摘要：本文主要针对四号线南延段左线土压平衡盾构机被困原因分析、脱困过程总结，提出在硬岩地层中小曲线段施工盾构机脱困的有效处理方法和预防措施。
关键词：广州地铁 盾构掘进 铰接 盾尾脱困 硬岩
1工程概况
1.1 工程概况
【资讯园站～中间风井】左线长1121.441m，右线长1143.571m，采用两台土压平衡盾构机分别施工。最小曲线半径为350m，线路纵断面为V形坡，最大纵坡为21‰，区间隧道埋深9.9-17.4m。
1.2 工程地质水文情况
小盾构区间地层主要为<1>人工填土层、<2-1A>淤泥层、<2-1B>淤泥质土层、<2-2>淤泥质粉细砂层、<2-3>中粗砂层、<2-4>沉积黏性土层、<3-1>粉细砂层、<3-2>中粗砂层、<4N-2>可塑状黏性土层、<4N-3>硬塑状黏性土层、<5H-2>硬塑状砂质黏性土、<6H>混合花岗岩全风化带、<7H>混合花岗岩强风化带、<8H>混合花岗岩中风化带、<9H>混合花岗岩微风化带。
广州市轨道交通四号线南延段工程所在区域局部水系发育，线路经过河涌均属珠江水系，汇入近珠江入海口，径流水量年内分配不均匀，汛期为4～9月，流量占全年径流量的80%～85%，最大月径流量一般出现在5月份或6月份。
1.3 盾构机脱困段地层情况
根据详勘资料显示，左线盾构脱困段地层460-480环地层情况上部主要为 <5H-2>残积粘性土，下部为<6H>全风化花岗岩。但从472环开始，掘进过程中渣土含石块较多，掘进速度较慢。
1.4 盾构机设备情况
小盾构区间左线隧道施工使用的盾构机为海瑞克S261土压平衡盾构，该台盾构机为原广州地铁四号线小新盾构区间使用，盾尾设计为4道尾刷形式，盾尾长度设计较长，且未配置超挖刀，盾构机铰接形式为被动式铰接。
2、左线盾构机被困情况简述
2015年7月18日盾构机被困，无法继续正常推进。经过采取多种措施终于在9月9日实现脱困成功，处理过程见表1：
3、左线S261盾构机被困前掘进参数情况
从470环开始掘进参数异常，推力逐渐增大，铰接压力逐渐增大，水平姿态+12/+10到+9/-5，水平趋势从0.4mm/m到3.0mm/m，水平趋势逐渐增大，盾构机出现较大转向，水平姿态和垂直姿态变差，直到476环盾尾完全被卡住无法推进。
4、左线S261盾构机盾尾被卡的原因分析
4.1盾构机盾尾长度过长
根据左线盾构机掘进476环掘进参数情况分析，本次盾构机被困主要为盾构机在曲线段进入全断面硬岩地层，盾尾被卡造成。左线盾构施工采用海瑞克盾构机S261，设计转弯半径为300米，未配备超挖刀，铰接形式为被动式。同时S261盾构机盾尾设计长度为4025mm，而右线盾尾设计长度为3585mm，左线比右线盾构机S460盾尾长约500mm。
4.2盾构机穿越地层与详勘报告差别较大
左线S261盾构机掘进472环开始渣土中逐渐出现较多碎岩块。S261盾构机全长8.66米，盾构机已经全部位于岩层中。根据8月3日掘进477环时开仓检查情况，掌子面为全断面岩层，尤其以上半部岩层完整性较好，下半部较为破碎，初步判断该地层介于强风化与中风化地层。而根据详勘报告显示，该段区间隧道断面穿越地层为<5H-2>残积土层和<6H>全风化花岗岩层，与实际地质情况差别较大，且盾构施工前地质补勘时，在该处无钻孔补勘。盾构掘进到该段地层时，未仔细认真对掘进出渣进行渣样分析，未能及时判断实际地层情况。
4.3盾构机姿态控制不佳
左线盾构机在476环掘进时，进入全断面硬岩地层，且位于曲线半径R=350圆曲线上。476环推进过程中，由于盾尾被卡，将铰接油缸更换为刚性拉杆，由于拉杆长度不一致引起受力不均，拉杆多次断裂造成盾构机偏转较大，水平偏差从+2/+16增大到+37/-4，水平趋势从3.0增大到8.72，从趋势变化值分析，盾构机轴线与线路中心夹角不断增大，盾尾壳体与围岩的间隙会变小，476环管片拆除后发现475环管片4点位置已经几乎贴到盾尾加强钢环上，10点位置间隙较大（60mm），盾尾被内部管片与外部岩层双重卡死。
4.4 盾构机开挖直径不足
左线S261盾构机未配置超挖刀，进入全断面花岗岩地层因为刀具磨损造成开挖直径变小，盾尾壳体外侧在曲线段前进受到围岩的挤压阻力，同时盾尾壳体内侧受到管片的挤压阻力，造成盾构机盾尾被卡。
4.5盾尾盾壳发生椭变
经过对盾尾实测，发现盾尾已经发生椭变。6点和12点方向盾壳均向内侧径向收缩2～3cm，3点和9点方向盾壳向外侧径向扩大2～3cm。由于盾构机开挖直径为6.28米，盾尾设计外径为6.23米，即盾尾外侧理论有2.5cm间隙。但根据盾尾实测数据显示，3点和9点方向盾尾外侧与开挖直径一致，无富余空间，导致盾尾与外部岩层摩擦力进一步加大。
5、左线S261盾构机盾尾脱困采取的主要措施
左线S261被困以来，施工单位多次组织内部专家讨论并请组织专家会，请广州地区有经验的盾构施工专家提出建议，采取措施如下：
4.1开仓更换边缘滚刀，确保开挖直径
8月3日通过进仓对刀具磨损情况进行检查，发现边滚刀磨损量为2～3mm，磨损量并不大。更换7把边缘滚刀，分别为33#、34#、35#、36#、37#、38#、39#。并对36#、37#、38#、39#刀座增加1cm厚钢垫板，将开挖直径由原先6280mm增大为6300mm。
图9 左线477环开仓刀具情况 图10 更换边缘滚刀
4.2将铰接油缸更换为拉杆，保证盾尾刚性连接
采用刚性拉杆替换相应行程的铰接油缸，确保对盾尾提供足够拉力。最早拆除2#、4#、10#、13#铰接油缸，加设4根刚性拉杆，当总推力达到2700t时，4根拉杆接连出现断裂及销子变形现象，但盾尾未被拖动。之后将14根铰接油缸全部更换为刚性拉杆，并采用U型钢板对铰接耳朵进行固定，防止变形。推进过程中，拉杆及销子均出现不同程度变形及断裂，并进行及时更换。
4.3增加辅助油缸加大推力
为保证盾构机有足够的脱困推力，增设千斤顶作为辅助油缸，共增加16组千斤顶均与分布在盾体圆周上。千斤顶设置方式如下：2台400t千斤顶置于左右两侧防扭装置处，其余14台200T千斤顶分别置于铰接油缸支座处。辅助油缸有效推力最大可增加至3500T，根据推进情况适当调整油压，防止盾构机抬头。另外增加两个100T铰接油缸替换原来左右侧位置铰接油缸，用来增加盾构机铰接油缸所受的压力，对盾构机自身铰接油缸起到保护作用。
4.4调整管片宽度有利于曲线段调向
由于S261盾尾较长，且线路曲线半径较小。经与业主及设计沟通，同意采用宽度为1.2米的小管片，有利于小半径曲线调向。
4.5降低土仓压力，保证有效推力达到最大
根据地质情况适当降低土仓压力，或在确保掌子面全断面岩层稳定的情况下常压掘进，确保推进油缸产生最大有效推力，脱困阶段土仓压力建立在0.5～0.7bar区间，地表监测情况比较稳定。
4.6采取有效措施减少盾尾摩擦力
通过在盾尾壳体上钻孔，向盾体外周注入膨润土或废油作为润滑剂，减小盾尾前进过程中的摩擦阻力。采用风镐、平板振动器等振动设备对盾尾进行敲打振动，以达到盾壳与周边岩体脱离的目的，有利于盾尾脱困。
4.7盾构机外侧打排孔，松动岩体
根据实测盾构机姿态，在地面准确位置放出盾构机平面位置，紧贴盾构机两侧采用φ150mm潜孔钻机地表打孔，钻孔至盾构机底部埋深（21米）。使用潜孔钻破碎包裹在盾构机两侧岩层，减小盾体在岩层中包裹力，条件允许时可以采取爆破法对岩体进行松动。
在盾构机左右两侧及中心位置钻孔，尾盾和中盾左右两侧钻3排孔，中心位置钻1排空，受左侧管线影响，管片位置未进行钻孔。在钻孔施工完毕后通过钻孔向盾构机壳体两侧灌注膨润土，进一步起到润滑减摩阻力的作用。
6、左线盾构机脱困掘进参数情况
从表中可以看出，476环开始盾构机被卡，推力逐渐增大，477环停机采取脱困措施，脱困推进478环时总推力最大达到5300T，随后推力逐渐减小，直到推进481环时掘进参数恢复正常，盾构机顺利完成脱困。
6、结束语
（1）根据本标段盾构脱困经验，全断面硬岩小曲线掘进时，在进入全断面岩层过程中，提前开仓检查刀具，更换刀具增大开挖直径，对超挖刀进行检修，保证在进入全断面岩层中盾构机刀盘开挖直径。
（2）在全断面硬岩中小曲线施工，盾构选型时优先选用主动铰接的盾构机，保证盾构机转弯能力，盾尾设计尽量短些，刀具配置要合理，并需配置超挖刀。
（3）在进入全断面硬岩小曲线段掘进，匀速调整好盾构机姿态，尽量保证盾构机位于小曲线半径内侧掘进，保证盾构机轴线与线路中心线方向一致。如果控制不当，急纠猛纠，会造成铰接过大，盾体外周与岩体产生很大的摩擦力，盾体内周也会与管片产生很大的作用力，甚至会挤碎管片。
（4）通过采取钻孔或爆破方法松动盾体周边岩层可有效实现盾构机脱困，可使用物探等方法对盾体周围岩层进行探明，制定有效的措施。
（5）在增加辅助油缸时，保证足够的外加辅助推力，并合理选择布置，保证辅助千斤顶推力保持均匀。
（6）小曲线掘进采用1.2m管片相比1.5m管片盾构线型更好控制。
（7）盾构掘进过程中，严格认真进行掘进掘进渣样分析，当出渣情况与地质情况不符时，及时进行分析，查明地质情况后，采取相应措施进行盾构掘进。
参考文献：
[1]竺维彬 黄威然.超额总推力作用下盾构机停滞原因分析及对策.广州.现代隧道技术，2007年增刊：274～278.
[2]李辉 刘银涛.土压平衡盾构脱困技术及经验教训.隧道建设，2014年4月：240～244.
[3]杜闯东 黎峰 薛景沛.盾构到达端头遇断层水平加固与盾构机脱困技术.广州.现代隧道技术，2008年增刊：378-381.
[4]祝超.土压平衡盾构脱困技术探讨.工程技术，2013年9月：186.
论文作者:刘振华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/2
标签：盾构论文; 管片论文; 地层论文; 岩层论文; 推力论文; 断面论文; 情况论文; 《基层建设》2019年第15期论文;