土壓平衡盾構(gòu)脫困技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

李 輝，劉銀濤

(中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)(TBM)是目前國(guó)際上最先進(jìn)的隧道施工機(jī)械，其依靠機(jī)械的強(qiáng)大推力和剪切力破碎巖石，使隧道掘進(jìn)、出碴、襯砌、灌漿等工序平行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一次成洞。由于國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)的研究不夠深入，在盾構(gòu)施工過程中還有很多不盡人意的地方，像卡機(jī)就是影響和約束盾構(gòu)施工的一個(gè)重要因素［1］。針對(duì)盾構(gòu)通過硬巖地層被卡，采取何種脫困措施，國(guó)內(nèi)已有一些相關(guān)研究。文獻(xiàn)［2－5］詳細(xì)介紹了盾構(gòu)穿越斷層破碎帶和膨脹性圍巖時(shí)，由于地應(yīng)力過大和軟弱圍巖塑性收斂變形過快等因素造成卡機(jī)，提出了加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、改變TBM施工參數(shù)、人工擴(kuò)挖、超高壓換步和化學(xué)灌漿加固等措施解決盾構(gòu)卡機(jī);文獻(xiàn)［6］介紹了不良地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的類型，提出了5種卡機(jī)脫困措施;文獻(xiàn)［7］從設(shè)備選擇、地質(zhì)條件和施工現(xiàn)場(chǎng)操作方面分析了卡機(jī)發(fā)生的原因，提出了化學(xué)灌漿和小導(dǎo)洞開挖的脫困措施。

上述文獻(xiàn)中盾構(gòu)卡機(jī)的原因大都是因地質(zhì)破碎、疏松或地應(yīng)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(guān)文獻(xiàn)對(duì)由于盾構(gòu)沒有擴(kuò)挖刀，邊滾刀磨損超限和更換不及時(shí)，從而導(dǎo)致開挖直徑變小以至于盾體被卡的原因進(jìn)行研究，也鮮有采用爆破使盾構(gòu)脫困的技術(shù)方法。本文以重慶地鐵6號(hào)線土壓平衡盾構(gòu)施工為例，分析盾構(gòu)在硬巖中卡機(jī)的原因，闡述采用爆破方法使盾構(gòu)脫困的技術(shù)。

1 工程概況

重慶軌道交通6號(hào)線2期土壓平衡盾構(gòu)試驗(yàn)段曹蔡區(qū)間右線，采用中鐵19號(hào)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)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(duì)628環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)。開始掘進(jìn)后，掘進(jìn)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(jìn)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(gòu)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(gòu)平面位置如圖1所示)。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，結(jié)合土倉掌子面的圍巖情況，洞身范圍全斷面為中風(fēng)化砂巖，灰白色，細(xì)－中粒結(jié)構(gòu)，中－厚層狀結(jié)構(gòu)，主要由石英、云母、長(zhǎng)石等組成，鈣質(zhì)膠結(jié)，砂巖抗壓強(qiáng)度為42～44 MPa，圍巖強(qiáng)度較好。地面以下1.8 m為強(qiáng)風(fēng)化帶，巖質(zhì)較軟，巖芯較完整，多呈短柱狀;其下為中風(fēng)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(gòu)卡機(jī)原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)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(shè)備原因。本工程采用的土壓平衡盾構(gòu)無擴(kuò)挖刀，在設(shè)備采購和后來的設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)中也未提出該問題。擴(kuò)挖刀的作用是當(dāng)外邊滾刀磨損到臨界值之前，通過擴(kuò)挖刀伸出一定長(zhǎng)度，把隧道直徑擴(kuò)挖到滿足新邊刀尺寸。當(dāng)盾構(gòu)邊刀磨損過大且無擴(kuò)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(duì)刀盤和刀具損壞情況進(jìn)行檢查，為盾體被卡死埋下禍根。

2)刀具磨損過大。盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)，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(xì)微偏差，就會(huì)造成盾體被卡。

3)管理原因。由于該設(shè)備無擴(kuò)挖刀，在施工中應(yīng)每天對(duì)刀盤和刀具損壞情況進(jìn)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(dāng)，施工人員并未每天對(duì)刀盤和刀具損壞情況進(jìn)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(gòu)脫困技術(shù)

盾體被圍巖卡死后，無法換刀，且無擴(kuò)挖刀，無法安裝新?lián)Q邊滾刀，采用強(qiáng)制脫困模式(即在盾尾加大外力小油缸增加推力)進(jìn)行脫困。到2011年2月24日，累計(jì)向前推進(jìn)至1 330mm，推進(jìn)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(gòu)機(jī)盡早脫困，采取爆破方法破除盾體上方圍巖，最終使盾構(gòu)機(jī)成功快速脫困。

事后對(duì)盾構(gòu)脫困技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為該方法存在一定的問題，盾體被卡死后，適當(dāng)加大外力小油缸增加推力強(qiáng)制脫困是可以的。如果仍無法使盾構(gòu)機(jī)脫困，不應(yīng)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(shí)應(yīng)通過爆破破除盾體上方圍巖使盾構(gòu)脫困，以保護(hù)鉸接裝置。

3.1 爆破施工技術(shù)方案

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

每個(gè)階段的具體施工工序流程為:施工準(zhǔn)備(爆破區(qū)刀具拆除、設(shè)備防護(hù)(特別要注意設(shè)備上的電器設(shè)備防護(hù))、人員及物資準(zhǔn)備)—開倉程序—鉆眼—裝藥—設(shè)備防護(hù)—通知地面人員進(jìn)行監(jiān)測(cè)及巡視—倉內(nèi)人員撤出—起爆—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及巡視結(jié)果反饋至主機(jī)室—通風(fēng)(氣體檢測(cè))—效果檢查—出碴—初期支護(hù)(噴混凝土支護(hù))—爆破參數(shù)優(yōu)化—進(jìn)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(jìn)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(gòu)機(jī)安全，在正式爆破前要進(jìn)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(gè)，孔間距為200mm，孔深800mm，裝藥量為200 g/孔，四周及中部設(shè)空孔。爆破結(jié)束后，根據(jù)爆破效果和地表監(jiān)測(cè)情況對(duì)裝藥量及爆破參數(shù)進(jìn)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(duì)刀盤造成損傷，采用直眼掏槽(見圖3)和進(jìn)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(dòng)刀盤，利用此次掏槽臨空面，同樣在刀盤開口位置進(jìn)行擴(kuò)大掏槽，方法同第1次。圖4為實(shí)際炮眼布置情況及爆破后的效果。

3.2.3 刀盤前部斷面擴(kuò)挖

掏槽成功后，利用掏槽形成的臨空面，由中間向兩側(cè)進(jìn)行工作洞的擴(kuò)挖，擴(kuò)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(duì)盾體造成損傷，距離盾構(gòu)外輪廓線上部預(yù)留400mm的保護(hù)層，并且保護(hù)層位置周邊孔采用弱松動(dòng)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(jì)反向爆破長(zhǎng)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(kuò)大

利用掏槽形成的臨空面，由中間向兩側(cè)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(gòu)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(kuò)大爆破完成后的效果Fig.7 Effect of enlarging blasting

3.4 設(shè)備技術(shù)改造

盾體被卡的主要原因是由盾構(gòu)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(yù)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(dǎo)致盾體被卡死的問題。

為保證整個(gè)刀具的開挖線性、刀箱的結(jié)構(gòu)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(shí)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(jī)通過的需求，經(jīng)研究采用角磨機(jī)對(duì)刀箱的楔面角度及刀具進(jìn)行調(diào)整。設(shè)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(gè)長(zhǎng)約10.6m、寬約1.7 m、高約1.7m的半圓環(huán)形空腔。當(dāng)爆破脫困、刀盤及刀具改造完畢、盾構(gòu)恢復(fù)正常掘進(jìn)后，為保證地面建筑物安全和控制地表沉降，對(duì)空腔進(jìn)行回填作業(yè)，以保證盾構(gòu)的施工安全。

4.1 注漿回填目的

1)通過及時(shí)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(jié)的漿液將作為盾構(gòu)管片的第1道防水屏障，增強(qiáng)隧道的防水能力。

3)為管片提供支撐點(diǎn)，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(gòu)脫困后掘進(jìn)姿態(tài)的控制，并能確保盾構(gòu)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(jìn)行空腔回填，即將盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)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(jìn)時(shí)通過盾尾同步注漿系統(tǒng)注漿)無法保證能夠填滿整個(gè)空腔洞室。為保證注漿效果，采用了“管片背部預(yù)埋注漿管”+“同步注漿”的方式進(jìn)行注漿，具體方法如下。

1)單液注漿。盾構(gòu)掘進(jìn)631～641環(huán)時(shí)應(yīng)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(bǔ)同步注漿的不足，應(yīng)及時(shí)封堵管片背后的管腔，使回填注漿的漿液不會(huì)竄入掌子面。盾構(gòu)通過空腔范圍且同步注漿結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)通過吊裝孔進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

3)預(yù)埋注漿管盾尾注漿。盾構(gòu)掘進(jìn)至631環(huán)并拼裝完該環(huán)管片后，暫停掘進(jìn)。將1根1.3 m的φ25 mm鋼管焊接在預(yù)先加工好的二次注漿頭上，并依次在629環(huán)L1塊和L2塊預(yù)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(fù)掘進(jìn)。依此類推，盾構(gòu)掘進(jìn)并拼裝完633環(huán)及635環(huán)管片后，都應(yīng)暫停掘進(jìn)，并分別在631環(huán)和633環(huán)管片上打孔且預(yù)埋注漿管。待盾構(gòu)掘進(jìn)通過空腔范圍后(641環(huán))，盾構(gòu)停機(jī)，將注漿管一端通過變接頭連接在管片上預(yù)留的二次注漿頭，另一端通過延長(zhǎng)管線及變接頭(變接頭焊接在外置注漿管)連接在盾尾預(yù)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(yù)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(shí)還可以用棉紗和海綿進(jìn)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(shí)漿液會(huì)順著盾殼外壁漏進(jìn)掌子面，遇到這種情況，應(yīng)降低注漿壓力而適當(dāng)增加土倉壓力。

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

5 盾構(gòu)防卡施工措施

5.1 選擇適當(dāng)?shù)氖┕し椒?/h3>

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

施工方法的選擇，應(yīng)先對(duì)盾構(gòu)施工方法的可行性提出初步意見，再由設(shè)計(jì)人員根據(jù)隧道其他條件就采用鉆爆法與盾構(gòu)法開挖進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全等方面進(jìn)行比較，從而選擇合適的施工方法。

5.2 選擇合適的機(jī)型

盾構(gòu)是專用性很強(qiáng)的工程機(jī)械，正確選擇盾構(gòu)機(jī)型是盾構(gòu)隧道施工順利的關(guān)鍵。盾構(gòu)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(gòu)機(jī)型最主要的因素。

各類盾構(gòu)都有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮盾構(gòu)的掘進(jìn)能力和增加有效掘進(jìn)時(shí)間，是選型中需要考慮的關(guān)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(gòu)，一般認(rèn)為全洞線80%的地質(zhì)條件適合的機(jī)型，是合適的機(jī)型，而對(duì)會(huì)滯緩掘進(jìn)速度、不適合盾構(gòu)施工的不良地質(zhì)洞段可以預(yù)先通過其他方法進(jìn)行處理。

5.3 施工中的防卡措施

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

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

2)針對(duì)軟巖大變形地段，為盾構(gòu)機(jī)配備擴(kuò)挖刀，可適當(dāng)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(yù)留足夠空間;同時(shí)，定期對(duì)刀盤情況進(jìn)行檢查，以免邊滾刀磨損超限。

6 結(jié)論與討論

1)在硬巖條件下，應(yīng)為盾構(gòu)配備擴(kuò)挖刀。當(dāng)外邊滾刀磨損到臨界值時(shí)，可以通過擴(kuò)挖刀伸出一定長(zhǎng)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(gòu)邊刀磨損過大使開挖直徑變小造成盾體被卡。

2)盾構(gòu)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(shí)更換，則會(huì)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(jìn)時(shí)，當(dāng)邊刀磨損5～8 mm后，盾構(gòu)會(huì)出現(xiàn)卡盾和轉(zhuǎn)向困難的趨勢(shì)［8］。應(yīng)加強(qiáng)施工管理，每天對(duì)刀盤和刀具進(jìn)行檢查，以免邊滾刀磨損超限造成卡盾現(xiàn)象。

3)盾構(gòu)在石英含量較高的砂巖地層掘進(jìn)時(shí)，由于這種巖層的強(qiáng)度一般都超過40 MPa，對(duì)刀具會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。而在硬巖中，刀盤設(shè)計(jì)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，從而保證了刀盤體結(jié)構(gòu)在極端情況下發(fā)生局部磨損時(shí)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(dāng)加大外力小油缸增加推力強(qiáng)制脫困。如果無法使盾構(gòu)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(shí)可以通過爆破破除盾體上方圍巖使盾構(gòu)脫困以保護(hù)鉸接裝置。本文盾構(gòu)脫困采取的方法導(dǎo)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(gè)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(duì)爆破形成的半圓環(huán)形空腔進(jìn)行注漿回填，從而也保證了盾構(gòu)的施工安全。

6)目前在國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間停滯后脫困施工技術(shù)還沒有形成系統(tǒng)的施工技術(shù)方法，對(duì)于在復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)停滯后脫困恢復(fù)掘進(jìn)施工仍是盾構(gòu)施工的一大難題。

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