鉸接壓力245 Bar。根據(jù)與之前的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)速度和推力、鉸接壓力、扭矩這幾個(gè)參數(shù)出現(xiàn)了異常變化。具體掘進(jìn)參數(shù)變化表見表2。

取參數(shù)正常時(shí)的396環(huán)與399環(huán)，400環(huán)比較，發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化異常。從表2中5環(huán)的參數(shù)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(jīng)超出最大允許磨損量H，決定進(jìn)行開倉驗(yàn)刀，檢查刀具磨損情況。

表1 推進(jìn)系統(tǒng)和鉸接系統(tǒng)參數(shù)簡表

表2 盾尾被困前5環(huán)掘進(jìn)參數(shù)表

3.2 刀具檢查和更換情況

開倉對刀具進(jìn)行檢查和測量，發(fā)現(xiàn)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(hào)保徑刀的磨損量已經(jīng)超出H，從圖1中可以知道，2，3，4號(hào)邊滾刀處于圓弧位置，磨損量已經(jīng)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(jìn)行更換。

3.3 重新掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)和被困表征

對上述刀具更換完后，重新開始掘進(jìn)，TBM掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)異常，鉸接壓力直線飆升，最高達(dá)到310 Bar左右，鉸接油缸行程最大達(dá)到了130 mm(設(shè)計(jì)行程為150 mm)，而掘進(jìn)速度卻在0 mm/min～4 mm/min跳動(dòng)，此時(shí)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(jìn)參數(shù)見圖1。

圖1 被困時(shí)（401環(huán)）掘進(jìn)參數(shù)

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(tǒng)，立即停止推進(jìn)。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(fā)現(xiàn)復(fù)合式TBM盾尾不動(dòng)，而中前盾在鉸接油缸的拖拽下向后移動(dòng)，達(dá)到鉸接油缸的回收。由此現(xiàn)象我們初步判定為中前盾能夠活動(dòng)自如，未被卡死，只有盾尾被困住。同時(shí)也更好的解釋了推進(jìn)力大、扭矩小、鉸接壓力和行程過大、推進(jìn)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(guān)措施對盾尾進(jìn)行脫困。根據(jù)盾尾被困時(shí)掘進(jìn)參數(shù)可知，由于鉸接壓力和鉸接油缸行程過大，無法再進(jìn)行下一步的掘進(jìn)。因此所采取措施主要目的是:在掘進(jìn)過程中釋放鉸接油缸的壓力和行程，使掘進(jìn)參數(shù)能達(dá)到正常狀態(tài)，順利掘進(jìn)。

4.1 脫困措施

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)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(jìn)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(jìn)時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)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(dòng)，使盾尾脫困。受力分析計(jì)算:

其中，F(xiàn)為盾尾脫困所需拉力;f1為鉸接油缸設(shè)計(jì)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(shù)量。

由于無法計(jì)算F，根據(jù)換刀前掘進(jìn)參數(shù)，取盾尾未被困住時(shí)的最大推力值，F(xiàn)=F1=14 800 kN，f1=7 340 kN，f2=3 000 kN，根據(jù)式(2)計(jì)算得出:

根據(jù)中盾與盾尾連接部分空間的情況，我們?nèi)=16塊，那么可以計(jì)算出f3=278.75 kN。焊縫長度為200 mm，經(jīng)過計(jì)算，那么該鋼板焊縫能承受的拉力F2≤1 002 kN，保險(xiǎn)系數(shù)約為3.6，能滿足拉力要求。

經(jīng)過系列的準(zhǔn)備工作和焊接加工后，開始推進(jìn)。經(jīng)過近8 h的緩慢推進(jìn)，盾尾成功脫困。

4.2 注意事項(xiàng)

在采用上述方法時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn):

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(zhì)量高，而且在施作時(shí)，必須注意對TBM上現(xiàn)有零配件的保護(hù)，如鉸接油缸油封和推進(jìn)油缸活塞(因?yàn)楹附訙囟雀撸菀谉龎拿芊夂蛯钊麠U造成損傷)。

3)為了方便操作，輔助千斤頂對稱布置在3點(diǎn)和9點(diǎn)位置。千斤頂?shù)撞亢附又武摻睿鳛檩o助千斤頂和墊鐵的工作平臺(tái)。工作平臺(tái)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(shè)備。在推進(jìn)過程中設(shè)專人看護(hù)，防止輔助千斤頂油缸頂推時(shí)歪斜。

5 原因分析及對策

5.1 復(fù)合式TBM盾尾被困原因分析

復(fù)合式TBM脫困的過程，也是分析被困原因的過程，經(jīng)過分析，認(rèn)為主要是由以下幾個(gè)方面的原因造成:

1)TBM操作司機(jī)經(jīng)驗(yàn)不足，對掘進(jìn)參數(shù)變化不敏感，同時(shí)管理者對掘進(jìn)參數(shù)的監(jiān)控不到位。從參數(shù)的變化可以看出，在398環(huán)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)異常，但未引起足夠重視。

2)對整個(gè)施工情況無全面了解，沒有做好提前籌劃。在停機(jī)開倉換刀時(shí)，隧道剛好處于圓曲線與速曲線綜合階段，盾體姿態(tài)偏差大。在399環(huán)時(shí)，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(shí)，致使保徑刀磨損超出最大磨損量H。

4)盾尾刷損壞嚴(yán)重，在停機(jī)開倉換刀時(shí)，進(jìn)行了壁后補(bǔ)充注漿，致使?jié){液流入盾尾四周，把盾尾殼體包裹住，凝固后產(chǎn)生了收縮力。拆機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)3道盾尾密封刷全部損壞。

5)在推進(jìn)完398環(huán)后，施工現(xiàn)場停電24 h。停機(jī)換刀時(shí)所處位置的地質(zhì)情況為砂質(zhì)泥巖，存在一定的收斂，致使盾尾被收縮力抱緊。

6)該復(fù)合式TBM的鉸接系統(tǒng)為被動(dòng)鉸接，其拉力有限，不能很好的發(fā)揮作用。

5.2 復(fù)合式TBM在復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)防卡應(yīng)對措施

經(jīng)過本次盾尾被困、脫困的過程中，筆者在施工現(xiàn)場不斷的探索，總結(jié)了一些施工對策，對以后復(fù)合式TBM在同類型地層中掘進(jìn)施工時(shí)防卡起到很好的作用。

5.2.1 調(diào)整好掘進(jìn)參數(shù)

在掘進(jìn)過程中，隨時(shí)監(jiān)控掘進(jìn)參數(shù)的變化。當(dāng)主要掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)異常變化時(shí)，要及時(shí)采取相關(guān)措施，同時(shí)遵循“高轉(zhuǎn)速，小扭矩，大推力”的思想，設(shè)定好掘進(jìn)參數(shù)。

5.2.2 控制好盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)

復(fù)合式TBM在硬巖段掘進(jìn)時(shí)，姿態(tài)控制非常關(guān)鍵，當(dāng)TBM掘進(jìn)偏離了設(shè)定掘進(jìn)線路，在硬巖段糾正掘進(jìn)姿態(tài)要比在軟土中難度大得多。對于被動(dòng)鉸接系統(tǒng)，利用推進(jìn)千斤頂?shù)耐屏Σ罴m正姿態(tài)，效果不是很明顯，并且加大了刀具的磨損量，也就加大了復(fù)合式TBM被卡住的風(fēng)險(xiǎn)。

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(fù)合式TBM被卡的關(guān)鍵因素之一。因此建立定期和不定期刀具檢查制度，對復(fù)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(yùn)轉(zhuǎn)一定距離后檢查刀具的安裝是否良好;2)根據(jù)圍巖的不同情況，規(guī)定每掘進(jìn)完成一定長度后，進(jìn)行刀具的磨損常規(guī)檢查，并對檢查情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，制定刀具的維護(hù)、更換方案。

不定期刀具檢查制度:主要是在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)參數(shù)異常，推進(jìn)過程很難進(jìn)行，這時(shí)對刀具進(jìn)行檢查，并對刀具磨損量進(jìn)行檢查評(píng)估，制定刀具維護(hù)、更換方案。

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

5.2.4 正常停機(jī)期間施工管理制度

由于該段地層為砂巖和砂質(zhì)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(jī)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(yè)面，致使TBM停機(jī)長達(dá)1.5個(gè)月。停機(jī)期間施工管理制度:1)停機(jī)時(shí)間對壁后注漿和盾尾密封脂注入做出具體要求，防止?jié){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(guān)處理措施，如停機(jī)期間定期掘進(jìn)一定長度而使TBM移動(dòng)或在盾體四周注入膨潤土等。

5.2.5 施工各方加強(qiáng)溝通

在TBM掘進(jìn)過程中，設(shè)備部門、技術(shù)部門和生產(chǎn)部門要加強(qiáng)交流和溝通，及時(shí)應(yīng)對施工中出現(xiàn)的問題。如開倉換刀時(shí)間、位置，注漿的時(shí)間、位置等等提前進(jìn)行溝通，為減小施工風(fēng)險(xiǎn)，有必要時(shí)可以調(diào)整相關(guān)工序。在本工程中，如果提前知道即將出現(xiàn)速曲線和圓曲線，可以提前進(jìn)行開倉換刀，那么可以錯(cuò)開該段;開倉換刀時(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

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

[1] 靳世鶴.廣州地鐵硬巖段土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)施工的對策究[J].都市快軌交通，2007(3):81-84.

[2] 陳 饋.重慶地鐵工程盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械，2011(9):28-38.

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