土压平衡盾构机在隧道施工中出现卡机事故的处理措施

张晓莉

（山西省水利建筑工程局第八工程处 山西太原 030006）

1 工程概况

兰州市城市轨道交通1号线一期工程土建Ⅰ标段世纪大道站～中间风井区间，采用德国海瑞克技术制造的一台Φ6.49 m土压平衡盾构机施工，区间隧道最大纵坡坡度27‰，隧道埋深为10.4～40.4 m，世纪大道站～风井区间分左右两线，左线长1 141.701 m，区间隧道左线右线间距约9 m，最小平面曲线半径450 m。隧道采用通用楔形管片衬砌，区间隧道外直径Φ6.2 m，内径Φ5.5 m，管片衬砌每环纵向宽度为1.2 m，从世纪大道站左线开始始发推进到第10环时，因地层原因造成了卡机情况的发生。

2 卡机段地质情况

2.1 工程地质

隧道主要穿越地层大部分为全断面3-11卵石层，始发段隧道穿越地层为2-10卵石层和3-11卵石层复合层，长度约150 m。

3-11卵石层：灰黄色、青灰色，饱和，局部夹有薄层或透镜状砂层。据颗分资料及现场勘探，该层粒径大于200 mm的漂石、卵石平均含量占64.53%，一般粒径20～60 mm，漂石含量较少，最大粒径为500 mm；粒径2～20mm的圆砾平均含量占14.82%；中粗砂充填。卵石、圆砾母岩成分主要为砂岩、花岗岩、石英岩、硅质岩、钙质泥岩、燧石等。级配不良，磨圆度较好、分选性较差。泥质弱胶结，局部呈钙质弱胶结，成岩特征，据钻孔岩心局部可形成柱状岩心，其下胶结较弱。

2-10卵石层：杂色、青灰色。局部夹有薄层或透镜状砂层，广泛分布于河漫滩上部和安宁区二级阶地黄土状土之下。据颗分资料及现场调查，粒径大于200 mm的漂石、卵石平均含量占63.5%，一般粒径20～50 mm，漂石含量较少，最大粒径为500 mm；粒径2～20 mm的圆砾平均含量占12.4%，中粗砂充填。

根据实际施工情况推断，2-10卵石层一般粒径20～50 mm，漂石含量较多，最大粒径为550 mm；3-11卵石层该层粒径大于20 mm卵石较多，一般粒径20～60mm，漂石含量较少，最大粒径为350mm；中粗砂充填。

2.2 水文地质

区间隧道全断面位于卵石层中，属孔隙性潜水。水位埋深10.9～12.7 m，地下水丰富，含水层厚，渗透系数大，区间隧道开挖可能产生较大涌水现象，对工程施工影响较大。

3 试掘进施工情况

3.1 卡机情况

自2015年1月7日盾构机始发推进后，遇到了一系列的卡机事件，时间持续最长的一次为从2015年1月12日到2月17日，具体卡机时盾构机现场情况如下：2015年1月12日夜班时，盾构机正常推进完成第10环，于0点10分左右在管片拼装结束后，准备推进第11环，盾构机操作手按正常流程启动刀盘，刀盘启动后，扭矩维持在1.1 MN.m左右进行空转，转速保持在1.1 r/min；在操作控制室显示各项相关参数均为正常值，开始推进，启动螺旋机正常出渣，操作人员在启动推进后（推力约9 000 kN）约5 min左右，发现刀盘土仓内上部土压突然上升，刀盘扭矩迅速升高，控制室可以看到扭矩值从1.1 MN.m达到6.1 MN.m，瞬间造成刀盘卡死。

3.2 刀盘被卡后采取的措施及原因分析

1）刀盘卡死后在操作控制室采取正反转刀 盘，试图转动刀盘达到脱困，持续正反转时间长达7 h，但刀盘没有转动，反而使刀盘转动的角度从±5°变为±1°；经初步分析后认为是由于卵石地层的不稳定性，在转动刀盘时致使本来就稳定性不好的掌子面的卵石发生塌落，并在刀盘转动的过程中造成进一步的堆积，所以当开始正常推进时，因为螺旋机转速较低，螺旋机只能将部分渣土及一些卵石排出；很大一部分大小卵石经冲洗沉积，堆积在土仓里面以及刀盘外部；具体情况反馈到操作控制室为上部土压计值有突然的变化，说明有不稳定卵石层又发生了进一步塌落，各种因素同时作用致使刀盘突然性卡死。

2）基于以上判断，通过高转速转到螺旋机将整个刀盘土仓排空，仓内土层高度可以通过安装在土 仓隔板上的土压计测定，即各个土压计读数基本为0 MPa时，可以推断仓内渣土基本排空，后在刀盘脱困扭矩模式下（扭矩值可以达到7.2 MN.m）再次尝试启动刀盘，但刀盘仍没有转动。

3）在刀盘脱困模式下无法脱困后，将推进油缸收回50 mm，同管片接触处分开后，通过往刀盘前部加注膨润土和泡沫，为刀盘前部加压，使刀盘前部产生后退的力，并通过盾尾铰接油缸收回，两者同时作用，想以此来将刀盘后退，达到脱困，最终因地层原因（埋深10 m左右，地层密实度等因素），刀仓内压力最大可以达到0.09 MPa，而且在达到此压力后，膨润土和泡沫击穿地层，从地面喷出，无法实现使刀盘退回来尝试脱困。

4）经过上述这些脱困措施始终无法实现脱困，决定开仓对刀盘仓内渣石进行清理检查，在清仓之前先打开仓门，在脱困扭矩下转动刀盘时，可以看到刀盘有特别小的转动距离。第一次清仓时，使用800 mm×800 mm×10 mm竹角板在仓内对掌子面露出处进行封闭支护，保证在清仓时人员的安全。在进行清仓的同时，对电气、液压系统进行了详细检查并确认盾构机工作系统的正常，在土仓清空后再次试转，情况同之前基本相同，反而刀盘转动距离进一步缩小。

5）因仓内已经清空仍无法脱困，所以对减速机、齿轮等机械传动部分，以及马达、小齿轮和大齿轮进行了详细的检查，确认了刀盘驱动部位没有任何问题。通过高性能应变调理器，在刀盘内贴电阻应变计来确定主驱动扭矩已经传递到刀盘。

6）根据所测结果确定需要继续对刀盘外部进行更彻底的清理，通过对刀盘前部200 mm掌子面进行加固，具体实施方法为：经测量确定刀盘里程位置后，从地面用旋挖钻机钻孔6个，并放置Ф800 PVC螺旋塑料套管，其内部浇筑C20水下混凝土，等强度上来后，监理工程师同施工单位对掌子面进行加固验收，达到常压开仓条件，继续清理土仓内、刀盘前边及周边的渣土和卵石，仓内以及刀盘前部全部清空后尝试启动，刀盘还是纹丝不动，经分析认为对刀盘前部打孔，造加固桩时对地层有了进一步扰动，再加上长时间的停机造成刀盘周边卵石失水而进一步沉积固结所造成的，彻底清理后终于于2月17日实现脱困。

4 总体分析及预防

总体分析造成卡机的主要原因为兰州地层的特殊性，盾构机所处区间隧道位于全断面卵石层中，属孔隙性潜水，于黄河Ⅱ级阶地，地下水丰富，含水层厚，渗透系数大，尤其在此段的推进过程中，卵石含量很大，并且基本可以确定区间正线上方存在不稳定的松散体，突然性塌落携带大卵石将刀盘卡死。

在刀盘转动过程中，掌子面因自稳性差，不停的有卵石塌落下来通过螺旋机排出一部分，在转动过程中，可通过超挖刀角度传感器可以看到刀盘能转动的角度越来越小。因为目前水位在隧道以下，膨润土和泡沫在注入刀仓后被水稀释流走，土仓内的膨润土并不多，停机时土仓内的砂卵石不断往下沉积，固结等，造成此种卡机情况发生，因此在以后的施工中，应该尽量缩短停机时间，或者在长时间停机时，需要确认使用相当高浓度的膨润土对仓内卵石进行改良，并安排相关人员值班，定时启动一次刀盘，保证刀盘的可转动性。

5 总结

如今在城市轨道交通的建设中，盾构机发挥着越来越大的作用，但每个城市的地层情况各有不同，在施工时要多总结，积累经验，通过正确的分析判断采取果断的措施，保证盾构机的正常推进。