盾构机卡盾原因分析及处理措施

郑鹏 王琪琛

摘 要：引故入新工程项目是一项以供水为主要目的的公益性工程。本文结合洛阳市引故入新工程项目，分析了盾构机掘进到隧洞出口时发生卡盾的原因，根据隧洞掌子面空间小、施工难度大等工程实际情况，制定了3种切实可行的脱困方案。通过比较，脱困方案得以确定和实施，恢复了盾构机掘进。最后，结合工程实际情况，介绍了预防卡盾措施，供类似工程类似情况借鉴。

关键词：盾构机;卡盾原因;脱困;预防措施

中图分类号：U455.3文献标识码：A文章编号：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

洛阳市引故入新工程起点为洛阳市故县水库引水工程预留新安分水口，工程终点位于新安县城关镇南庄村东侧涧河边的新建水厂。本工程设计引水流量为0.58 m3/s，日供水量为5万m3，工程线路总长为21.228 km，包括进口管线段长2.522 km，隧洞段长18.647 km，出口连接段长0.059 km，通过自流将水引入新安县新建水厂。

本工程隧洞段盾构法的施工工藝为：在隧洞进、出口分别布置盾构机始发场地，采用2台复合式土压平衡盾构机（下称盾构机）分别从进、出口始发场地相向掘进施工，并最终在洞内完成对接、拆解。盾构法施工开挖断面为圆形断面，开挖外径为3 860 mm，衬砌后内径为3 000 mm。采用预制钢筋混凝土管片进行全断面衬砌，管片采用5+1分块形式，环宽为1 200 mm，厚度为300 mm;管片块与块、环与环之间采用螺栓连接。

1 工程区间地质情况

根据地质报告，自隧洞进口桩号K2+539.8至桩号K16+965段，洞身主要处于新近系（N）、古近系（E）岩层，洞身围岩主要由黏土岩、砂质黏土岩互层及砂质黏土岩、黏土质砂岩互层组成，岩石强度较小，盾构设备在该段掘进速度较快[1]。自桩号K16+965至桩号K21+195.3（隧洞出口），洞身主要处于二迭系上统围岩段，洞身围岩主要为上石盒子组上段长石砂岩（P2s2），围岩特性如表1所示，岩石强度相对较大，盾构设备在该段掘进速度相对较慢。从水文地质条件来看，工程区的含水岩组划分为寒武系碳酸盐岩含水岩组、二叠系砂岩含水岩组、古近系砂砾岩含水岩组和新近系砂砾岩含水岩组。

2 推进过程

工程土压平衡盾构出口段，采用中铁635号盾构机掘进。盾构掘进至402环（桩号K20+685.9）后，推力逐渐增大，刀盘扭矩逐渐减小，更换刀具。之后，对402环进行掘进。掘进过程中出现推力不断增加、刀盘扭矩逐渐减小、盾尾铰接无法收回等现象。开舱进行检查，发现前体切口环位置与周边岩面密贴，判断盾体被围岩卡死。

3 盾构卡机原因分析

根据现场的实际测量、开挖情况以及刀盘的刀具布置，盾体被卡的主要原因有四点。

3.1 管理原因

依据盾构机采购合同，隧洞进出口各1 km盾构机掘进由设备厂家人员负责操作，在施工中应定时对刀盘和刀具损坏情况进行检查，以免边滚刀磨损超限[2]。但在日常施工过程中，并未定时对刀盘和刀具损坏情况进行检查，盲目追赶进度，以至于边滚刀磨损超限，使得开挖直径变小，造成盾体被卡。

3.2 操作不当，盾构机姿态变化大

司机操作盾构机的过程中，盾构姿态发生较大变化，掘进参数设置不合理，出现掘进困难时，未停机检查，未深入分析产生问题的原因，未制定有效措施，而是抱有侥幸心理，强行推进，推力过大造成滚刀螺栓松动，压块脱落，滚刀整体回退，开挖直径变小，最终造成前盾被卡。在386环时启用了超挖刀，在掘进400环时超挖刀被卡，说明岩石坚硬程度超出预期，然后收回超挖刀，在以后的掘进中未再使用超挖刀。390环到399环的姿态如表2、表3所示。

3.3 刀盘刀箱适应性不够

当平均推力为1 400 t时，刀盘滚刀发生螺栓松动现象，压块脱落，边滚刀整体回退，导致开挖直径变小。脱卡后，采用正常平均推力6 000 kN推进，平均速度控制在110 mm/min，扭矩控制在500 kN·m，每环推进结束后进行开仓检查，发现每环总有两个以上刀具螺丝松动，螺丝断裂现象频繁发生，然后采用钢筋焊接刀具螺栓，情况有所改善，但螺栓松动仍然频繁，甚至出现中心双刃滚刀螺栓断裂3颗、压紧斜块脱落1块的问题。

3.4 地质原因

盾体被围岩卡死里程为桩号K20+685.9，此处隧洞埋深为45 m。根据地质勘探资料，结合土舱掌子面的围岩情况，洞身范围全断面为灰岩，与设计提供的地质资料长石砂岩不符。经取芯试验，干燥状态平均单轴抗压强度为85.7 MPa，围岩抗压强度较高，容易造成刀具磨损速度快，导致间隙变小，在姿态调整过程中容易造成卡盾。

4 盾构脱困处理措施

盾体被围岩卡死后，采用强制脱困模式（即在盾尾加大外力小油缸增加推力）进行脱困[3]。48 h累计向前推进1 038 mm，推进速度缓慢且盾尾铰接容易被拉断。为使盾构机尽早脱困，技术人员设计了三种方案。

方案1是从隧洞顶部钻孔至盾构机刀盘前面，之后沿反方向清除卡盾周边的围岩脱困，但此方案缺点是埋深45 m，且破坏竖井周边的植被。方案2是从隧洞侧面人工钻爆支洞至盾构机刀盘前面，经现场实测，支洞距掌子面约为480 m，距离长，施工时间较长。方案3是先用水钻钻孔，再用分离顶破碎方法在刀盘前方开挖一个工作洞，最后用预裂爆破方式清除盾体上方围岩，使盾构机快速脱困。经多方咨询并结合工程实际情况，最终选择方案3。

4.1 水钻钻孔

首先用水钻向刀盘前方掌子面位置破除出一个工作洞，利用盾构机刀盘32%的开口率，拆掉3把单刃滚刀，利用刀盘开口位置和拆除掉的滚刀位置布置掏槽眼;在土仓内没有固定钻机的位置，焊接一个支架，用来固定钻机，接好冷却水管后开始钻孔取芯;控制好钻孔速度，每次钻孔破碎深度为200～500 mm，每个钻孔间距为100～200 mm;在钻孔完成后，用分离顶破碎掉孔间岩石。第1次掏槽完成后，转动刀盘，利用此次掏槽临空面，同样在刀盘开口位置进行扩大掏槽，方法同第1次，最后完成工作洞的挖除工作。

4.2 工作洞开挖

由于土舱内作业空间狭小，爆破不能一次成型，只能分步进行，工作洞的开挖顺序如下：利用刀盘开口位置布置掏槽眼，每次钻孔破碎深度约为200 mm。第1次掏槽完成后，转动刀盘，利用此次掏槽临空面，同样在刀盘开口位置扩大掏槽，方法同第1次。

4.3 盾体周边预裂爆破

根据地质情况，本次爆破地层主要为灰岩，干燥状态平均抗压强度为85.7 MPa，施工作业空间位于盾构机土舱内，作业空间狭小，爆破不能一次成型，只能分步进行。

4.3.1 爆破器材选择。根据隧洞水文地质情况及盾构机作业环境的特殊性，应选用防水效果好、起爆安全的爆破器材。

4.3.2 装药结构。炮眼直径为83 mm，炮孔深度控制在1.5 m，炮孔用长度不小于300 mm的炮泥封堵。为减小爆破对盾体造成的损伤，距离盾构机外轮廓预留50 cm的保护层。在爆破工作面上布置4个直径83 mm、深度为1.5 m的爆破孔，中间布置一个直径108 mm、深度为1.0 m的临界孔。

5 盾构机脱困措施

经多次开会研究，项目部制定如下脱困方案：采用钻孔法，在刀盘与掌子面之间形成一定空间，满足人员进入的条件。人员进入刀盘与掌子面之间的空间后，采用钻孔与预裂爆破，刀盘前面形成作业台阶，钻工可利用水钻取芯，沿着刀盘的外侧、前盾外部半圆上部向反方向钻孔并排取芯，先径向扩大洞径，再沿盾体外侧反向回掏，孔深大于2.5 m，开挖尺寸根据实际情况调整。

具体施工步骤如下：一是由于孔深大于2.5 m，采用4.1施工方法，使每个孔相连并形成空腔，当钻孔至顶拱120°范围内时，停止钻孔，检查前盾盾体外侧与围岩三分之一部位的脱离情况，此时施工人员撤离现场，由盾构机司机进行试推，无法推进;二是继续钻孔到顶拱150°范围内时，重复步骤一，无法推进，而继续钻孔到顶拱180°范围内时，重复步骤一，推进压力达到15 MPa（设计总推力1 600 MPa），由于尾盾被卡，主动铰接与被动铰接全部伸出，总计推进18 cm。经过与盾构机厂家协商，并在管片上游侧端部（即俯角60°位置）增加两个辅助油缸配合（由原11个油缸增加至13个油缸），同时为保证被动铰接不被拉断，在被动铰接位置焊接4个3 cm厚钢板加固连接，然后按照平均推力1 200 kN进行试推，终于顺利推进。

6 结语

为保证盾构机安全掘进，杜绝卡盾现象，项目部必须制定切实可行的预防卡盾措施：在后续盾构施工期间增加开仓检查频率，及时更换磨损严重刀具及复紧刀具螺栓，针对刀具螺栓松动问题应采取防松措施;该项目地质勘探报告与实际掘进地质出入较大，建议项目进行地质补勘或者增加地质超前预报系统，为盾构掘进提供技术支持;参照盾构正常施工时刀具磨损原则，边缘滚刀磨损量（最大）达到10 mm时需要更换刀具，刀盘正面滚刀磨损量（最大）达到20 mm时需要更换（如果前部地层不能确定能否进入刀盘换刀，而根据刀具磨损进度预计将于该处换刀时，磨损量在5～7 mm的刀具也需更换新刀）;刀具更换安装时应保证配合面干净，刀具螺栓需要按照设计要求紧固，同一把刀所有螺栓扭矩需要保持一致;刀具安装配件（垫块、拉紧块等）需要按照设计要求进行采购更换，禁止采用不符合设计要求的刀具安装配件;盾构机正常掘进情况下，当掘进参数突变或异常时需要停机，现场分析、检查造成掘进参数突变或异常的原因，制定相应措施后方可恢复掘进，确保盾构機顺利掘进。

参考文献：

[1]张伟森.上软下硬地层盾构机滚刀磨损特性研究[J].地下空间与工程学报，2019（2）：583-588.

[2]和振安.盾构机脱困及盾尾变形修复工程实例分析[J].工程建设与设计，2018（6）：215-217.

[3]沈秀锋.掘进过程中盾构机姿态出现较大偏差的检核方法[J].山西建筑，2016（12）：206-208.