关键词：砂卵石地层；刀盘脱困技术；盾构法施工
0引言
近年来，我国多个城市均开始大力建设地铁工程，以方便居民出行，提高城市交通运输能力。为了提高城市地下空间施工效率，采用盾构法施工具有较强的可靠性、环保性，能够保障工程按期完成。但由于各个城市地层结构与地理环境不同，当遭遇大卵石、强透水等地层时，盾构机容易受到施工环境的影响导致刀盘卡死，在短时间内难以脱困，严重影响施工进度与施工成本。为了降低盾构机刀盘卡死对工程带来的影响，在砂卵石地层施工过程中应做好预案，一旦出现刀盘卡死的情况，应迅速采取相应的刀盘脱困技术，确保盾构施工顺利完成。因此，对盾构刀盘卡死的原因进行分析，明确刀盘脱困技术的应用方法具有较高的现实意义。基于此，本文以盾构刀盘脱困技术为主要内容，对其在工程中的具体应用进行以下研究。
1 盾构刀盘脱困技术概述
1.1盾构刀盘脱困技术
盾构刀盘脱困技术即在盾构施工过程中刀盘的扭矩过大出现卡顿、卡停、卡死等情况时，采取相应的技术方法帮助刀盘脱困，只有盾构机在刀盘脱困才可继续掘进作业。由于工程环境复杂，大刀盘被地层困住的情况不一，所采取的刀盘脱困技术通常有着强烈的针对性。盾构刀盘脱困技术并非单一技术，而是在隧道工程施工经验的基础上，所总结出来的帮助刀盘脱困的综合性方法[1]。
1.2盾构刀盘脱困技术的重要性
对于地铁隧道开挖来说，盾构机为主要的施工设备，刀盘作为设备的关键组件，一旦刀盘陷入困境，会严重影响施工进度，引发技术难题，严重甚至会损坏刀盘，增加施工成本[2]。因此，总结盾构刀盘脱困经验，明确其中的技术与方法，对防止设备损坏能够起到重要作用。由于地下施工环境十分复杂，在盾构机掘进过程中势必会遭遇种种难题，根据地质环境对可能会出现的问题进行预测，提前准备相关技术与方法，能够确保工程的顺利实施。
2 盾构砂卵石地层施工刀盘卡死原因分析
2.1 砂卵石地层特点
在隧道工程中，应针对地质环境的不同针对性选择盾构机。砂卵石地层主要由卵石、岩石碎屑、石英、长石等成分，具有孔隙性大、压缩性低、透水性强、卵石抗压强度大等特点[3]。卵石在地层中分布松散，大小不均匀，在盾构机掘进的时对刀盘摩阻力较大，长时间掘进容易出现刀具磨损、断裂，甚至会受到砂卵石的影响，刀盘卡停、卡死，掘进较为困难。
2.2 刀盘卡死原因
刀盘卡死指的是在盾构机掘进过程中，由于刀盘扭矩增大导致刀盘出现仅能够在一定范围内转动或无法转动的情况，无法继续正常作业。盾构砂卵石地层施工过程中，刀盘卡死的原因较为复杂，较为常见的有地层塌陷、卵石沉积、大粒径卵石含量较高、刀盘磨损超限等，具体分析如下。
2.2.1 地层塌陷
砂卵石地层孔隙性较大，较为松软，卵石分布较为松散，因此机械式盾构机在掘进的过程中，容易在高压水的作用下产生地层坍塌，刀盘受到地层坍塌的影响出现卡顿，此时如果地面继续沉降，砂卵石向下变得非常压实，还在持续转动的刀盘将会受到的摩擦力在短时间内大幅度提升，进而导致刀盘停止转动，出现卡死现象。
2.2.2 卵石沉积
在隧道工程建设过程中，如果受到雨天等因素的影响，盾构机长时间停止作业，大量的地下水汇集到土仓内部，仓内渣土未能够及时清理，导致渣土失效，卵石沉积或堆积，十分密集[4]。此时汇集在一处的卵石结构硬度较高，在沉积作用下越加稳定，机械式盾构机刀盘不足以破坏卵石结构，刀盘磨损超限，进而导致刀盘卡死。
2.2.3 大粒径卵石含量高
砂卵石地层结构十分复杂，隧道工程通常跨越较大，在几公里、甚至几十公里的地下范围内，卵石含量、卵石粒径情况始终处于变化当中。因此，在施工过程中，一旦出现某一处大粒径卵石含量增加，在掘进过程中未能够得到及时处理，则大粒径卵石会严重增加刀具的磨损和刀盘旋转扭矩，堆积土仓，进而导致刀盘卡死。
2.2.4 螺机喷涌
在富水砂卵石地层，掘进参数控制不到位，极易造成螺旋机喷涌。相比轴式螺旋机而言，带式螺旋机虽然出渣粒径大，但在地下水压高、水量大时，渣土改良不到位时容易造成喷涌，螺旋机发生喷涌时，水会带走土仓中大量细颗粒后卵石沉仓，增大了刀盘转动扭矩，进而导致卡死刀盘，再次启动困难。
2.2.5 地面沉降处理不当
在砂卵石地层掘进，由于地层自稳性差、刀盘旋转扭矩大对地层扰动大、土仓土压波动大等特点，使得地面沉降控制变得异常艰难，在出现地面沉降时应启动应急措施，通常是对沉降区进行注浆或回灌混凝土，如对地面沉降处理方法和参数控制不当，很容易导致浆液和混凝土流入刀盘，进而导致卡死刀盘，复推时启动困难。
2.2.6 参数设置不合理
管片拼装模式下推进油缸压力设置过大，导致管片拼装过程中油缸的伸出将盾体前移，此时刀盘未达到最低转速，然而由于盾体前移使刀盘有一个很大的贯入度，最终导致刀盘卡死，再次启动困难。
3 盾构砂卵石地层施工中刀盘脱困技术的应用方法
3.1 盾构刀盘脱困技术的应用
盾构刀盘卡死之后，应迅速分析卡死原因，采取针对性的刀盘脱困技术，具体方法如下：
1.可向土仓掌子面注入泡沫，改善渣土的流动性，减小对刀盘造成的摩擦力，积极为刀盘脱困创造有利条件。如果在注入泡沫之后仍旧出现刀盘卡顿、卡停等现象，应继续采取土仓渣土排出的策略，进一步减小刀盘受到的阻力[5]。在该过程中应注意扰动次数，如果多次反复扰动则容易导致掌子面坍塌，不仅无法解决刀盘卡死问题，反而为施工带来严重阻碍。
2.可调整盾构机刀盘驱动液压系统的模式，从掘进模式转变为脱困模式，提高刀盘承扭矩能力，为刀盘脱困创造主动条件。而后进行排渣，再次尝试刀盘转动，尝试对地面进行探孔并及时回填，防止松散的地层增加刀盘转动摩擦力，等待混凝土初凝，并向土仓内部注入膨润土。
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3.可采用土仓内部加压与盾尾铰接收缩的方法，用膨润土填充土仓内部的空洞之后，压缩空气来增到盾构掘进阻力，从而使盾构机向后倒退，以减小刀盘的贯入度，进而降低刀盘与土体之间的摩擦与接触，使刀盘脱困。
4.可采用惰性砂浆，将土仓内沉积的卵石置换出来，进而减少大粒径卵石结构对盾构刀盘带来的摩擦力，达到刀盘脱困的目的。
5.可针对盾构机刀盘面板，注入膨润土，使得土体与刀盘接触的空气中全部填满膨润土，尝试转动刀盘，用膨润土来达到润滑效果，帮助刀盘脱困[6]。
由于在实际隧道过程中地质环境十分复杂，刀盘卡死受到多种因素的影响，可针对刀盘卡死的情况选择以上一种或多种技术方法，及时帮助刀盘脱困，恢复正常掘进。
3.2 盾构刀盘卡死的预防措施
从以上盾构刀盘脱困技术方法可以看出，一旦出现刀盘卡死势必会严重影响工程进度，不论是哪种脱困方法均有着损坏设备、地层塌陷等风险。因此，为了防止出现刀盘卡死的情况，在施工过程中应采取适当的预防措施，尤其是在地质环境较为复杂、土质条件较差的情况下，应注重降低盾构机掘进期间刀盘受到的摩擦力。具体预防措施如下：
1. 盾构机选型时需提高刀盘主驱动的储备功率，以增大刀盘的额定扭矩，从而降低刀盘卡死的概率；
2.及时置换土仓渣土，尤其是在砂卵石地层施工情况下，及时将卵石渣土置换成膨润土，降低渣土中的卵石含量以及对刀盘造成的摩擦力；
3.注意控制推力，尤其是刀盘对掌子面的压力，防止出现地层塌陷；
4.当盾构机长期停止作业时，应向刀盘面板注入泡沫，防止卵石沉积导致刀盘卡死；
5.如果土仓中地下水过多，应注重排水，及时打降水井，降低水位，防止水流带走细沙，影响掘进土体的土质；
6.由于砂卵石地层较为松散，应适当采取加固防范措施，隔离地层对刀盘周边的摩擦阻力，防止出现坍塌；
7.应加强关注刀盘开口处的漂石情况，定期对漂石进行处理，防止刀盘受到的摩擦阻力增加，以至于刀盘过度磨损或卡死；
8.加强注意掘进区土体大粒径卵石含量，适当注入细颗粒，提高渣土细颗粒含量，提高流动性；
在施工过程中，针对砂卵石地层的具体情况，及时采取以上防范措施，将盾构机刀盘卡死防患于未然。
4 盾构砂卵石地层施工工程中刀盘脱困技术的应用实例
目前，我国成都、北京、兰州等地区砂卵石地层盾构法施工不在少数，而砂卵石地层盾构刀盘卡死的案例数量不断增加。为了进一步探究盾构砂卵石地层施工中刀盘脱困方法，结合案例以及实践经验，能够更好地掌握其中的关键技术。
4.1成都地铁17号线工程
成都地铁17号线工程在采用Φ8650大直径土压平衡盾构机掘进的过程中，遭遇了刀盘卡死的难题。由于砂卵石对刀盘造成的摩擦阻力过大，导致刀盘卡死，无法继续掘进。针对这一现象，采取了盾构刀盘脱困技术，通过膨润土土仓置换、土仓加泡沫降摩擦系数、铰接回收、出渣清仓、人工清仓等多种综合措施，最终达到刀盘脱困目的。
4.2 兰州轨道1号线工程
兰州轨道1号线工程并非全程均为砂卵石地层，但施工过程中穿越砂卵石地层时受到了阻碍，刀盘卡死。工程技术人员面临刀盘卡死的情况，将系统模式调整为脱困模式，却未能成功将刀盘再次转动。为了帮助刀盘脱困，对掌子面进行加固后，开仓人工清理沉积卵石后刀盘脱困。在之后的施工中又遭遇大粒径卵石地层，盾构刀盘再次卡死，在尝试系统脱困未成功后，土仓内部水量增加，打设降水井后，采用围护桩加固的方法，清理掌子面卵石，顺利使得刀盘脱困。
4.3北京地铁9号线工程
北京地铁9号线工程工程在建设的过程中，遭遇了多次盾构刀盘卡死。为了解决该问题，工程人员“通过增大土仓膨润土压力致使盾体后移、拆除刮刀降扭矩、铰接回收后移盾构机以及清理土仓大粒径卵石等措施帮助脱困” [8]， 通过上诉方法并启用盾构机刀盘极限脱困扭矩进行刀盘正/反转，最终刀盘脱困成功。
5 结论
通过对盾构刀盘卡死的原因以及刀盘脱困技术进行分析，结合成都地铁17号线工程、兰州轨道1号线工程、北京地铁9号线工程等案例，可以看出我国在盾构刀盘脱困技术的应用方面已经有了较为丰富的经验，能够克服砂卵石地层施工的难关。在地铁隧道工程建设过程中，应针对地质环境及时完善盾构刀盘卡死预防方案以及盾构刀盘脱困方案，对可能会出现的刀盘卡死现象进行预判，提前做好充分的准备，尽量减少盾构刀盘卡顿对施工进度带来的负面影响。现有的刀盘脱困技术应用经验，可为类似砂卵石隧道工程盾构快速安全掘进提供建议，但由于刀盘卡死现象在砂卵石地层施工中出现的概率较高，该方面的研究资料数量相对较少，有关刀盘脱困技术的应用方法还有待各位专家、工程技术人员的进一步探索。
参考文献
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[6]林存刚,吴世明,张忠苗,刘冠水,杜英,胡敏华.粉砂地层泥水盾构刀盘脱困工程实例分析[J].岩石力学与工程学报,2013,32(S1):2897-2906.
[7]何贤剑. 盾构刀盘及其液压驱动系统关键技术研究[D].华东交通大学,2011.
[8]商啸旻, 李文峰, 王良. 地铁复合地层盾构机脱困技术[J]. 建筑技术, 2014, 45(9):792-795.
论文作者:刘清华
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年5卷12期
论文发表时间:2019/11/18
标签：盾构论文; 卵石论文; 地层论文; 技术论文; 工程论文; 粒径论文; 过程中论文; 《工程管理前沿》2019年5卷12期论文;