盾構機卡盾原因分析及處理措施

鄭鵬 王琪琛

摘 要：引故入新工程項目是一項以供水為主要目的的公益性工程。本文結合洛陽市引故入新工程項目，分析了盾構機掘進到隧洞出口時發生卡盾的原因，根據隧洞掌子面空間小、施工難度大等工程實際情況，制定了3種切實可行的脫困方案。通過比較，脫困方案得以確定和實施，恢復了盾構機掘進。最后，結合工程實際情況，介紹了預防卡盾措施，供類似工程類似情況借鑒。

關鍵詞：盾構機;卡盾原因;脫困;預防措施

中圖分類號：U455.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0064-03

Abstract： The project of introducing Guxian Reservoir into Xin'an County is a public welfare project with water supply as the main purpose. Combining with the Guxian Reservoir to Xin'an County project in Luoyang City， this paper analyzes the reasons for the blocking of the shield when the shield machine is driving to the exit of the tunnel， and formulates three practical solutions for relief according to the actual situation of the tunnel， such as the small space of the tunnel face and the difficulty of construction. Through comparison， the rescue plan is determined and implemented， and shield tunneling is resumed. Finally， combined with the actual situation of the project， measures to prevent blocking are introduced， which can be used as a reference for similar projects.

Keywords： shield machine;causes of blocking;escape;preventive measures

洛陽市引故入新工程起點為洛陽市故縣水庫引水工程預留新安分水口，工程終點位于新安縣城關鎮南莊村東側澗河邊的新建水廠。本工程設計引水流量為0.58 m3/s，日供水量為5萬m3，工程線路總長為21.228 km，包括進口管線段長2.522 km，隧洞段長18.647 km，出口連接段長0.059 km，通過自流將水引入新安縣新建水廠。

本工程隧洞段盾構法的施工工藝為：在隧洞進、出口分別布置盾構機始發場地，采用2臺復合式土壓平衡盾構機（下稱盾構機）分別從進、出口始發場地相向掘進施工，并最終在洞內完成對接、拆解。盾構法施工開挖斷面為圓形斷面，開挖外徑為3 860 mm，襯砌后內徑為3 000 mm。采用預制鋼筋混凝土管片進行全斷面襯砌，管片采用5+1分塊形式，環寬為1 200 mm，厚度為300 mm;管片塊與塊、環與環之間采用螺栓連接。

1 工程區間地質情況

根據地質報告，自隧洞進口樁號K2+539.8至樁號K16+965段，洞身主要處于新近系（N）、古近系（E）巖層，洞身圍巖主要由黏土巖、砂質黏土巖互層及砂質黏土巖、黏土質砂巖互層組成，巖石強度較小，盾構設備在該段掘進速度較快[1]。自樁號K16+965至樁號K21+195.3（隧洞出口），洞身主要處于二迭系上統圍巖段，洞身圍巖主要為上石盒子組上段長石砂巖（P2s2），圍巖特性如表1所示，巖石強度相對較大，盾構設備在該段掘進速度相對較慢。從水文地質條件來看，工程區的含水巖組劃分為寒武系碳酸鹽巖含水巖組、二疊系砂巖含水巖組、古近系砂礫巖含水巖組和新近系砂礫巖含水巖組。

2 推進過程

工程土壓平衡盾構出口段，采用中鐵635號盾構機掘進。盾構掘進至402環（樁號K20+685.9）后，推力逐漸增大，刀盤扭矩逐漸減小，更換刀具。之后，對402環進行掘進。掘進過程中出現推力不斷增加、刀盤扭矩逐漸減小、盾尾鉸接無法收回等現象。開艙進行檢查，發現前體切口環位置與周邊巖面密貼，判斷盾體被圍巖卡死。

3 盾構卡機原因分析

根據現場的實際測量、開挖情況以及刀盤的刀具布置，盾體被卡的主要原因有四點。

3.1 管理原因

依據盾構機采購合同，隧洞進出口各1 km盾構機掘進由設備廠家人員負責操作，在施工中應定時對刀盤和刀具損壞情況進行檢查，以免邊滾刀磨損超限[2]。但在日常施工過程中，并未定時對刀盤和刀具損壞情況進行檢查，盲目追趕進度，以至于邊滾刀磨損超限，使得開挖直徑變小，造成盾體被卡。

3.2 操作不當，盾構機姿態變化大

司機操作盾構機的過程中，盾構姿態發生較大變化，掘進參數設置不合理，出現掘進困難時，未停機檢查，未深入分析產生問題的原因，未制定有效措施，而是抱有僥幸心理，強行推進，推力過大造成滾刀螺栓松動，壓塊脫落，滾刀整體回退，開挖直徑變小，最終造成前盾被卡。在386環時啟用了超挖刀，在掘進400環時超挖刀被卡，說明巖石堅硬程度超出預期，然后收回超挖刀，在以后的掘進中未再使用超挖刀。390環到399環的姿態如表2、表3所示。

3.3 刀盤刀箱適應性不夠

當平均推力為1 400 t時，刀盤滾刀發生螺栓松動現象，壓塊脫落，邊滾刀整體回退，導致開挖直徑變小。脫卡后，采用正常平均推力6 000 kN推進，平均速度控制在110 mm/min，扭矩控制在500 kN·m，每環推進結束后進行開倉檢查，發現每環總有兩個以上刀具螺絲松動，螺絲斷裂現象頻繁發生，然后采用鋼筋焊接刀具螺栓，情況有所改善，但螺栓松動仍然頻繁，甚至出現中心雙刃滾刀螺栓斷裂3顆、壓緊斜塊脫落1塊的問題。

3.4 地質原因

盾體被圍巖卡死里程為樁號K20+685.9，此處隧洞埋深為45 m。根據地質勘探資料，結合土艙掌子面的圍巖情況，洞身范圍全斷面為灰巖，與設計提供的地質資料長石砂巖不符。經取芯試驗，干燥狀態平均單軸抗壓強度為85.7 MPa，圍巖抗壓強度較高，容易造成刀具磨損速度快，導致間隙變小，在姿態調整過程中容易造成卡盾。

4 盾構脫困處理措施

盾體被圍巖卡死后，采用強制脫困模式（即在盾尾加大外力小油缸增加推力）進行脫困[3]。48 h累計向前推進1 038 mm，推進速度緩慢且盾尾鉸接容易被拉斷。為使盾構機盡早脫困，技術人員設計了三種方案。

方案1是從隧洞頂部鉆孔至盾構機刀盤前面，之后沿反方向清除卡盾周邊的圍巖脫困，但此方案缺點是埋深45 m，且破壞豎井周邊的植被。方案2是從隧洞側面人工鉆爆支洞至盾構機刀盤前面，經現場實測，支洞距掌子面約為480 m，距離長，施工時間較長。方案3是先用水鉆鉆孔，再用分離頂破碎方法在刀盤前方開挖一個工作洞，最后用預裂爆破方式清除盾體上方圍巖，使盾構機快速脫困。經多方咨詢并結合工程實際情況，最終選擇方案3。

4.1 水鉆鉆孔

首先用水鉆向刀盤前方掌子面位置破除出一個工作洞，利用盾構機刀盤32%的開口率，拆掉3把單刃滾刀，利用刀盤開口位置和拆除掉的滾刀位置布置掏槽眼;在土倉內沒有固定鉆機的位置，焊接一個支架，用來固定鉆機，接好冷卻水管后開始鉆孔取芯;控制好鉆孔速度，每次鉆孔破碎深度為200～500 mm，每個鉆孔間距為100～200 mm;在鉆孔完成后，用分離頂破碎掉孔間巖石。第1次掏槽完成后，轉動刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置進行擴大掏槽，方法同第1次，最后完成工作洞的挖除工作。

4.2 工作洞開挖

由于土艙內作業空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進行，工作洞的開挖順序如下：利用刀盤開口位置布置掏槽眼，每次鉆孔破碎深度約為200 mm。第1次掏槽完成后，轉動刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置擴大掏槽，方法同第1次。

4.3 盾體周邊預裂爆破

根據地質情況，本次爆破地層主要為灰巖，干燥狀態平均抗壓強度為85.7 MPa，施工作業空間位于盾構機土艙內，作業空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進行。

4.3.1 爆破器材選擇。根據隧洞水文地質情況及盾構機作業環境的特殊性，應選用防水效果好、起爆安全的爆破器材。

4.3.2 裝藥結構。炮眼直徑為83 mm，炮孔深度控制在1.5 m，炮孔用長度不小于300 mm的炮泥封堵。為減小爆破對盾體造成的損傷，距離盾構機外輪廓預留50 cm的保護層。在爆破工作面上布置4個直徑83 mm、深度為1.5 m的爆破孔，中間布置一個直徑108 mm、深度為1.0 m的臨界孔。

5 盾構機脫困措施

經多次開會研究，項目部制定如下脫困方案：采用鉆孔法，在刀盤與掌子面之間形成一定空間，滿足人員進入的條件。人員進入刀盤與掌子面之間的空間后，采用鉆孔與預裂爆破，刀盤前面形成作業臺階，鉆工可利用水鉆取芯，沿著刀盤的外側、前盾外部半圓上部向反方向鉆孔并排取芯，先徑向擴大洞徑，再沿盾體外側反向回掏，孔深大于2.5 m，開挖尺寸根據實際情況調整。

具體施工步驟如下：一是由于孔深大于2.5 m，采用4.1施工方法，使每個孔相連并形成空腔，當鉆孔至頂拱120°范圍內時，停止鉆孔，檢查前盾盾體外側與圍巖三分之一部位的脫離情況，此時施工人員撤離現場，由盾構機司機進行試推，無法推進;二是繼續鉆孔到頂拱150°范圍內時，重復步驟一，無法推進，而繼續鉆孔到頂拱180°范圍內時，重復步驟一，推進壓力達到15 MPa（設計總推力1 600 MPa），由于尾盾被卡，主動鉸接與被動鉸接全部伸出，總計推進18 cm。經過與盾構機廠家協商，并在管片上游側端部（即俯角60°位置）增加兩個輔助油缸配合（由原11個油缸增加至13個油缸），同時為保證被動鉸接不被拉斷，在被動鉸接位置焊接4個3 cm厚鋼板加固連接，然后按照平均推力1 200 kN進行試推，終于順利推進。

6 結語

為保證盾構機安全掘進，杜絕卡盾現象，項目部必須制定切實可行的預防卡盾措施：在后續盾構施工期間增加開倉檢查頻率，及時更換磨損嚴重刀具及復緊刀具螺栓，針對刀具螺栓松動問題應采取防松措施;該項目地質勘探報告與實際掘進地質出入較大，建議項目進行地質補勘或者增加地質超前預報系統，為盾構掘進提供技術支持;參照盾構正常施工時刀具磨損原則，邊緣滾刀磨損量（最大）達到10 mm時需要更換刀具，刀盤正面滾刀磨損量（最大）達到20 mm時需要更換（如果前部地層不能確定能否進入刀盤換刀，而根據刀具磨損進度預計將于該處換刀時，磨損量在5～7 mm的刀具也需更換新刀）;刀具更換安裝時應保證配合面干凈，刀具螺栓需要按照設計要求緊固，同一把刀所有螺栓扭矩需要保持一致;刀具安裝配件（墊塊、拉緊塊等）需要按照設計要求進行采購更換，禁止采用不符合設計要求的刀具安裝配件;盾構機正常掘進情況下，當掘進參數突變或異常時需要停機，現場分析、檢查造成掘進參數突變或異常的原因，制定相應措施后方可恢復掘進，確保盾構機順利掘進。

參考文獻：

[1]張偉森.上軟下硬地層盾構機滾刀磨損特性研究[J].地下空間與工程學報，2019（2）：583-588.

[2]和振安.盾構機脫困及盾尾變形修復工程實例分析[J].工程建設與設計，2018（6）：215-217.

[3]沈秀鋒.掘進過程中盾構機姿態出現較大偏差的檢核方法[J].山西建筑，2016（12）：206-208.