李 輝，劉銀濤

(中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(TBM)是目前國際上最先進的隧道施工機械，其依靠機械的強大推力和剪切力破碎巖石，使隧道掘進、出碴、襯砌、灌漿等工序平行作業(yè)，實現(xiàn)一次成洞。由于國內(nèi)對盾構的研究不夠深入，在盾構施工過程中還有很多不盡人意的地方，像卡機就是影響和約束盾構施工的一個重要因素［1］。針對盾構通過硬巖地層被卡，采取何種脫困措施，國內(nèi)已有一些相關研究。文獻［2－5］詳細介紹了盾構穿越斷層破碎帶和膨脹性圍巖時，由于地應力過大和軟弱圍巖塑性收斂變形過快等因素造成卡機，提出了加強超前地質(zhì)預報、改變TBM施工參數(shù)、人工擴挖、超高壓換步和化學灌漿加固等措施解決盾構卡機;文獻［6］介紹了不良地質(zhì)條件下雙護盾TBM卡機的類型，提出了5種卡機脫困措施;文獻［7］從設備選擇、地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場操作方面分析了卡機發(fā)生的原因，提出了化學灌漿和小導洞開挖的脫困措施。

上述文獻中盾構卡機的原因大都是因地質(zhì)破碎、疏松或地應力太大造成掌子面塌方或圍巖變形過快使刀盤被卡，且都是山嶺隧道。目前還未有相關文獻對由于盾構沒有擴挖刀，邊滾刀磨損超限和更換不及時，從而導致開挖直徑變小以至于盾體被卡的原因進行研究，也鮮有采用爆破使盾構脫困的技術方法。本文以重慶地鐵6號線土壓平衡盾構施工為例，分析盾構在硬巖中卡機的原因，闡述采用爆破方法使盾構脫困的技術。

1 工程概況

重慶軌道交通6號線2期土壓平衡盾構試驗段曹蔡區(qū)間右線，采用中鐵19號盾構機掘進。盾構掘進至627環(huán)(YDK42+493.826)后，推力逐漸增大、刀盤扭矩逐漸減小，隨后開倉更換刀具。2011年2月12日更換刀具后，對628環(huán)進行掘進。開始掘進后，掘進參數(shù)出現(xiàn)異常，推力不斷增加、刀盤扭矩逐漸減小、盾尾鉸接無法收回。開倉進行檢查，發(fā)現(xiàn)前體切口環(huán)位置與周邊巖面密貼，判斷為盾體被圍巖卡死。

盾構被圍巖卡死里程為YDK42+493.826，此處隧道埋深為11.5 m，左右線線間距為13.1 m(盾構平面位置如圖1所示)。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，結合土倉掌子面的圍巖情況，洞身范圍全斷面為中風化砂巖，灰白色，細－中粒結構，中－厚層狀結構，主要由石英、云母、長石等組成，鈣質(zhì)膠結，砂巖抗壓強度為42～44 MPa，圍巖強度較好。地面以下1.8 m為強風化帶，巖質(zhì)較軟，巖芯較完整，多呈短柱狀;其下為中風化帶，巖質(zhì)較硬，巖芯較完整，多呈短－中柱狀;層底深度為20.9 m，分層厚度為 19.1 m。

圖1 曹蔡區(qū)間右線YDK42+493.826附近平面圖Fig.1 Plan of CAOCAI interval right line in YDK42+493.826

2 盾構卡機原因分析

根據(jù)現(xiàn)場的實際測量、爆破開挖情況以及刀盤的刀具布置，盾體被卡的主要原因分析如下。

1)設備原因。本工程采用的土壓平衡盾構無擴挖刀，在設備采購和后來的設計聯(lián)絡中也未提出該問題。擴挖刀的作用是當外邊滾刀磨損到臨界值之前，通過擴挖刀伸出一定長度，把隧道直徑擴挖到滿足新邊刀尺寸。當盾構邊刀磨損過大且無擴挖刀加大開挖直徑，致使開挖直徑變小可能造成盾體被卡，且在日常施工過程中，每天未對刀盤和刀具損壞情況進行檢查，為盾體被卡死埋下禍根。

2)刀具磨損過大。盾構掘進施工時，刀具磨損量較大，開挖直徑變小(刀盤的開挖直徑為6 280 mm，盾體最大直徑為6 250 mm，邊刀允許磨損量為15 mm)。本次檢查邊刀(44#刀具)磨損量為11 mm，開挖隧洞直徑為6 258mm，前盾體外徑為6 250mm，與刀盤開挖尺寸間的間隙僅有4 mm，施工中開挖尺寸與盾體出現(xiàn)細微偏差，就會造成盾體被卡。

3)管理原因。由于該設備無擴挖刀，在施工中應每天對刀盤和刀具損壞情況進行檢查，以免邊滾刀磨損超限。在日常施工過程中，由于管理不當，施工人員并未每天對刀盤和刀具損壞情況進行檢查，以至邊滾刀磨損超限使開挖直徑變小造成盾體被卡。

3 盾構脫困技術

盾體被圍巖卡死后，無法換刀，且無擴挖刀，無法安裝新?lián)Q邊滾刀，采用強制脫困模式(即在盾尾加大外力小油缸增加推力)進行脫困。到2011年2月24日，累計向前推進至1 330mm，推進速度緩慢且盾尾鉸接被拉斷。由于盾尾鉸接被拉斷，為使盾構機盡早脫困，采取爆破方法破除盾體上方圍巖，最終使盾構機成功快速脫困。

事后對盾構脫困技術進行總結，認為該方法存在一定的問題，盾體被卡死后，適當加大外力小油缸增加推力強制脫困是可以的。如果仍無法使盾構機脫困，不應該繼續(xù)加大外力小油缸增加推力，以防止盾尾鉸接被拉斷，此時應通過爆破破除盾體上方圍巖使盾構脫困，以保護鉸接裝置。

3.1 爆破施工技術方案

根據(jù)地質(zhì)情況，本次爆破地層主要為中風化砂巖，抗壓強度為42～44 MPa，施工作業(yè)空間位于盾構機土倉內(nèi)，作業(yè)空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進行。盾體上部巖石的清除施工分3個階段進行:1)工作洞開挖階段。在刀盤前方爆破開挖一個工作洞。2)盾體周邊巖體開挖階段。主要清除盾構前體上方巖體。3)盾尾周邊巖體開挖階段。因爆破已進入盾尾，為保證盾尾安全，只清除盾構上方800 mm的巖體(見圖2)。

每個階段的具體施工工序流程為:施工準備(爆破區(qū)刀具拆除、設備防護(特別要注意設備上的電器設備防護)、人員及物資準備)—開倉程序—鉆眼—裝藥—設備防護—通知地面人員進行監(jiān)測及巡視—倉內(nèi)人員撤出—起爆—監(jiān)測數(shù)據(jù)及巡視結果反饋至主機室—通風(氣體檢測)—效果檢查—出碴—初期支護(噴混凝土支護)—爆破參數(shù)優(yōu)化—進行下一循環(huán)作業(yè)。

3.2 工作洞開挖

由于土倉內(nèi)作業(yè)空間狹小，爆破不能一次成型，只能分步進行，工作洞的開挖順序如下。

3.2.1 試爆

為優(yōu)化爆破參數(shù)，確保盾構機安全，在正式爆破前要進行試爆。試爆從刀盤上部切口位置開槽，試爆區(qū)共布孔5個，孔間距為200mm，孔深800mm，裝藥量為200 g/孔，四周及中部設空孔。爆破結束后，根據(jù)爆破效果和地表監(jiān)測情況對裝藥量及爆破參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。

3.2.2 切口位置掏槽爆破

利用刀盤開口位置布置掏槽眼。為減小爆炸產(chǎn)生的碎石對刀盤造成損傷，采用直眼掏槽(見圖3)和進行小藥量多批爆破。第1批為1～5#，深800 mm，裝藥量為200 g/孔;第2批為6#，炮眼深1 000 mm，裝藥量為400 g/孔，每次起爆最大裝藥量不超過2 kg(10節(jié)藥量)。

第1次掏槽完成后，轉(zhuǎn)動刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置進行擴大掏槽，方法同第1次。圖4為實際炮眼布置情況及爆破后的效果。

3.2.3 刀盤前部斷面擴挖

掏槽成功后，利用掏槽形成的臨空面，由中間向兩側進行工作洞的擴挖，擴挖期間炮眼間距為250～400 mm，深1 000～1 100 mm，裝藥量為300～400 g/孔，刀盤前部正向爆破開挖距離為1.6 m。工作洞開挖效果如圖5所示。

3.3 盾體周邊爆破施工

利用第1階段(刀盤前部)已開挖出的作業(yè)空間破除盾體上方巖體。為減小爆破對盾體造成損傷，距離盾構外輪廓線上部預留400mm的保護層，并且保護層位置周邊孔采用弱松動爆破處理方法。盾體上方圍巖清除順序如下。

3.3.1 盾體周邊掏槽爆破

掏槽采用多次楔型掏槽法，炮眼布置如圖6所示。掏槽眼深600mm，裝藥量為300g/孔。爆破后開口位置距盾體寬度為1.7m，累計反向爆破長度約為8m。

圖6 掏槽炮眼布置方式(單位:mm)Fig.6 Layout of cutting holes(mm)

3.3.2 盾體周邊斷面擴大

利用掏槽形成的臨空面，由中間向兩側逐步清除盾體上部圍巖，盾體上方共布置3排孔，排間距為300 mm且第1排孔距盾構外輪廓線為400 mm，列間距為300 mm，炮眼深度為1 000～1 100 mm，裝藥量為300 g/孔。爆破效果如圖7所示。

圖7 斷面擴大爆破完成后的效果Fig.7 Effect of enlarging blasting

3.4 設備技術改造

盾體被卡的主要原因是由盾構邊滾刀磨損超限使開挖直徑變小所致。為解決目前的困境以及保證后續(xù)順利施工，預防類似情況發(fā)生，確定采用抬高刀具和增大開挖直徑的方法解決刀具磨損導致盾體被卡死的問題。

為保證整個刀具的開挖線性、刀箱的結構需求以及刀具突出刀盤面板的高度，確定最大調(diào)整高度為7 mm，共需調(diào)整44～41#刀具的高度以滿足線性要求。改造方法為調(diào)整刀箱的楔面角度和刀具壓塊。調(diào)整后的開挖直徑為6272mm，隧道開挖直徑比盾體大22mm，增加開挖土石量為0.138m3/m。

鑒于目前刀盤實際的開挖直徑為6 258 mm，最邊緣44#刀具與前體耐磨層的高差只有3 mm，為保證刀盤的開挖直徑能滿足主機通過的需求，經(jīng)研究采用角磨機對刀箱的楔面角度及刀具進行調(diào)整。設備改造示意圖見圖8和圖9。

圖8 滾刀調(diào)整量(單位:mm)Fig.8 Disc cutter adjusting(mm)

4 注漿回填施工

爆破處理完畢后，形成了一個長約10.6m、寬約1.7 m、高約1.7m的半圓環(huán)形空腔。當爆破脫困、刀盤及刀具改造完畢、盾構恢復正常掘進后，為保證地面建筑物安全和控制地表沉降，對空腔進行回填作業(yè)，以保證盾構的施工安全。

4.1 注漿回填目的

1)通過及時填充空隙，支撐管片周圍巖體，有效地控制地表沉降，并保證地表建筑物安全。

2)凝結的漿液將作為盾構管片的第1道防水屏障，增強隧道的防水能力。

3)為管片提供支撐點，確保其早期的穩(wěn)定并使管片與周圍巖體一體化，有利于盾構脫困后掘進姿態(tài)的控制，并能確保盾構隧道的最終穩(wěn)定。

4.2 注漿回填方法

采用注入砂漿的方法進行空腔回填，即將盾構掘進時使用的同步砂漿通過管路注入空腔內(nèi)，填充洞室。因本次爆破施工，造成的空腔空間較大(285.147 m3)，采用常規(guī)的辦法(即掘進時通過盾尾同步注漿系統(tǒng)注漿)無法保證能夠填滿整個空腔洞室。為保證注漿效果，采用了“管片背部預埋注漿管”+“同步注漿”的方式進行注漿，具體方法如下。

1)單液注漿。盾構掘進631～641環(huán)時應增大同步注漿量，通過同步注漿系統(tǒng)向管片背后的管腔注入漿液。

2)二次注漿。為保證空腔填充效果，彌補同步注漿的不足，應及時封堵管片背后的管腔，使回填注漿的漿液不會竄入掌子面。盾構通過空腔范圍且同步注漿結束后，應及時通過吊裝孔進行二次補注漿。

3)預埋注漿管盾尾注漿。盾構掘進至631環(huán)并拼裝完該環(huán)管片后，暫停掘進。將1根1.3 m的φ25 mm鋼管焊接在預先加工好的二次注漿頭上，并依次在629環(huán)L1塊和L2塊預留吊裝孔(注漿孔)上分別打孔，將焊接鋼管的二次注漿頭穿透管片并擰緊在管片吊裝孔上，且安裝上閘閥，連接檢查無誤后恢復掘進。依此類推，盾構掘進并拼裝完633環(huán)及635環(huán)管片后，都應暫停掘進，并分別在631環(huán)和633環(huán)管片上打孔且預埋注漿管。待盾構掘進通過空腔范圍后(641環(huán))，盾構停機，將注漿管一端通過變接頭連接在管片上預留的二次注漿頭，另一端通過延長管線及變接頭(變接頭焊接在外置注漿管)連接在盾尾預留的外置注漿管上。待連接完成且檢查無誤后，開始依次為629，631，633環(huán)管片注漿。預埋注漿管盾尾注漿示意圖見圖10。

4.3 漏漿現(xiàn)象的處理

1)盾尾漏漿。采取堵漏的方法，采用注盾尾油脂，同時還可以用棉紗和海綿進行封堵。

2)掌子面漏漿。由于圍巖穩(wěn)定性等原因造成盾殼與巖面間空隙過大，注漿時漿液會順著盾殼外壁漏進掌子面，遇到這種情況，應降低注漿壓力而適當增加土倉壓力。

圖10 預埋注漿管盾尾注漿示意圖(單位:mm)Fig.10 Sketch of grouting(mm)

5 盾構防卡施工措施

5.1 選擇適當?shù)氖┕し椒?/h3>

盾構法與鉆爆法相比有許多優(yōu)點，但也存在對地質(zhì)適應性差和施工成本高等缺點。選擇合理的施工方法，對工程的成功具有決定性的意義。

施工方法的選擇，應先對盾構施工方法的可行性提出初步意見，再由設計人員根據(jù)隧道其他條件就采用鉆爆法與盾構法開挖進行技術、經(jīng)濟和安全等方面進行比較，從而選擇合適的施工方法。

5.2 選擇合適的機型

盾構是專用性很強的工程機械，正確選擇盾構機型是盾構隧道施工順利的關鍵。盾構選型主要考慮地質(zhì)條件、隧洞埋深及斷面尺寸，尤其是隧洞沿線的工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件是確定盾構機型最主要的因素。

各類盾構都有優(yōu)勢和劣勢，如何揚長避短，充分發(fā)揮盾構的掘進能力和增加有效掘進時間，是選型中需要考慮的關鍵。目前還沒有一種可在任何地質(zhì)條件下都能夠施工的盾構，一般認為全洞線80%的地質(zhì)條件適合的機型，是合適的機型，而對會滯緩掘進速度、不適合盾構施工的不良地質(zhì)洞段可以預先通過其他方法進行處理。

5.3 施工中的防卡措施

盾構施工中卡機是指圍巖的徑向位移大于盾殼與開挖輪廓面之間預留間隙。盾構通過諸如軟巖、斷層帶和風化巖等軟弱圍巖時往往會由于強烈擠壓變形和破壞而發(fā)生卡機現(xiàn)象。為此，必須根據(jù)工程地質(zhì)條件采取相應的預防措施，以保證盾構安全、順利通過不良地質(zhì)地段。

1)針對斷層破碎帶地層，對刀盤前方破碎帶進行預處理(如注漿預加固等)。對于規(guī)模很大的斷層破碎帶，則可以從旁邊開挖繞洞，對破碎帶地段采用鉆爆法進行開挖，施工完畢后，盾構在空載狀態(tài)下直接步進通過。

2)針對軟巖大變形地段，為盾構機配備擴挖刀，可適當超挖，將盾殼與開挖面的間隙從通常的6～10 cm調(diào)整到15～25 cm，為圍巖變形預留足夠空間;同時，定期對刀盤情況進行檢查，以免邊滾刀磨損超限。

6 結論與討論

1)在硬巖條件下，應為盾構配備擴挖刀。當外邊滾刀磨損到臨界值時，可以通過擴挖刀伸出一定長度，用較低的轉(zhuǎn)速和較小的推力把隧道直徑加大到滿足新邊刀尺寸，以免盾構邊刀磨損過大使開挖直徑變小造成盾體被卡。

2)盾構在硬巖中不能從周圍的地層中獲得足夠的摩擦力，邊刀磨損后若不能及時更換，則會發(fā)生卡盾現(xiàn)象。根據(jù)其他城市施工案例，在硬巖中掘進時，當邊刀磨損5～8 mm后，盾構會出現(xiàn)卡盾和轉(zhuǎn)向困難的趨勢［8］。應加強施工管理，每天對刀盤和刀具進行檢查，以免邊滾刀磨損超限造成卡盾現(xiàn)象。

3)盾構在石英含量較高的砂巖地層掘進時，由于這種巖層的強度一般都超過40 MPa，對刀具會產(chǎn)生嚴重的磨損。而在硬巖中，刀盤設計具有足夠的剛度和強度，從而保證了刀盤體結構在極端情況下發(fā)生局部磨損時仍保持不變形。

4)在硬巖條件下，盾體由于刀具磨損使開挖直徑變小而造成盾體被卡死，盾體被卡死后，可適當加大外力小油缸增加推力強制脫困。如果無法使盾構脫困，不能繼續(xù)加大外力小油缸增加推力，以免盾尾鉸接被拉斷，此時可以通過爆破破除盾體上方圍巖使盾構脫困以保護鉸接裝置。本文盾構脫困采取的方法導致盾尾鉸接被拉斷，存在一定的缺陷。

5)爆破脫困后，盾體周圍形成了一個比較大的半圓環(huán)形空腔。為保證地面建筑物安全和控制地表沉降，對爆破形成的半圓環(huán)形空腔進行注漿回填，從而也保證了盾構的施工安全。

6)目前在國內(nèi)盾構施工領域內(nèi)，對于長時間停滯后脫困施工技術還沒有形成系統(tǒng)的施工技術方法，對于在復雜地質(zhì)條件下的盾構停滯后脫困恢復掘進施工仍是盾構施工的一大難題。

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