劉春桃，劉志賀，王 鵬

（中車智能交通工程技術(shù)有限公司，北京 100078）

盾構(gòu)法是修建城市軌道交通隧道較常用的方法。盾構(gòu)隧道的施工距離一般長達(dá)數(shù)公里，在開挖過程中可能會遭遇各種復(fù)雜工況。若盾構(gòu)掘進(jìn)斷面夾雜著粒徑較大且分布不均的碎石，則隧道施工時較易出現(xiàn)掘進(jìn)速度變慢、開挖面水土壓力波動較大及螺旋輸送機故障等問題，威脅著盾構(gòu)隧道開挖的安全與穩(wěn)定。目前，對于盾構(gòu)隧道穿越含碎石黏土地層時遇到的施工風(fēng)險和應(yīng)對措施還未形成有效的認(rèn)識。因此，文章以東南沿海某地區(qū)軌道交通盾構(gòu)隧道工程為背景，分析了盾構(gòu)在含碎石黏土地層中掘進(jìn)時遭遇螺旋輸送機故障時的應(yīng)對措施，相關(guān)分析和結(jié)論可為類似工程的施工提供參考。

1 盾構(gòu)機及其機械設(shè)備概述

盾構(gòu)法是城市軌道交通隧道建設(shè)中較常用的方法之一。其盾構(gòu)機為核心設(shè)備，通過推進(jìn)盾構(gòu)機進(jìn)行地下隧道的開挖和施工。盾構(gòu)機作為一種復(fù)雜的機械設(shè)備，包括多個關(guān)鍵組成部分，每個部分協(xié)同運作，共同完成隧道開挖任務(wù)。

1.1 盾構(gòu)機基本結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機通常由刀盤、主軸、螺旋輸送機、推進(jìn)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)等部分組成。刀盤位于盾構(gòu)機前端，是開挖的主要工具。刀盤上裝有刀具和刀齒，可以切削地層并將土層推入螺旋輸送機。主軸連接刀盤和推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，承受刀盤的轉(zhuǎn)動力和推進(jìn)力，確保盾構(gòu)機穩(wěn)定推進(jìn)。螺旋輸送機位于盾構(gòu)機后部，負(fù)責(zé)將切削的土層和碎石通過螺旋輸送機械輸送至盾構(gòu)機的尾部，進(jìn)而將土層排出隧道。推進(jìn)系統(tǒng)通過液壓和電動機等設(shè)備驅(qū)動盾構(gòu)機，推動整個盾構(gòu)機向前施工。支撐系統(tǒng)在盾構(gòu)機開挖過程中，通過安裝預(yù)制管片等方式支撐隧道壁面，確保施工區(qū)域的穩(wěn)定。

1.2 盾構(gòu)機工作原理

盾構(gòu)機工作的基本原理是“掘進(jìn)—支護(hù)—排土”的循環(huán)過程。具體如下：①刀盤旋轉(zhuǎn)切削地層，螺旋輸送機負(fù)責(zé)將切削的土層和碎石輸送至盾構(gòu)機尾部；②隨著盾構(gòu)機的推進(jìn)，支撐系統(tǒng)及時安裝預(yù)制管片等支撐隧道壁面，防止地層塌方；③排土系統(tǒng)將土層從盾構(gòu)機尾部排出隧道，完成一次“掘進(jìn)—支護(hù)—排土”循環(huán)。

1.3 盾構(gòu)機穿越含碎石黏土地層中的挑戰(zhàn)

盾構(gòu)機在含碎石黏土地層中進(jìn)行施工時面臨許多挑戰(zhàn)，例如：碎石含量較高，增加了刀盤和刀具的磨損；黏土地層的高壓縮性，可能導(dǎo)致隧道變形和不穩(wěn)定；大塊混凝土等異物可能導(dǎo)致螺旋輸送機排土不暢和斷軸故障。盾構(gòu)機機械設(shè)備的故障嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和隧道工程的安全性，特別是在含碎石黏土地層中，機械設(shè)備的故障可能更加頻繁和嚴(yán)重，因此必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行應(yīng)對和預(yù)防。

2 工程及地質(zhì)概況

文章以東南沿海某地區(qū)軌道交通盾構(gòu)隧道工程為研究背景。該工程長度約860 m，線路平面最小曲線半徑為1000 m，最大縱坡為3.942‰。區(qū)間隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片錯縫拼裝，管片外徑為8500 mm，環(huán)寬為1600 mm，混凝土等級C55。區(qū)間隧道穿越主要地層為人工填土、淤泥質(zhì)黏土層及含碎石（角礫）粉質(zhì)黏土。淤泥質(zhì)黏土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，具有高壓縮性，層厚1.5～14.3 m。含碎石（角礫）粉質(zhì)黏土層的礫石含量約為10%～20%，碎石含量10%，粒徑以0.2～4 cm 為主，個別大于6 cm。隧道線路東側(cè)為市政河道，河道寬約30～40 m，勘察期間河面標(biāo)高約1.500 m，水深1.5～2.5 m，河底淤泥厚0.5～0.8 m，河岸設(shè)置漿砌片石護(hù)坡。

3 盾構(gòu)螺旋輸送機故障及其原因

3.1 故障情況

盾構(gòu)機掘進(jìn)時出現(xiàn)螺旋輸送機排土不暢情況，并導(dǎo)致設(shè)備停機。此次排土不暢表現(xiàn)為螺旋輸送機不排土，但可排出少量泥水。經(jīng)采取正常操作（正反轉(zhuǎn)螺旋輸送機，伸縮螺旋輸送機，啟閉前土倉閘門），排土沒有明顯改善。經(jīng)打開螺旋輸送機前部球閥，發(fā)現(xiàn)螺旋輸送機前部無渣土，判斷為：渣土、碎石組合體堵塞螺旋輸送機前閘門，并形成“拱包”，且有較大顆粒堵塞前閘門位置和螺旋輸送機輸送通道。圖1為螺旋輸送機排出的直徑60 cm×40 cm 的混凝土塊。

圖1 螺旋輸送機排出的直徑60 cm×40 cm的混凝土塊

3.2 螺旋輸送機故障原因

經(jīng)過仔細(xì)地檢查和分析判斷，確認(rèn)故障原因為螺旋軸斷裂，阻礙了前閘門的正常關(guān)閉。經(jīng)與工程圖紙進(jìn)行對比，估計螺旋軸斷裂長度約為1.1 m。此時，通過觀察穿越河流至今的螺旋輸送機排土情況和留存的渣樣，發(fā)現(xiàn)渣土中夾雜著不同粒徑的碎石、混凝土、鋼筋等異物，其中最大粒徑約為60 cm×40 cm。在與盾構(gòu)機廠家共同分析后初步判定，這次螺旋輸送機斷軸是由于盾構(gòu)機洞身范圍地層含有接近螺旋輸送機出土能力極限的大塊混凝土，而這些大塊混凝土可能來自附近大橋樁基沖樁的殘留物。

為了解決這個問題，盾構(gòu)機廠家和施工團(tuán)隊需要共同合作，采取有效的措施。施工團(tuán)隊方面，需提前在盾構(gòu)機洞身范圍內(nèi)進(jìn)行地層勘探，及時發(fā)現(xiàn)潛在的大塊混凝土區(qū)域，并進(jìn)行相應(yīng)處理。盾構(gòu)機廠家方面，需在設(shè)計和制造螺旋輸送機時考慮可能遇到含碎石黏土地層的情況，并提高螺旋輸送機的出土能力，以應(yīng)對類似的挑戰(zhàn)。此外，定期對螺旋輸送機進(jìn)行維護(hù)和檢查，確保其在施工過程中的正常運行，也是預(yù)防類似故障發(fā)生的重要措施。

綜上所述，螺旋輸送機故障是由于盾構(gòu)機洞身地層中含有超出其出土能力極限的大塊混凝土所導(dǎo)致。通過采取相應(yīng)措施可以有效預(yù)防和解決這類機械故障，確保盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。這對未來類似工程的設(shè)計與施工提供了重要的經(jīng)驗教訓(xùn)。

4 螺旋輸送機維修及應(yīng)急措施

4.1 維修措施

（1）在排土不暢的情況下，應(yīng)對排土通道進(jìn)行徹底檢查，清除可能導(dǎo)致不暢的大顆粒、碎石等異物。具體操作如下：①在土倉內(nèi)添加適量的水和泡沫，增加土層的潤滑性和流動性，并通過反向旋轉(zhuǎn)螺旋輸送機來破壞“拱包”，使排土通道恢復(fù)暢通；②在土倉內(nèi)插入部分大顆粒材料，如20 cm×20 cm×60 cm 方木，并注入泡沫，然后反向旋轉(zhuǎn)螺旋輸送機，以幫助打破“拱包”，恢復(fù)螺旋輸送機的排土功能。

（2）對于螺旋輸送機斷軸的情況，需做到以下幾點：①安裝安全門確保維修人員的安全；②將斷裂的螺旋軸臨時焊接在主軸上，防止其阻礙前閘門的關(guān)閉；③使用松動千斤頂油缸等工具，將斷軸安全拉出前閘門范圍；④完成上述步驟后，關(guān)閉前閘門，避免泥水涌入螺旋輸送機內(nèi)，導(dǎo)致土倉失壓；⑤修復(fù)斷軸，確保其完整性和穩(wěn)固性。

（3）維修后的測試和檢驗也十分重要。進(jìn)行螺旋輸送機的功能測試，確保其排土?xí)惩ê瓦\行正常，并對維修質(zhì)量進(jìn)行檢驗，確保螺旋輸送機符合設(shè)計要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。螺旋輸送機恢復(fù)正常工作后，還需對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和觀察，以及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。

（4）為了保障螺旋輸送機的長期穩(wěn)定運行，必須定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。建立定期檢查機制，對螺旋輸送機進(jìn)行檢查，包括潤滑油、密封件等的檢查和更換。同時，對螺旋輸送機的排土通道、輸送通道及土倉等部分進(jìn)行清理和保養(yǎng)，防止碎石等異物堆積。定期維護(hù)潤滑系統(tǒng)，確保其正常運轉(zhuǎn)和使用壽命。

綜合采取上述維修和維護(hù)保養(yǎng)措施，可以有效應(yīng)對螺旋輸送機故障，并保障盾構(gòu)機的正常運行和施工安全。在實際施工中，維修工作應(yīng)由經(jīng)驗豐富的專業(yè)人員進(jìn)行，并嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，確保維修工作的順利進(jìn)行和人員的安全。

4.2 維修期間應(yīng)急措施

為了應(yīng)對螺旋輸送機斷軸故障，并防止在拔出斷裂的螺旋軸時導(dǎo)致泥水涌入螺旋輸送機內(nèi)，引起土倉失壓和地面過大沉降，需采取地面注漿加固和土倉卸壓措施。

（1）地面注漿加固。這種加固方法采用水泥、水玻璃雙液漿，通過地面引孔后退式注漿的方式，對刀盤頂部和掌子面前方土體進(jìn)行擠密，以增加土體的穩(wěn)定性。注漿的漿液配比為水泥漿水灰比1 ∶1，水玻璃溶液濃度18～25°Bé，水泥漿和水玻璃溶液體積比例為1 ∶1。根據(jù)注漿位置的不同，選擇不同初凝時間的漿液：靠近刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時間較短的漿液，20～30 s；遠(yuǎn)離刀盤或盾體注漿孔位，采用初凝時間較長的漿液，30～60 s。每個注漿孔位的注漿量不少于2 m3，注漿壓力不超過0.2 MPa，并確保注漿引起的地面隆起不大于1.5 cm。為了保持注漿的均勻性和有效性，注漿孔位采用梅花形布置，間距設(shè)置為1 m。在進(jìn)行注漿加固前，還需要通過改性水玻璃和膨潤土的注漿施工來填充土倉上部空間和包裹盾體。

（2）土倉卸壓。地面注漿加固完成后，采用松動千斤頂油缸，打開土倉壁上的6個球閥，使刀盤上部約2m 范圍為空腔，保持氣壓狀態(tài)，而下部則是實土。通過鋼筋插入，確認(rèn)無泥水涌出，并觀察到渣土具有較大粘性和流動性差的特點。

整個維修過程需要高度的技術(shù)操作和安全意識。應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)操作規(guī)程進(jìn)行施工，確保維修措施的有效性和維修工作的安全進(jìn)行。同時，定期檢查和維護(hù)盾構(gòu)螺旋輸送機，及時處理潛在問題，是確保盾構(gòu)隧道施工安全和順利進(jìn)行的重要措施。

5 結(jié)論

（1）此次螺旋輸送機斷軸故障是盾構(gòu)機洞身范圍地層含有接近螺旋輸送機出土能力極限的大塊混凝土導(dǎo)致，該混凝土塊可能為附近大橋樁基沖樁殘留物。

（2）后續(xù)通過地面注漿加固、土倉卸壓及螺旋輸送機維修等應(yīng)對措施可恢復(fù)盾構(gòu)機正常功能，并防止盾構(gòu)停機過程中地面產(chǎn)生過大沉降。