李豐果

（1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東廣州 511458；2.盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南鄭州 450001）

GIL（氣體絕緣線路，gas insulated line）電力管廊、水電站輸水隧道、核電工程海底排水隧洞、城市地鐵等領(lǐng)域施工常采用盾構(gòu)掘進修建。蘇通GIL綜合管廊長江隧道工程是全球首次將大直徑盾構(gòu)應(yīng)用于GIL電力越江管廊的工程。我國的盾構(gòu)機設(shè)備制造業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間工程地質(zhì)和周邊環(huán)境條件，開展了盾構(gòu)適應(yīng)性分析論證、盾構(gòu)針對性設(shè)計聯(lián)絡(luò)等工作，使盾構(gòu)機的適應(yīng)性和針對性更強。區(qū)間包含軟土、上軟下硬、全斷面硬巖地層的，過去一般采用土壓平衡盾構(gòu)機掘進，近年常采用雙模盾構(gòu)、三模盾構(gòu)，在進入全斷面硬巖后可轉(zhuǎn)換為TBM（掘進機，tunnel boring machine）模式，以此提高硬巖地層掘進效率，在全斷面硬巖即將結(jié)束時轉(zhuǎn)換為土壓模式。

廣州某地下區(qū)間全斷面硬巖盾構(gòu)“卡殼”后[1]，采用了爆破清除前盾180°上部巖石后脫困。重慶某區(qū)間全斷面為中風(fēng)化砂巖，呈灰白色，換刀1環(huán)后掘進參數(shù)異常，推力不斷增加、刀盤扭矩逐漸減小、鉸接無法收回[2]，判斷為盾體被圍巖卡死，圍巖抗壓強度為43MPa，采用爆破方法破除盾體上方圍巖使盾構(gòu)脫困；后期采用抬高刀具（保徑刀）增大開挖直徑的方法解決邊滾刀磨損超限造成盾體被卡問題。文獻[3]結(jié)合重慶全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機的案例，分析了卡機原因，制訂了針對性措施。TBM 在施工時，由于地質(zhì)因素導(dǎo)致盾構(gòu)被卡，文獻[4]至文獻[6]提出了相應(yīng)的解決措施和注意事項。

本文系統(tǒng)總結(jié)了全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機原因，根據(jù)不同的卡機情況，分析提出了有針對性的脫困措施。

1 全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機原因分析

全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機原因主要包括設(shè)備原因、地質(zhì)條件原因和施工原因。

1.1 設(shè)備原因

盾構(gòu)機刀盤開挖斷面直徑與前盾直徑的差值必須大于設(shè)計值，例如：?6280mm 盾構(gòu)機前盾殼直徑為?6250mm，中盾及盾尾直徑?6240mm，開挖半徑理論上必須大于前盾半徑一定值，中體較前盾半徑小，盾尾較中體半徑小。

盾構(gòu)機總推力設(shè)計過小、脫困扭矩設(shè)計過小、開挖直徑與盾殼間隙過小、刀盤剛度不夠、被動鉸接拉力偏小等問題均易導(dǎo)致盾構(gòu)機在硬巖地層被卡，將不利于脫困。盾尾圓度失真，易造成導(dǎo)致盾尾與管片間甚至開挖地層之間的摩擦力大大增加。

1.2 地質(zhì)條件原因

地質(zhì)條件是施工管理的基礎(chǔ)，巖層收斂、坍落、破碎帶均有可能導(dǎo)致盾構(gòu)被困。例如：對于大塊狀破碎巖體，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，姿態(tài)偏差較大時，易造成卡機事故。掌子面巖石差異較大時（上軟下硬、左軟右硬等），也易造成姿態(tài)惡化而卡機，如灰?guī)r地層空洞回填材料強度低，易造成盾構(gòu)姿態(tài)快速惡化。對于全斷面高強度硬巖地層，主要是保徑刀磨損導(dǎo)致開挖直徑變小或姿態(tài)較差而卡機。

1.3 施工原因

基于對實際工程的調(diào)研情況，導(dǎo)致全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機的施工原因主要包括四個方面，分述如下：

（1）盾體被抱死而卡機。同步注漿管理，注漿壓力、盾尾密封壓力、土倉壓力關(guān)系非常密切，注漿壓力過高，可能導(dǎo)致漿液通過被磨損或脫落的止?jié){板填充到盾殼與地層之間，甚至到達前方土倉。若長時間停工，漿液在盾體與地層間隙充填凝固，則導(dǎo)致盾構(gòu)將漿液抱死；

（2）開挖直徑不夠而卡機。因刀具管理不到位，導(dǎo)致邊滾刀、保徑刀磨損超限，使開挖直徑小于設(shè)定最小值。尤其在小半徑平曲線地段，因超挖量不夠，盾構(gòu)體（圓柱體）在理論曲面空間上都難以放置，更易被卡；

（3）姿態(tài)惡化而卡機。姿態(tài)控制不好，前方地質(zhì)或線路設(shè)計曲線發(fā)生變化時，經(jīng)驗不夠豐富的主司機不能在短時間內(nèi)通過前方較差地質(zhì)段，做不到及時調(diào)整掘進參數(shù)，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)突變或頻繁變化。轉(zhuǎn)彎半徑是一定的，當(dāng)盾構(gòu)機姿態(tài)突變，調(diào)向值超出最大允許值時，會出現(xiàn)卡機現(xiàn)象；盾構(gòu)掘進過程在短時間內(nèi)頻繁左右或上下調(diào)向，無形中減小了隧道的開挖直徑，也會增加被困的概率。盾構(gòu)機鉸接角度過大，易導(dǎo)致盾體被憋死而卡機的問題；

（4）管片使用不當(dāng)而卡機。管片事先排好版，盡量保證盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)、設(shè)計軸線相吻合，但隨著盾構(gòu)機姿態(tài)變化，要做適當(dāng)優(yōu)化與調(diào)整，使通用環(huán)與轉(zhuǎn)彎環(huán)匹配使用。若管片配置不當(dāng)，會導(dǎo)致盾尾間隙過小，掘進姿態(tài)更難控制。管片拼裝質(zhì)量的好壞直接影響推進油缸的有效推力，應(yīng)保證管片拼裝質(zhì)量，避免造成推力的浪費等。總之，管片選擇不當(dāng)與拼裝質(zhì)量做不好，都會造成管片開裂等質(zhì)量問題，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致卡機。

2 卡機脫困處理措施

卡機脫困處理措施主要包括利用鉸接、采用輔助油缸增大推力、刀盤前開挖作業(yè)洞室及盾殼外密排鉆孔、刀盤前開挖作業(yè)洞室及盾殼外開挖等。

2.1 利用鉸接

因盾尾與管片間姿態(tài)較差而輕微卡機時，防止增加總推力而損壞鉸接油缸，被動鉸接盾構(gòu)采用拉桿或鋼板代替鉸接油缸，加大推力將盾尾拖動；主動鉸接盾構(gòu)采用微小左右擺尾并加大主推力的方式將盾尾拖動。在盾殼與地層之間注入觸變泥漿等低強度且有潤滑作用的物質(zhì)，以此減小盾殼與地層之間的摩擦力。順利脫困后，及時恢復(fù)鉸接油缸。

2.2 采用輔助油缸增大推力

盾尾被卡較嚴(yán)重或超挖刀磨損不嚴(yán)重前盾被卡時，若盾構(gòu)機推力增至最大時仍無法脫困，可增加額外的推力來助推，即增輔助油缸。在盾尾增加外力油缸，增加推力且輔助油缸同時頂進的工況下脫困，但輔助油缸要考慮管片最大承受能力（盾構(gòu)推進油缸推力+輔助油缸推力）。剛開始可只增加兩根輔助油缸，安裝在5點位、7點位附近（根據(jù)盾構(gòu)機姿態(tài)與卡機原因分析適當(dāng)調(diào)整）；若仍無法脫困，在3 點位、9 點位附近再增加兩根輔助油缸。增加輔助油缸前，對鉸接部位焊鋼板替代油缸，以此保護鉸接油缸。

2.3 刀盤前開挖作業(yè)洞室及盾殼外密排鉆孔

因保徑刀磨損較嚴(yán)重，開挖直徑略小于前盾直徑時，采用外置油缸無法脫困。經(jīng)分析，采用爆破方法，在刀盤前方、上方開挖作業(yè)空間，反向沿盾殼密排鉆孔，如圖1所示。必要時在排孔內(nèi)裝微量炸藥爆破。復(fù)推時在盾殼外注入優(yōu)質(zhì)觸變泥漿減阻。

2.4 刀盤前開挖作業(yè)洞室及盾殼外開挖

因保徑刀磨損嚴(yán)重導(dǎo)致卡機非常嚴(yán)重，而采用盾體上半部密排鉆孔仍無法脫困時，采用爆破方法，在刀盤前、上方開挖作業(yè)空間，反向沿盾過殼（180°范圍）爆破開挖巖石，將盾殼與巖層緊密摩擦的范圍開挖形成臨空面，如圖2所示。

爆破作業(yè)時控制好最大一段裝藥量，同時做好爆破震速監(jiān)測，保護好爆破點附近的建（構(gòu)）筑物及相鄰在建隧道。盾殼周圍打斜孔，減小沖擊力，以此保護盾構(gòu)機。若地層破碎富水，開挖后做必要的支護（錨、網(wǎng)、拱架、噴混凝土等），以此確保施工安全。爆破作業(yè)完成后，清理作業(yè)空間的鉆桿、鉆頭、工具等雜物，避免盾構(gòu)復(fù)推后遺留物對刀具損壞或卡螺機。

拱部密排鉆孔或爆破開挖可以直接解除，或者大幅減小盾殼與地層的摩擦力，盾構(gòu)機脫困后要慢速掘進，因上部臨空對盾構(gòu)機無約束，需要嚴(yán)控姿態(tài)，避免盾構(gòu)“抬頭”掘進。同時，及時對拖出盾尾的管片背空腔注砂漿充填密實，避免管片大幅上浮或地表塌陷等問題的發(fā)生。

3 結(jié)語

盾構(gòu)機卡機后，不能盲目脫困，要找出盾構(gòu)卡機原因，再確定脫困方案。本文在總結(jié)全斷面硬巖地層盾構(gòu)卡機原因的基礎(chǔ)上，分析了卡機脫困處理措施，得到以下結(jié)論：①全斷面硬巖地層盾構(gòu)掘進，確保開挖直徑是關(guān)鍵，尤其要嚴(yán)控邊滾刀或保徑刀磨損量；②全斷面硬巖地層盾尾被卡，可以采用后置輔助油缸加大推力的方式脫困；③全斷面硬巖地層因開挖直徑不夠?qū)е驴C，采用開挖擴大洞徑脫困是最可靠的脫困措施；④爆破作業(yè)空間及反向爆破開挖時，一定要嚴(yán)控鉆眼質(zhì)量及裝藥量，以此保護盾構(gòu)機。