阮小賽,楊 杰

[1.北京建工集團(tuán)（廣州）建設(shè)有限公司,廣東 廣州 510000; 2.廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司,廣東 廣州 510000]

0 引言

作為目前較為先進(jìn)的盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)之一，復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)因其對(duì)強(qiáng)度差別較大及斷面分布不均勻等復(fù)雜地質(zhì)條件的良好適應(yīng)性，被大量應(yīng)用到城市軌道交通工程區(qū)間盾構(gòu)隧道施工中。面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，當(dāng)施工過(guò)程中出現(xiàn)刀盤刀具檢查更換不及時(shí)、掘進(jìn)參數(shù)及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不當(dāng)、盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等情況時(shí)，容易發(fā)生盾構(gòu)機(jī)卡盾被困。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]介紹，安裝輔助千斤頂增加推力或?qū)鷰r進(jìn)行爆破，是盾構(gòu)機(jī)脫困的常用手段。

1 工程概況

廣州市軌道交通5號(hào)線東延段及同步實(shí)施工程（文沖~黃埔客運(yùn)港）是廣州市城市軌道交通第三期建設(shè)規(guī)劃（2017—2023）項(xiàng)目之一。該工程位于黃埔區(qū)，線路長(zhǎng)約9.76 km，均為地下線敷設(shè)方式，共施作6座車站（不含文沖站）、7個(gè)區(qū)間、1座新建停車場(chǎng)，平均站間距1.64 km，其中換乘站2座。

其中雙崗?fù)＼噲?chǎng)出入場(chǎng)線區(qū)間盾構(gòu)段隧道施工起于區(qū)間明挖段，沿東南方向掘進(jìn)，長(zhǎng)度約1 200 m。線路縱斷面為“V”字形，最大坡度3.5%。

盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)管片外徑6 m、內(nèi)徑5.4 m、管片環(huán)寬1.5 m，每環(huán)分塊6塊，分別為1封頂塊、2鄰接塊、3標(biāo)準(zhǔn)塊，通過(guò)彎螺栓連接。盾構(gòu)隧道施工采用海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)機(jī)刀盤為復(fù)合式刀盤，開挖直徑6 280 mm，配置12把邊緣單刃滾刀、20把正面單刃滾刀和4把中心雙刃滾刀，均為18寸；盾構(gòu)機(jī)前、中、尾盾直徑分別為6 250 mm、6 240 mm、6 230 mm。

區(qū)間盾構(gòu)隧道斷面穿越地層主要為全、強(qiáng)、中風(fēng)化花崗巖地層，其中中風(fēng)化花崗巖地層占比達(dá)46.6%，地質(zhì)占比如圖1。

圖1 雙崗?fù)＼噲?chǎng)出、入場(chǎng)線穿越地質(zhì)占比餅狀圖

2 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程

區(qū)間出場(chǎng)線隧道施工在第290環(huán)掘拼完成后開始春節(jié)前停機(jī)，停機(jī)前掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)總推力約1 400 t，掘進(jìn)速度約5~10 mm/min，各項(xiàng)參數(shù)正常。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)渣樣判斷，盾構(gòu)機(jī)刀盤在287環(huán)開始進(jìn)入全斷面中風(fēng)化花崗巖地層，至290環(huán)停機(jī)位置掘進(jìn)約5 m，推測(cè)盾尾頂部仍處在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層。

停機(jī)44天后盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)，291環(huán)至293環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)總推力從2 000 t不斷升高至3 800 t。294環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)總推力上升至4 400 t，已達(dá)當(dāng)前狀態(tài)下的最大推力。掘進(jìn)至行程400 mm左右時(shí)速度降低至0，之后外加4個(gè)單頂推力100 t的輔助千斤頂輔助掘進(jìn)仍無(wú)速度，判定盾構(gòu)機(jī)卡盾。項(xiàng)目部啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)脫困應(yīng)急處置。

卡盾位置盾構(gòu)機(jī)覆土厚度約23.5 m，從上到下地層為粉質(zhì)黏土、砂紙黏性土、全~強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。刀盤剛進(jìn)入全面中風(fēng)化花崗巖＜8H＞地層長(zhǎng)度約5 m，最近處勘探揭露孔區(qū)域巖石近似RQD值約30%，飽和抗壓強(qiáng)度范圍值為40.9~77.20 MPa。中盾、尾盾位置頂部為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖＜7H-b＞層。

3 盾構(gòu)機(jī)卡盾原因分析

3.1 隧道線型及盾構(gòu)姿態(tài)分析

該段盾構(gòu)隧道線型設(shè)計(jì)平面為直線段，縱斷面為3.45%下坡段，隧道為直線，春節(jié)停機(jī)復(fù)推前后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)無(wú)變化。

在291環(huán)開始恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)為Y=-31 mm、X=-18 mm，掘進(jìn)到294環(huán)盾構(gòu)機(jī)卡盾時(shí)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)為Y=-26 mm、X=-15 mm。過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)異常糾偏。

3.2 刀盤刀具檢查分析

在292環(huán)掘進(jìn)完成后，由于推力有所增加，現(xiàn)場(chǎng)安排對(duì)刀具進(jìn)行了檢查測(cè)量，邊緣#39/#40滾刀（對(duì)應(yīng)最大開挖直徑6 280 mm）最大磨損量約9 mm，正常磨損無(wú)偏磨，未發(fā)現(xiàn)刀箱有變形。其余邊緣滾刀均為正常磨損無(wú)偏磨現(xiàn)象。隨后更換了全部12把邊緣滾刀并恢復(fù)掘進(jìn)。

至293環(huán)掘進(jìn)完成后，再次檢查邊緣#39/#40滾刀最大磨損量約1~1.5 mm，正常磨損，且刀具安裝無(wú)松動(dòng)變形現(xiàn)象。通過(guò)刀具測(cè)量得到的刀具磨損數(shù)據(jù)，計(jì)算該段開挖輪廓最小直徑約6 262 mm（邊緣滾刀磨損9 mm），出現(xiàn)在292環(huán)刀具更換前。293環(huán)掘進(jìn)完成后，最小輪廓截面到達(dá)前盾中部，開挖輪廓最小直徑約6 262 mm大于前盾直徑6 250 mm，理論上不會(huì)完全卡住盾體。開挖面地層如圖2。

圖2 卡盾位置掌子面及拱頂照片

3.3 盾尾鉸接分析

該工程所使用的盾構(gòu)機(jī)盾尾鉸接為被動(dòng)式鉸接，總拉力最大為1 000 t?？ǘ芮?，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)291~292環(huán)過(guò)程中，鉸接油壓偶爾出現(xiàn)400 bar最大油壓（總拉力約1 000 t），現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)增加4個(gè)單頂推力100 t的輔助千斤頂后，掘進(jìn)完成292環(huán)。分析出現(xiàn)最大鉸接拉力的原因可能為春節(jié)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，少量盾尾同步二次注漿漿液滲入盾尾下部并固結(jié)導(dǎo)致。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)293環(huán)過(guò)程中，鉸接油壓逐漸降至約290 bar（總拉力約750 t）；掘進(jìn)294環(huán)卡盾前，鉸接油壓最大值約250 bar（總拉力約650 t）。根據(jù)鉸接參數(shù)變化分析，盾構(gòu)機(jī)盾尾位置未被完全卡死，卡盾部位很可能集中在中、前盾區(qū)域。

3.4 切口環(huán)檢查分析

卡盾發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)倉(cāng)檢查測(cè)量邊緣#39/#40滾刀最大磨損量約2 mm，正常磨損無(wú)偏磨。前盾3、9點(diǎn)鐘位置切口與開挖輪廓巖石之間的縫隙寬度約1.2 cm，縫隙正常；12點(diǎn)鐘位置切口與開挖輪廓巖石之間的縫隙小于0.4 cm，縫隙偏小。

隨后，現(xiàn)場(chǎng)組織對(duì)開挖倉(cāng)進(jìn)行清倉(cāng)。將倉(cāng)內(nèi)石塊、石渣等完全清出后檢查前盾切口環(huán)與開挖輪廓之間，發(fā)現(xiàn)6點(diǎn)鐘位置切口環(huán)與開挖輪廓巖石之間的縫隙大于1.6 cm，同時(shí)4、7點(diǎn)以下切口環(huán)與開挖輪廓巖石之間存有大量石渣石粉，并夾有少量固結(jié)的水泥漿液。

綜上分析推測(cè)，盾構(gòu)機(jī)在強(qiáng)度較高的全斷面中風(fēng)化花崗巖地層中長(zhǎng)時(shí)間低貫入度掘進(jìn)，使倉(cāng)內(nèi)產(chǎn)生大量石粉并沉積，掘進(jìn)過(guò)程中底部石粉不能有效排出，通過(guò)切口環(huán)底部進(jìn)入盾體與開挖輪廓之間的縫隙。與此同時(shí)，全斷面巖層欠壓掘進(jìn)，盾尾同步和二次注漿漿液經(jīng)盾體底部往開挖倉(cāng)方向滲入，引起石粉固結(jié)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的上抬趨勢(shì)使盾體底部石粉層逐漸變厚，擠壓盾體貼緊開挖輪廓上部，最終導(dǎo)致盾體被卡死。

4 盾構(gòu)機(jī)脫困處理措施

4.1 制定方案

根據(jù)分析推測(cè)的盾構(gòu)機(jī)卡盾原因，結(jié)合受困位置地質(zhì)和地面環(huán)境條件，項(xiàng)目部制定了三個(gè)脫困方案。

方案一使用高壓水槍從開挖倉(cāng)內(nèi)沖洗前盾切口環(huán)與開挖輪廓之間的縫隙，將縫隙之間的石粉盡可能沖洗出來(lái)，降低石粉對(duì)盾體的包裹力，以達(dá)到盾構(gòu)機(jī)脫困目的。由于開挖倉(cāng)內(nèi)作業(yè)空間狹小，開挖倉(cāng)底部容易積且水抽排困難，前盾切口與單品之間縫隙較小不能目視沖洗位置，因此高壓水槍操作難度大、水柱效率較低。同時(shí)，石粉漿液固結(jié)程度不定，導(dǎo)致沖洗較為困難，效果難以保證。

方案二采用旋挖鉆機(jī)，在地面垂直于隧道軸線成一排孔至中、前盾頂部，使盾體上方巖層完整性降低而部分卸力，降低巖層對(duì)盾構(gòu)機(jī)的包裹力，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)脫困目的。該方案需密排成孔，施工過(guò)程中先期成孔很難回填密實(shí)，相鄰孔施工過(guò)程中極易發(fā)生塌孔、躥孔風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)旋挖鉆機(jī)成孔作用范圍較小，巖石強(qiáng)度較高，脫困成功率得不到保證。

方案三采用爆破的方式，破壞盾構(gòu)機(jī)上方圍巖使圍巖卸力，達(dá)到盾構(gòu)機(jī)脫困目的。該方案是通過(guò)在地面按一定間距垂直鉆孔至盾構(gòu)機(jī)上方一定距離內(nèi)并埋設(shè)PVC管，然后將炸藥裝填至PVC管底部，利用炸藥爆破使盾構(gòu)機(jī)上方圍巖破碎，降低圍巖對(duì)盾構(gòu)機(jī)的包裹力以達(dá)到盾構(gòu)機(jī)脫困目的。

綜合分析之后，項(xiàng)目部判斷方案一可行性較低，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施困難，因此決定放棄方案一，實(shí)施方案二和方案三。

4.2 旋挖鉆孔方案

（1）成孔位置確定。根據(jù)掘進(jìn)情況判斷，盾構(gòu)機(jī)圍巖最小輪廓截面最有可能在前盾中部距離切口約1.2 m的位置。因此在該截面進(jìn)行旋挖鉆孔使盾構(gòu)機(jī)脫困的可能性最大。為了盡可能避免出現(xiàn)塌孔、躥孔風(fēng)險(xiǎn)，將原計(jì)劃的密排鉆孔改為間隔鉆孔，鉆孔間距中心間距約2.5 m，采用直徑800 mm旋挖鉆成孔。鉆孔距離切口環(huán)約1.5 m，頂部孔深度至盾體上方0.2 m，兩側(cè)孔深度至盾體中心線以下0.5 m，孔壁距離盾體0.3 m。鉆孔布置圖如圖3所示。

圖3 旋挖鉆孔平面、立面示意圖

（2）旋挖成孔。由于成孔深度超過(guò)20 m，現(xiàn)場(chǎng)采用泥漿護(hù)臂成孔，成孔至預(yù)定后使用砂漿回填至地面以下4 m轉(zhuǎn)用粉質(zhì)黏土回填。成孔過(guò)程中，隧道內(nèi)和地面聯(lián)動(dòng)，防止因施工過(guò)程中孔深計(jì)算失誤旋挖鉆損傷盾體。

鉆孔施工完成后，盾構(gòu)機(jī)啟動(dòng)并加載推力。推力加載到最大值，仍沒(méi)有速度，旋挖鉆孔脫困方案失敗。啟動(dòng)爆破圍巖方案

4.3 爆破圍巖方案

（1）爆破孔布置及成孔。為了有效破碎卡盾部位的圍巖，同時(shí)避免爆破應(yīng)力使盾體變形，爆破孔平面布置為前盾切口后0.5 m至中盾鉸接前0.5 m的中前盾位置。兩側(cè)至盾體外廓0.7 m，剖面深度至盾體頂部0.3 m、兩側(cè)至盾構(gòu)機(jī)中線以下0.3 m。示意圖如圖4所示。

圖4 爆破孔布置圖

由于該段盾構(gòu)機(jī)拱頂巖層較厚，為了提高成孔效率，現(xiàn)場(chǎng)采用潛孔錘成孔?？讖?00 mm，孔內(nèi)埋設(shè)75 mm直徑PVC管便于炸藥裝填。為了防止PVC管上浮，管道下放完成后在內(nèi)部裝滿清水，并蓋上蓋子。

潛孔錘成孔沖擊較大，且終孔深度距離盾體較近。為了避免盾體損傷，需準(zhǔn)確控制鉆孔定位、成孔垂直度及深度。成孔過(guò)程中，需建立上下聯(lián)動(dòng)機(jī)制，實(shí)時(shí)反饋洞內(nèi)盾體異響情況，出現(xiàn)異常及時(shí)停止鉆孔。

（2）爆破。此次盾構(gòu)機(jī)脫困施工爆破作業(yè)采用乳化炸藥，每孔裝藥量900 g。炸藥裝填在PVC管底部，空管采用細(xì)石回填密實(shí)。起爆方式為順序起爆，間隔時(shí)長(zhǎng)30 ms，從近刀盤一排孔開始起爆。起爆前，撤離隧道內(nèi)人員，提前將開挖倉(cāng)降至常壓后關(guān)閉倉(cāng)門，降低爆破沖擊波對(duì)主驅(qū)動(dòng)密封的影響。

（3）掘進(jìn)脫困。爆破完成后，檢查盾體有無(wú)變形、管片有無(wú)開裂滲水等。檢查完成后，啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行，盾構(gòu)機(jī)加載至總推力3 700 t時(shí)開始有速度。294環(huán)掘進(jìn)完成時(shí)，總推力降低至2 200 t左右，掘進(jìn)速度從2 mm/min逐漸提高到6 mm/min。

295環(huán)至297環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度能夠維持在6 mm/min左右。同時(shí)總推力逐漸降低至1 500 t左右，趨于正常水平，盾構(gòu)機(jī)脫困成功。

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在硬巖段掘進(jìn)過(guò)程中由于刀具檢查更換不及時(shí)、掘進(jìn)參數(shù)及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不當(dāng)、盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等原因，出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)卡盾的可能性較高。通過(guò)此次盾構(gòu)機(jī)脫困施工，項(xiàng)目部總結(jié)了三條預(yù)防措施：第一，避免盾構(gòu)機(jī)在巖、土交界面和全斷面巖層位置長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。確需長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，停機(jī)前做好盾體徑向孔高濃度惰性泥漿注入和檢查，提前填充盾體與巖石之間的縫隙，保證盾體潤(rùn)滑；第二，及時(shí)檢查更換邊緣滾刀，避免出現(xiàn)較大磨損或偏磨現(xiàn)象導(dǎo)致開挖直徑不足；第三，優(yōu)化硬巖段掘進(jìn)參數(shù)和刀具選擇，盡量避免長(zhǎng)時(shí)間低貫入度掘進(jìn)，防止土倉(cāng)內(nèi)留存大量細(xì)石、石粉，填塞盾體背后縫隙。