全断面硬岩地层盾构卡机原因分析与脱困措施

李丰果

（1.中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001）

GIL（气体绝缘线路，gas insulated line）电力管廊、水电站输水隧道、核电工程海底排水隧洞、城市地铁等领域施工常采用盾构掘进修建。苏通GIL综合管廊长江隧道工程是全球首次将大直径盾构应用于GIL电力越江管廊的工程。我国的盾构机设备制造业发展迅速，根据盾构区间工程地质和周边环境条件，开展了盾构适应性分析论证、盾构针对性设计联络等工作，使盾构机的适应性和针对性更强。区间包含软土、上软下硬、全断面硬岩地层的，过去一般采用土压平衡盾构机掘进，近年常采用双模盾构、三模盾构，在进入全断面硬岩后可转换为TBM（掘进机，tunnel boring machine）模式，以此提高硬岩地层掘进效率，在全断面硬岩即将结束时转换为土压模式。

广州某地下区间全断面硬岩盾构“卡壳”后[1]，采用了爆破清除前盾180°上部岩石后脱困。重庆某区间全断面为中风化砂岩，呈灰白色，换刀1环后掘进参数异常，推力不断增加、刀盘扭矩逐渐减小、铰接无法收回[2]，判断为盾体被围岩卡死，围岩抗压强度为43MPa，采用爆破方法破除盾体上方围岩使盾构脱困；后期采用抬高刀具（保径刀）增大开挖直径的方法解决边滚刀磨损超限造成盾体被卡问题。文献[3]结合重庆全断面硬岩地层盾构卡机的案例，分析了卡机原因，制订了针对性措施。TBM 在施工时，由于地质因素导致盾构被卡，文献[4]至文献[6]提出了相应的解决措施和注意事项。

本文系统总结了全断面硬岩地层盾构卡机原因，根据不同的卡机情况，分析提出了有针对性的脱困措施。

1 全断面硬岩地层盾构卡机原因分析

全断面硬岩地层盾构卡机原因主要包括设备原因、地质条件原因和施工原因。

1.1 设备原因

盾构机刀盘开挖断面直径与前盾直径的差值必须大于设计值，例如：∅6280mm 盾构机前盾壳直径为∅6250mm，中盾及盾尾直径∅6240mm，开挖半径理论上必须大于前盾半径一定值，中体较前盾半径小，盾尾较中体半径小。

盾构机总推力设计过小、脱困扭矩设计过小、开挖直径与盾壳间隙过小、刀盘刚度不够、被动铰接拉力偏小等问题均易导致盾构机在硬岩地层被卡，将不利于脱困。盾尾圆度失真，易造成导致盾尾与管片间甚至开挖地层之间的摩擦力大大增加。

1.2 地质条件原因

地质条件是施工管理的基础，岩层收敛、坍落、破碎带均有可能导致盾构被困。例如：对于大块状破碎岩体，盾构姿态难以控制，姿态偏差较大时，易造成卡机事故。掌子面岩石差异较大时（上软下硬、左软右硬等），也易造成姿态恶化而卡机，如灰岩地层空洞回填材料强度低，易造成盾构姿态快速恶化。对于全断面高强度硬岩地层，主要是保径刀磨损导致开挖直径变小或姿态较差而卡机。

1.3 施工原因

基于对实际工程的调研情况，导致全断面硬岩地层盾构卡机的施工原因主要包括四个方面，分述如下：

（1）盾体被抱死而卡机。同步注浆管理，注浆压力、盾尾密封压力、土仓压力关系非常密切，注浆压力过高，可能导致浆液通过被磨损或脱落的止浆板填充到盾壳与地层之间，甚至到达前方土仓。若长时间停工，浆液在盾体与地层间隙充填凝固，则导致盾构将浆液抱死；

（2）开挖直径不够而卡机。因刀具管理不到位，导致边滚刀、保径刀磨损超限，使开挖直径小于设定最小值。尤其在小半径平曲线地段，因超挖量不够，盾构体（圆柱体）在理论曲面空间上都难以放置，更易被卡；

（3）姿态恶化而卡机。姿态控制不好，前方地质或线路设计曲线发生变化时，经验不够丰富的主司机不能在短时间内通过前方较差地质段，做不到及时调整掘进参数，导致盾构姿态突变或频繁变化。转弯半径是一定的，当盾构机姿态突变，调向值超出最大允许值时，会出现卡机现象；盾构掘进过程在短时间内频繁左右或上下调向，无形中减小了隧道的开挖直径，也会增加被困的概率。盾构机铰接角度过大，易导致盾体被憋死而卡机的问题；

（4）管片使用不当而卡机。管片事先排好版，尽量保证盾构姿态、管片姿态、设计轴线相吻合，但随着盾构机姿态变化，要做适当优化与调整，使通用环与转弯环匹配使用。若管片配置不当，会导致盾尾间隙过小，掘进姿态更难控制。管片拼装质量的好坏直接影响推进油缸的有效推力，应保证管片拼装质量，避免造成推力的浪费等。总之，管片选择不当与拼装质量做不好，都会造成管片开裂等质量问题，严重时可能导致卡机。

2 卡机脱困处理措施

卡机脱困处理措施主要包括利用铰接、采用辅助油缸增大推力、刀盘前开挖作业洞室及盾壳外密排钻孔、刀盘前开挖作业洞室及盾壳外开挖等。

2.1 利用铰接

因盾尾与管片间姿态较差而轻微卡机时，防止增加总推力而损坏铰接油缸，被动铰接盾构采用拉杆或钢板代替铰接油缸，加大推力将盾尾拖动；主动铰接盾构采用微小左右摆尾并加大主推力的方式将盾尾拖动。在盾壳与地层之间注入触变泥浆等低强度且有润滑作用的物质，以此减小盾壳与地层之间的摩擦力。顺利脱困后，及时恢复铰接油缸。

2.2 采用辅助油缸增大推力

盾尾被卡较严重或超挖刀磨损不严重前盾被卡时，若盾构机推力增至最大时仍无法脱困，可增加额外的推力来助推，即增辅助油缸。在盾尾增加外力油缸，增加推力且辅助油缸同时顶进的工况下脱困，但辅助油缸要考虑管片最大承受能力（盾构推进油缸推力+辅助油缸推力）。刚开始可只增加两根辅助油缸，安装在5点位、7点位附近（根据盾构机姿态与卡机原因分析适当调整）；若仍无法脱困，在3 点位、9 点位附近再增加两根辅助油缸。增加辅助油缸前，对铰接部位焊钢板替代油缸，以此保护铰接油缸。

2.3 刀盘前开挖作业洞室及盾壳外密排钻孔

因保径刀磨损较严重，开挖直径略小于前盾直径时，采用外置油缸无法脱困。经分析，采用爆破方法，在刀盘前方、上方开挖作业空间，反向沿盾壳密排钻孔，如图1所示。必要时在排孔内装微量炸药爆破。复推时在盾壳外注入优质触变泥浆减阻。

2.4 刀盘前开挖作业洞室及盾壳外开挖

因保径刀磨损严重导致卡机非常严重，而采用盾体上半部密排钻孔仍无法脱困时，采用爆破方法，在刀盘前、上方开挖作业空间，反向沿盾过壳（180°范围）爆破开挖岩石，将盾壳与岩层紧密摩擦的范围开挖形成临空面，如图2所示。

爆破作业时控制好最大一段装药量，同时做好爆破震速监测，保护好爆破点附近的建（构）筑物及相邻在建隧道。盾壳周围打斜孔，减小冲击力，以此保护盾构机。若地层破碎富水，开挖后做必要的支护（锚、网、拱架、喷混凝土等），以此确保施工安全。爆破作业完成后，清理作业空间的钻杆、钻头、工具等杂物，避免盾构复推后遗留物对刀具损坏或卡螺机。

拱部密排钻孔或爆破开挖可以直接解除，或者大幅减小盾壳与地层的摩擦力，盾构机脱困后要慢速掘进，因上部临空对盾构机无约束，需要严控姿态，避免盾构“抬头”掘进。同时，及时对拖出盾尾的管片背空腔注砂浆充填密实，避免管片大幅上浮或地表塌陷等问题的发生。

3 结语

盾构机卡机后，不能盲目脱困，要找出盾构卡机原因，再确定脱困方案。本文在总结全断面硬岩地层盾构卡机原因的基础上，分析了卡机脱困处理措施，得到以下结论：①全断面硬岩地层盾构掘进，确保开挖直径是关键，尤其要严控边滚刀或保径刀磨损量；②全断面硬岩地层盾尾被卡，可以采用后置辅助油缸加大推力的方式脱困；③全断面硬岩地层因开挖直径不够导致卡机，采用开挖扩大洞径脱困是最可靠的脱困措施；④爆破作业空间及反向爆破开挖时，一定要严控钻眼质量及装药量，以此保护盾构机。