盾構被困實例分析及脫困措施

黃平華

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450000; 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

?

盾構被困實例分析及脫困措施

黃平華1， 2

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450000; 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

在隧道盾構施工過程中，盾構被困的現象時有發生，對工程施工進度、安全和周圍環境等造成不利影響。通過工程實例分析刀盤、盾體和盾尾被困的常見原因，總結相應的脫困措施，得出盾構被困的分類判斷依據： 1)刀盤開口處被地層中異常渣土填充束縛的判斷依據； 2)邊刀(邊滾刀或邊刮刀)磨損造成掌子面開挖輪廓不足的判斷依據； 3)刀盤前方存在硬質障礙物的判斷依據。

盾構； 被困； 脫困； 刀盤； 盾體； 盾尾

0 引言

在隧道盾構施工過程中，由于各種不可預知的原因，盾構被困現象時有發生，對工程施工進度、安全、周圍環境等造成不利影響。因而就如何快速、安全地實現盾構脫困、恢復掘進并尋求經濟的脫困措施，是各盾構隧道施工企業需要解決的重要課題。針對這一問題，國內已有一些相關研究。林存剛等[1]介紹了粉砂地層中采取在刀盤前方地面開槽使刀盤脫困的方法。劉凱等[2]介紹了富水粉細砂地層中在刀盤周圍利用旋噴注漿技術，使刀盤自動脫困。宋曉業[3]和蔡光偉等[4]介紹了砂卵石地層分別采用旋噴樁和袖閥管注漿技術進行加固，實現人工開艙清理刀盤。已有研究文獻[5-11]表明盾構被困原因各異，在各類地層中均有發生。對被困現象進行分類能幫助確定各被困現象之間的泛化、特化和聚合等層次關系，并準確地進行設備故障診斷，從而快速制定脫困措施，恢復盾構掘進。

根據盾構主機的組成部件，盾構被困可以分解為刀盤被困、盾體被困和盾尾被困。在盾構掘進中，有時發生局部被困，有時幾種被困現象同時出現[5]。已有研究大多基于盾構被困單個案例而闡述了脫困方法。本文在已有研究基礎上通過工程實例分析刀盤、盾體和盾尾被困常見原因并總結相應的脫困措施，試圖探索出盾構被困的分類判定依據。

1 刀盤被困實例分析及脫困措施

某泥水盾構穿越帶有黏土夾層的粉細砂地層，在第706環(掘進至600 mm)時，由于其他設備故障停機1.5 h，再次恢復掘進時，刀盤啟用扭矩達到極限值3 600 kN·m亦無法啟動，主要掘進參數見表1。

由表1數據可知，第706環刀盤扭矩異常增大，其他掘進參數只發生略微波動，故需對刀盤扭矩進行分析，見圖1。

表1 主要掘進參數(刀盤被困)

圖1 刀盤扭矩分析

該盾構的刀盤總扭矩

M總=M1+M2+M3+M4。

式中：M1為刀具切削力產生的扭矩；M2為土艙內渣土對刀盤鋼結構表面的摩擦力產生的扭矩；M3為刀盤支撐法蘭摩擦力產生的扭矩；M4為刀盤后部攪拌臂摩擦力產生的扭矩。

由于泥水循環系統工作正常，可以排除扭矩M3和M4的影響；刀盤被困前，盾構正常掘進時的刀盤總扭矩只達到設計值的35%左右，可以排除扭矩M1的影響；將盾構主機后退20～30 mm，依然無法啟動刀盤，可以確定M2是造成刀盤無法啟動的主要原因。

通過帶壓進艙檢查刀盤和刀具，檢查結果如圖2所示，結合地質情況，判斷刀盤被困原因為地層條件突然變化，刀盤被黏土糊住。

圖2 刀盤被黏土包裹

刀盤被困的原因大體可以分為2種： 1)主觀原因，主要是設置掘進參數不合理、作業流程不規范和缺乏科學的防范措施，造成地表塌陷或者堵艙； 2)客觀原因，主要是地質勘察不充分，在掘進過程中碰到異物(如鋼管、大石塊或其他不明物體等)或者穿越具有收斂或膨脹性的特殊地層。

刀盤脫困的方法可以分2種： 1)采用工程措施，改善刀盤前方的地質條件； 2)采取常壓或帶壓進艙的方式，人工進艙清理刀盤和土艙。其他刀盤被困案例見表2。

表2 刀盤被困案例及脫困措施

2 盾體被困實例分析及脫困措施

2.1 盾體被困工程實例1

某泥水盾構穿越1段粉細砂地層(整個區間為復合地層)，石英含量達60%以上，主要為密實的粉砂質細砂和砂質粉砂，俗稱“鐵板砂”，見圖3。由于區間需穿越3處端頭加固區和1段長80 m入侵隧道1.5 m深的中風化泥巖，故刀盤外圈配置5把雙刃滾刀。

在掘進至第575—587環時，掘進速度一直維持在5～6 mm/min,不能滿足施工進度要求，必須進行停機分析。盾構處于R380 m的圓曲線段，停機位置如圖4所示，主要掘進參數見表3。

由表3中第587環停機前近10環的掘進數據可知： 掘進速度一直維持在較低水平，總推力逐步增大至盾構的最大設計值，但是刀盤扭矩一直維持平穩、上下波動的幅度很小，故需對總推力進行分析。

圖3 鐵板砂地層

圖4 盾構停機位置(單位： m)

掘進環號掘進速度/(mm/min)氣艙壓力/MPa總推力/kN刀盤扭矩/(kN·m)鉸接拉力/kN574140．35267801833324157560．352118010543189576100．352691017232986??????58480．37320001297322458750．373200010913148588180．37285609653268589170．37278308702980590170．37255009863176

該盾構總推力

F總=F1+F2+F3+F4+F5。

式中：F1為盾構主機外殼與土體之間的摩擦力；F2為刀盤(刀具)作用于掌子面的推力；F3為盾尾與管片之間的摩擦力；F4為后配套拖車的拉力；F5為開挖掌子面的水土壓力產生的推力。

分析過程： 1)根據盾體上的垂直土壓力和水平土壓力計算方法，當地層沒有變化時，F1應為定值，可排除F1的影響； 2)根據實際檢測，盾構姿態和盾尾間隙均正常，盾尾與管片之間的摩擦力亦不會變化，可排除F3的影響； 3)根據盾構掘進歷史數據，后配套總拉力一直維持穩定，無變化，可排除F4的影響； 4)由于氣艙壓力設定為固定值，由開挖掌子面的水土壓力產生的推力是定值，故排除F5的影響； 5)利用排除法，排除了其他4個因素，結合盾構仍處于R380 m的圓曲線段，得出F2為盾構總推力增大的主要原因。

帶壓進艙檢查刀盤和刀具，具體檢查結果如圖5和圖6所示。采用帶壓換刀, 同時利用中盾盾殼外圈的φ50 mm開孔進行排砂脫困。

圖5 邊刮刀掉落

圖6 邊滾刀磨損

由盾構被困工程實例1分析得出，確定盾體被困的掘進參數特有表現形式主要為盾構推力大和扭矩正常。通常盾體脫困的方法有： 1)更換刀具； 2)墊高邊刀； 3)使用超挖刀。其他類似盾體被困案例見表4。

2.2 盾體被困工程實例2

某泥水盾構穿越中粗砂地層，當掘進至第561環時，掘進速度為20 mm/min,但掘進至第562環和第563環時，掘進速度一直維持在1～3 mm/min，不能滿足施工進度要求，必須進行停機分析。主要掘進參數見表5。

表5 主要掘進參數(盾體被困工程實例2)

由表5可知，在第562環和第563環，掘進速度下降，總推力和刀盤扭矩均增大至盾構設計的最大值。

對刀盤扭矩和總推力進行綜合分析， 影響因素主要有刀盤(刀具)作用于掌子面的推力F2和土艙內渣土對刀盤鋼結構表面的摩擦力產生的扭矩M2，表明有一種作用力既能影響刀盤的旋轉又能影響刀盤的開挖

輪廓； 因此，首先可以排除刀盤自身的原因，其次可以判斷這種作用力來自于刀盤外部的掌子面。通過帶壓進艙檢查刀盤，發現刀盤前方有2根φ200 mm壁厚20 mm的鋼管，如圖7所示。

在發現刀盤前方存在障礙物時，通常采用常壓或帶壓進艙的方式，人工進艙清理障礙物。由盾體被困工程實例2分析得出，確定盾體被困的掘進參數特有表現形式主要為盾構推力大和扭矩大。其他類似盾體被困案例見表6。

圖7 刀盤前方發現鋼管

表6 盾體被困案例及脫困措施(推力大，扭矩大)

3 盾尾被困實例分析及脫困措施

某泥水盾構穿越粉質黏土地層，在第385環進入R350 m圓曲線段時，鉸接油缸(被動式鉸接)出現收回困難的現象，進入第416環時鉸接油缸被拉伸至最大行程，無法繼續掘進。該臺盾構的鉸接油缸設計最大拉力約為7 400 kN。停機分析，主要掘進參數見表7。

表7 主要掘進參數(盾尾被困)

對比脫困前后的掘進參數，鉸接油缸拉力在脫困過程中逐步增大至最大值，其他參數未見大的變化。檢查發現5#鉸接油缸銷已經斷裂、油缸銷子支座嚴重彎曲變形，其余鉸接油缸的銷子亦有輕微變形，如圖8所示。

(a) 支座變形

(b) 銷軸斷裂

盾尾被困的現象通常比較明顯，表現為掘進中鉸接油缸被拉伸至極限行程。經與其他盾構設備廠家生產鉸接油缸進行對比和分析，該盾構盾尾被困主要原因是鉸接油缸總拉力設計值偏小，在盾尾長度增加25%的前提下，鉸接油缸總拉力減小了30%，見表8。

表8 鉸接油缸對比

盾尾脫困主要通過增大克服尾盾殼與外部地層或內部管片之間摩擦力的作用力，脫困方法有： 1)增設輔助千斤頂，見圖9； 2)增設拉桿，見圖10。這2種方法各有優缺點： 1)在冷凍、注漿或長時間停機等靜態脫困時，應選用鉸接拉桿的方法； 2)在穿越小曲線或者盾構姿態調整等動態脫困時應選用輔助千斤頂的方法。通過增設輔助千斤頂的方式不但能減少鉸接油缸的拉力，還能減少盾構的總推力，有時對盾體的脫困亦有幫助。

圖9 輔助千斤頂

圖10 鉸接拉桿

4 結論與建議

在排除盾構自身設備故障的前提下，在盾構掘進過程中： 1)若刀盤無法轉動或扭矩遠遠大于正常掘進時的旋轉扭矩，通常為刀盤被困，可以判斷為刀盤開口處被地層中異常渣土填充束縛； 2)若盾體被困且僅有盾構總推力逐步增大至極限值，可以判斷為邊刀(邊滾刀或邊刮刀)磨損或刀盤開口處被堵造成渣土不能順暢進入土艙，造成掌子面開挖輪廓不足； 3)若盾體被困且刀盤扭矩和推力均增大至極限值，若能排除掌子面出現坍塌，則可判斷為刀盤前方有硬質障礙物，需進艙檢查； 4)盾尾脫困中，增設輔助千斤頂的方法優于增設拉桿。在脫困過程中，分類界限往往劃分的不是那么明顯，在實際施工中應靈活運用。

盾構被困存在較大的施工風險，在掘進中應盡可能避免發生。結合工程實際，預防盾構被困的建議如下： 1)合理設置水土壓力； 2)正常掘進時，確保鉸接油缸伸縮至油缸行程的中間位置； 3)當需要長時間停機時，盾殼外圈需要注射膨潤土； 4)小曲線掘進時，正確選取K塊管片的安裝點位； 5)如果條件允許，定期檢查刀具磨損情況。

[1] 林存剛，吳世明，張忠苗，等.粉砂地層泥水盾構刀盤脫困工程實例分析[J].巖石力學與工程學報, 2013, 32(增刊1): 2897-2906. (LIN Cungang，WU Shiming，ZHANG Zhongmiao，et al. Case study of relieving a slurry shield’s cutter head form being trapped in silty sand layers [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2013, 32(S1): 2897-2906.(in Chinese))

[2] 劉凱，王玉祥，陳霞. 旋噴樁技術在鄭州地鐵盾構脫困中的新應用[J].隧道建設，2015，35(9): 945-948.(LIU Kai, WANG Yuxiang，CHEN Xia. Application of jet grouting in rescue of jammed shield: A case in construction of Line 2 of Zhengzhou Metro[J].Tunnel Construction, 2015, 35(9): 945-948.(in Chinese))

[3] 宋曉業.盾構機刀盤脫困實例[J].市政技術，2012,30 (6): 114-116,118. (SONG Xiaoye. An instance of shield cutterhead turnaround [J]. Municipal Engineering Technology, 2012, 30 (6): 114-116,118.(in Chinese))

[4] 蔡光偉，蔣超.地鐵隧道通過淺覆土砂卵石地層段開挖面失穩盾構機脫困技術[J].鐵道建筑技術，2012 (6): 51-54. (CAI Guangwei, JIANG Chao. Relief technology for subway shield machine in instable excavation face of shallow buried earth and sandy pebble [J].Railway Construction Technology, 2012(6): 51-54.(in Chinese))

[5] 吳朝來,劉金祥.盾構被困原因分析及對策[J].隧道建設, 2012, 32(增刊2): 93-97.(WU Chaolai, LIU Jinxiang. Analysis and countermeasures of shield machine jamming [J].Tunnel Construction, 2012, 32(S2): 93-97.(in Chinese))

[6] 商嘯旻，李文峰，王良.地鐵復合地層盾構機脫困技術[J].建筑技術, 2014, 45(9): 792-795. (SHANG Xiaomin, LI Wengfeng, WANG Liang. Practices for extrication technique of shield machine in Beijing subway composite stratum [J].Architecture Technology, 2014, 45(9): 792-795.(in Chinese))

[7] 李輝，劉銀濤.土壓平衡盾構脫困技術及經驗教訓[J].隧道建設, 2012, 32(2): 239-244.(LI Hui, LIU Yintao. Technologies to release jammed earth pressure balanced (EPB) shield and its lessons [J].Tunnel Construction, 2012, 32(2): 239-244.(in Chinese))

[8] 杜守峰.某地鐵隧道盾構脫困技術探討[J].建筑機械化, 2011(3): 63-66.(DU Shoufeng. Shield difficulty-relief technology in a subway tunnel construction [J].Construction Mechanization, 2011(3): 63-66.(in Chinese))

[9] 晏立忠.沈陽地鐵某區間盾構始發脫困施工技術[J].浙江建筑, 2009, 26(9): 46-49. (YAN Lizhong. Technology of relieving a shield from trapping at beginning construction which is applied in a subway construction district of Shenyang City [J]. Zhejiang Construction, 2009, 26(9): 46-49.(in Chinese))

[10] 王剛,肖龍鴿,唐立憲.復合地層地面沉陷處的盾構機脫困技術[J].城市軌道交通研究, 2013, 16(10): 94-98. (WANG Gang，XIAO Longge，TANG Lixian. Shield machine relieving in composite stratigraphic ground subsidence [J].Urban Mass Transit, 2013, 16(10): 94-98.(in Chinese))

[11] 李奕,鐘志全.膨脹巖土中盾構脫困技術[J].建筑機械化,2010,31(12): 61-63.(LI Yi, ZHONG Zhiquan. The technology of shield escaping from expansive rock and soil [J].Construction Mechanization, 2010, 31 (12): 61-63.(in Chinese))

Case Study of Shield Jamming and Jamming Releasing Technologies

HUANG Pinghua1, 2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Shield is often jammed during tunneling, which has adverse impact on construction schedule, security and environment. The causes of cutterhead jamming, shield body jamming and shield tail jamming are analyzed; and then corresponding releasing technologies are summarized by cases study. The classification characteristics of shield jamming are summarized as shield cutterhead covered by grout, insufficient excavation contour of tunnel face caused by marginal cutters wear and obstacles in front of cutterhead.

shield; jamming; jamming releasing; cutterhead; shield body; shield tail

2016-04-11;

2016-06-21

黃平華(1977—)，男，江西余江人，1999年畢業于長沙鐵道學院，工程機械專業，本科，高級工程師，現從事盾構施工技術管理工作。E-mail： hpwa@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.013

U 455.3

B

1672-741X(2017)03-0342-06