張煥杰，劉廣仁，常喜平

（中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)中解卡措施研究

張煥杰，劉廣仁，常喜平

（中國石油天然氣管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)的過程中，由于地層突變等原因易造成盾構(gòu)機(jī)“卡殼”，使得盾構(gòu)機(jī)陷入進(jìn)退兩難的困境。文章以西氣東輸二線長江盾構(gòu)工程為例，就盾構(gòu)機(jī)“卡殼”的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出增加盾構(gòu)機(jī)的總推力，同時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)等盾構(gòu)機(jī)解卡措施，使盾構(gòu)機(jī)成功脫困。

西氣東輸二線；盾構(gòu)機(jī)；解卡；參數(shù)調(diào)整

1 工程概況

西氣東輸二線管道工程途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、廣西、廣東、浙江、江蘇、上海和香港等15個(gè)省、自治區(qū)、直轄市，是我國重要的天然氣輸送干線工程，也是我國的能源戰(zhàn)略新通道。長江盾構(gòu)工程是西氣東輸二線東段的重點(diǎn)控制性工程之一，在江西省九江市和湖北省武穴市之間穿越長江，工程采用德國海瑞克公司生產(chǎn)制造的AVND3080AH泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，工程穿越的地質(zhì)情況分別為泥質(zhì)砂巖、中粗砂、中細(xì)砂、粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土層。隧道水平長度為2 590 m，工期從2008年6月1日至2010年6月30日，共計(jì)25個(gè)月。隧道建成后，鋪設(shè)直徑1 219 mm、壓力10 MPa的天然氣管道。

2 被困盾構(gòu)機(jī)情況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)地層在第15個(gè)探孔處（750 m）為泥質(zhì)砂巖層，在第16個(gè)探孔處（800 m）為中粗砂和中細(xì)砂混合層。在泥質(zhì)砂巖掘進(jìn)中刀具存在一定程度的磨損，但在砂層掘進(jìn)時(shí)如要更換刀具風(fēng)險(xiǎn)大，為此項(xiàng)目部決定在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入砂層前對(duì)所有刀具進(jìn)行檢查，對(duì)磨損程度嚴(yán)重的刀具進(jìn)行更換。更換刀具后，盾構(gòu)機(jī)開始正常掘進(jìn)，但是掘進(jìn)2.4 m后，推進(jìn)油缸壓力逐漸增大，速度逐漸降低直至無法推動(dòng)，盾構(gòu)機(jī)陷入困境，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1） 推進(jìn)壓力增大。推進(jìn)壓力由正常的5500kN逐漸增大至8 200 kN，后增至10 000 kN，臨近盾構(gòu)機(jī)推力極限值（11 000 kN）。

（2） 鉸接拉力增大。鉸接拉力由正常的200 kN增加到2 200 kN，臨近盾構(gòu)機(jī)鉸接拉力的極限值（2 800 kN）。

（3） 推進(jìn)速度先增加后降低。更換刀具后，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度為10～20 mm/min，后來增加至30 mm/min，之后推進(jìn)速度逐漸降低至5 mm/min以下，最后速度為零。

（4） 出渣情況。更換刀具后，泥水分離出渣為泥質(zhì)砂巖和少量礫石，后為中粗砂和中細(xì)砂，中間夾雜流木，出渣量逐漸降低至3 m3左右，遠(yuǎn)低于正常量13.6 m3。

（5） 盾構(gòu)機(jī)呈V字形，姿態(tài)難以控制。

3 原因分析

盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)如圖1所示，選擇推進(jìn)油缸壓力、導(dǎo)向油缸壓力、鉸接油缸壓力和反向壓力等參數(shù)，對(duì)最接近盾構(gòu)機(jī)且推進(jìn)異常的22環(huán)（第625～646環(huán)）的掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到圖2所示結(jié)果。

從圖2中可以得出以下結(jié)果：

（1） 導(dǎo)向油缸壓力沒有明顯的變化，一直維持在5 200 kN左右，根據(jù)力學(xué)原理，表明盾構(gòu)機(jī)在1#主機(jī)不存在“卡殼”的情況。

（2） 推進(jìn)油缸和鉸接油缸壓力呈現(xiàn)出相同的變化趨勢，在第633環(huán)之前無明顯變化，第633環(huán)之后卻逐漸上升。第633環(huán)之前推進(jìn)油缸的壓力為5 700 kN左右，在正常范圍內(nèi)，此后壓力逐漸增大，最高達(dá)到10 000 kN。同樣鉸接油缸在第633環(huán)之前壓力為218 kN，此后逐漸增大，最高達(dá)到2 258 kN。所以第633環(huán)為推進(jìn)油缸壓力和鉸接油缸壓力突然增長的一個(gè)拐點(diǎn)。與推進(jìn)油缸和鉸接油缸的壓力趨勢一樣，反向壓力的變化也是在第633環(huán)的位置突然增大，然后上升。

根據(jù)力學(xué)原理，選取盾構(gòu)機(jī)2#主機(jī)作為受力分析點(diǎn)，總的來說它受到4個(gè)力，分別為推進(jìn)油缸壓力F推、導(dǎo)向油缸壓力F導(dǎo)、鉸接油缸壓力F鉸和反向壓力F反（盾殼與地層的摩擦力以及1～5拖車的反向拉力），它們滿足以下公式：

根據(jù)（1）式，可以看出F推和F鉸增大，F(xiàn)導(dǎo)不變，F(xiàn)反有可能增大，所以2#主機(jī)存在被卡的可能。

（3） 以3#主機(jī)為受力分析點(diǎn)，可以得到以下公式：

式中F管——盾尾和管片的摩擦力；

F地——盾尾和地層的摩擦力。

F管的數(shù)值是較為固定的，認(rèn)定其不變；F鉸增大，從而得出盾尾與地層的摩擦力F地是增大的，這說明3#主機(jī)也存在被卡的可能。

（4） 在第633環(huán)泥水分離出現(xiàn)的流木量最大，所以初步判斷在第633環(huán)的位置可能存在大量的枯樹阻礙盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)。在緩慢掘進(jìn)至第642環(huán)時(shí)，推進(jìn)油缸和鉸接油缸的壓力也達(dá)到最大，掘進(jìn)速度幾乎為零。主盾構(gòu)司機(jī)伸出鉸接油缸發(fā)現(xiàn)推進(jìn)速度有所提高，而鉸接油缸壓力隨之逐漸增大，所以判斷盾構(gòu)機(jī)3#主機(jī)出現(xiàn)“卡殼”。

通過以上的“卡殼”可能性分析，可以看出3#主機(jī)（盾尾）被卡。現(xiàn)初步認(rèn)定盾構(gòu)機(jī)卡住的主要原因是：地層由泥質(zhì)砂巖層向砂層過渡時(shí)，中間夾雜流木，引起掘進(jìn)姿態(tài)急劇變化，阻礙盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)。

4 盾構(gòu)機(jī)脫困措施

4.1 對(duì)地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析

根據(jù)勘探報(bào)告，15號(hào)探孔和16號(hào)探孔位于完全不同的地層，在15號(hào)探孔的泥質(zhì)砂巖層和16號(hào)探孔的砂層，并無流木的報(bào)告，所以必須對(duì)該段地層進(jìn)行補(bǔ)勘。通過補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)，該段地層為泥質(zhì)砂巖層向砂層的過渡段，盾構(gòu)掘進(jìn)的區(qū)間上層為中粗砂和中細(xì)砂，下層為泥質(zhì)砂巖，中間夾雜著流木。

4.2 成立盾構(gòu)機(jī)脫困領(lǐng)導(dǎo)小組

項(xiàng)目部成立了盾構(gòu)機(jī)脫困領(lǐng)導(dǎo)小組，由主管生產(chǎn)的項(xiàng)目副經(jīng)理任組長，班組長任副組長，成員包括主盾構(gòu)司機(jī)、質(zhì)量部長、技術(shù)部長、物資部長等。領(lǐng)導(dǎo)小組有權(quán)調(diào)動(dòng)相關(guān)的人、機(jī)、物、料，整體協(xié)調(diào)盾構(gòu)機(jī)的脫困工作。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

根據(jù)補(bǔ)勘報(bào)告，盾構(gòu)掘進(jìn)的地層是上軟下硬地層，它是一種特殊的地質(zhì)，既具有軟巖地層的不穩(wěn)定性，又具有硬巖的強(qiáng)度。在這類地層中施工，盾構(gòu)機(jī)刀盤切削工作面土體，上部軟地層較易進(jìn)入刀盤艙，而下部較硬巖體不易破碎，盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)較難控制。其掘進(jìn)參數(shù)需要考慮以下因素：

（1） 刀盤轉(zhuǎn)速。在上軟下硬地層中掘進(jìn)，上部砂層只需轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤即可破壞地層，而下部泥質(zhì)砂巖硬度較高，刀盤的滾刀受力較大，局部對(duì)刀具即刀盤的損傷較大，所以應(yīng)適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，使刀具受到的瞬時(shí)沖擊小于安全荷載，刀盤的轉(zhuǎn)速要控制在1.2～1.6 r/min。

（2） 油缸推力。通過分析可以看出，刀盤推力已經(jīng)臨界極限，僅僅靠盾構(gòu)機(jī)自身的推力難以完成脫困任務(wù)，必須額外添加輔助推進(jìn)油缸，添加的油缸位于管片和鉸接油缸的底座之間。設(shè)添加油缸的推力為F1，得到：

通過公式（3）與公式（2）的比較，可以看出F鉸減小了，聯(lián)合公式（1）可知，F(xiàn)推＞F導(dǎo)+F鉸+F反，能夠保證盾構(gòu)機(jī)順利掘進(jìn)。

（3）掘進(jìn)速度。由于盾構(gòu)機(jī)是在地層過渡段掘進(jìn)，同時(shí)還添加了輔助推進(jìn)油缸，所以推進(jìn)的速度不宜過快，控制在3～5 mm/min。

（4） 注漿。為了保證盾構(gòu)機(jī)外部的潤滑，通過盾尾和2#機(jī)前部向盾殼外部注入黏度為60 s的膨潤土泥漿，并合理掌握注漿壓力，使注漿量、注漿流量與推進(jìn)速度等施工參數(shù)形成最佳匹配。

4.4 保持信息暢通

盾構(gòu)司機(jī)密切關(guān)注各推進(jìn)壓力、鉸接壓力、導(dǎo)向壓力、輔助油缸壓力等主要參數(shù)，同時(shí)積極與泥水分離司機(jī)保持溝通，隨時(shí)掌握泥水分離的出渣情況，控制每環(huán)的出渣量；并且根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘報(bào)告，隨時(shí)掌握盾構(gòu)機(jī)所處位置的地層情況。

通過采取以上措施，盾構(gòu)機(jī)在添加輔助油缸掘進(jìn)15環(huán)（18 m）后，進(jìn)入了砂層掘進(jìn)，順利地通過了過渡段的掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)成功脫困。

[1] 譚忠盛，洪開榮，萬姜林，等.軟硬不均地層復(fù)合盾構(gòu)的研究及掘進(jìn)技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，25（2）：3 945-3 952.

[2] 付艷斌.上軟下硬地層中盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2009，（4）：80-84.

[3] 鐘志全，楊自華.特殊地段的泥水盾構(gòu)施工[J].建筑機(jī)械化，2007，（8）：49-51.

[4] 寧銳，劉文斌.軟硬不均復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工技術(shù)研究[J].吉林水利，2009，（9）：19-22.

[5] 楊書江.盾構(gòu)在硬巖及軟硬不均地層施工技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2006.

[6] 史興全.西氣東輸管道工程大型穿越遇到的技術(shù)難題及其對(duì)策[J].石油工程建設(shè)，2005，（1）：43-47.

Abstract：Because of abrupt strata changing,the shield machine may be unable to move during tunnel-ing.This article takes the Yangtze River shield tunneling construction of Second West to East Gas Pipeline Project for example,carries out the detailed analysis of shield machine stuck reasons,and researches the stuck freeing measures of increasing general power of the shield machine and regulating operational parameters.Finally,the shield machine stuck problem is successfully solved.

Key words:Second West to East Gas Pipeline;shield machine;stuck freeing;parameter regulation

（67）Research of Stuck Freeing Measure for Shield Machine in Tunneling

ZHANG Huan-jie（China Petroleum Pipeline Fourth Construction Co.,Langfang 065000,China）,LIU Guang-ren,CHANG Xi-ping

TE973.4

B

1001－2206（2011）02－0067－03

張煥杰（1979-），男，河北廊坊人，工程師，2008年畢業(yè)于西南石油大學(xué)管理科學(xué)與工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事項(xiàng)目管理工作。

2010-05-28