土压平衡盾构脱困技术及经验教训
摘要: 为解决土压平衡盾构通过硬岩地层时被卡死的难题，以重庆地铁 6 号线土压平衡盾构施工为例，施工中采取以下脱困措施:1) 采用爆破方法破除盾体上方围岩使盾构脱困; 2) 采用抬高刀具和增大开挖直径的方法解决边滚刀磨损超限造成盾体被卡的问题; 3) 爆破脱困后，对爆破形成的空腔进行注浆回填，保证盾构施工安全。针对盾构卡机问题，提出以下防卡措施: 1) 盾构在硬岩条件下施工，给盾构机配备扩挖刀; 2) 定期对刀盘情况进行检查。
关键词: 土压平衡盾构; 盾构卡机; 脱困技术; 爆破施工; 注浆
0 引言
盾构( TBM) 是目前国际上最先进的隧道施工机械，其依靠机械的强大推力和剪切力破碎岩石，使隧道掘进、出碴、衬砌、灌浆等工序平行作业，实现一次成洞。由于国内对盾构的研究不够深入，在盾构施工过程中还有很多不尽人意的地方，像卡机就是影响和约束盾构施工的一个重要因素［1］。针对盾构通过硬岩地层被卡，采取何种脱困措施，国内已有一些相关研究。文献［2 －5］详细介绍了盾构穿越断层破碎带和膨胀性围岩时，由于地应力过大和软弱围岩塑性收敛变形过快等因素造成卡机，提出了加强超前地质预报、改变TBM 施工参数、人工扩挖、超高压换步和化学灌浆加固等措施解决盾构卡机; 文献［6］介绍了不良地质条件下双护盾TBM 卡机的类型，提出了5 种卡机脱困措施; 文献［7］从设备选择、地质条件和施工现场操作方面分析了卡机发生的原因，提出了化学灌浆和小导洞开挖的脱困措施。
上述文献中盾构卡机的原因大都是因地质破碎、疏松或地应力太大造成掌子面塌方或围岩变形过快使刀盘被卡，且都是山岭隧道。目前还未有相关文献对由于盾构没有扩挖刀，边滚刀磨损超限和更换不及时，从而导致开挖直径变小以至于盾体被卡的原因进行研究，也鲜有采用爆破使盾构脱困的技术方法。本文以重庆地铁6 号线土压平衡盾构施工为例，分析盾构在硬岩中卡机的原因，阐述采用爆破方法使盾构脱困的技术。
1 工程概况
重庆轨道交通6 号线2 期土压平衡盾构试验段曹蔡区间右线，采用中铁19 号盾构机掘进。盾构掘进至627 环( YDK42 + 493．826) 后，推力逐渐增大、刀盘扭矩逐渐减小，随后开仓更换刀具。2011 年2 月12 日更换刀具后，对628 环进行掘进。开始掘进后，掘进参数出现异常，推力不断增加、刀盘扭矩逐渐减小、盾尾铰接无法收回。开仓进行检查，发现前体切口环位置与周边岩面密贴，判断为盾体被围岩卡死。
盾构被围岩卡死里程为YDK42 + 493．826，此处隧道埋深为11．5 m，左右线线间距为13．1 m( 盾构平面位置如图1 所示) 。根据地质勘探资料，结合土仓掌子面的围岩情况，洞身范围全断面为中风化砂岩，灰白色，细－中粒结构，中－厚层状结构，主要由石英、云母、长石等组成，钙质胶结，砂岩抗压强度为42 ～44MPa，围岩强度较好。地面以下1．8 m 为强风化带，岩质较软，岩芯较完整，多呈短柱状; 其下为中风化带，岩质较硬，岩芯较完整，多呈短－中柱状; 层底深度为20．9 m，分层厚度为19．1 m。
2 盾构卡机原因分析
根据现场的实际测量、爆破开挖情况以及刀盘的刀具布置，盾体被卡的主要原因分析如下。
1) 设备原因。本工程采用的土压平衡盾构无扩挖刀，在设备采购和后来的设计联络中也未提出该问题。扩挖刀的作用是当外边滚刀磨损到临界值之前，通过扩挖刀伸出一定长度，把隧道直径扩挖到满足新边刀尺寸。当盾构边刀磨损过大且无扩挖刀加大开挖直径，致使开挖直径变小可能造成盾体被卡，且在日常施工过程中，每天未对刀盘和刀具损坏情况进行检查，为盾体被卡死埋下祸根。
2) 刀具磨损过大。盾构掘进施工时，刀具磨损量较大，开挖直径变小( 刀盘的开挖直径为6 280 mm，盾体最大直径为6 250 mm，边刀允许磨损量为15 mm) 。本次检查边刀( 44#刀具) 磨损量为11 mm，开挖隧洞直径为6 258mm，前盾体外径为6 250mm，与刀盘开挖尺寸间的间隙仅有4 mm，施工中开挖尺寸与盾体出现细微偏差，就会造成盾体被卡。
3) 管理原因。由于该设备无扩挖刀，在施工中应每天对刀盘和刀具损坏情况进行检查，以免边滚刀磨损超限。在日常施工过程中，由于管理不当，施工人员并未每天对刀盘和刀具损坏情况进行检查，以至边滚刀磨损超限使开挖直径变小造成盾体被卡。
3 盾构脱困技术
盾体被围岩卡死后，无法换刀，且无扩挖刀，无法安装新换边滚刀，采用强制脱困模式( 即在盾尾加大外力小油缸增加推力) 进行脱困。到2011 年2 月24日，累计向前推进至1 330mm，推进速度缓慢且盾尾铰接被拉断。由于盾尾铰接被拉断，为使盾构机尽早脱困，采取爆破方法破除盾体上方围岩，最终使盾构机成功快速脱困。
事后对盾构脱困技术进行总结，认为该方法存在一定的问题，盾体被卡死后，适当加大外力小油缸增加推力强制脱困是可以的。如果仍无法使盾构机脱困，不应该继续加大外力小油缸增加推力，以防止盾尾铰接被拉断，此时应通过爆破破除盾体上方围岩使盾构脱困，以保护铰接装置。
3．1 爆破施工技术方案
根据地质情况，本次爆破地层主要为中风化砂岩，抗压强度为42 ～44 MPa，施工作业空间位于盾构机土仓内，作业空间狭小，爆破不能一次成型，只能分步进行。盾体上部岩石的清除施工分 3 个阶段进行: 1) 工作洞开挖阶段。在刀盘前方爆破开挖一个工作洞。2) 盾体周边岩体开挖阶段。主要清除盾构前体上方岩体。3) 盾尾周边岩体开挖阶段。因爆破已进入盾尾，为保证盾尾安全，只清除盾构上方800 mm 的岩体( 见图2) 。
每个阶段的具体施工工序流程为: 施工准备( 爆破区刀具拆除、设备防护( 特别要注意设备上的电器设备防护) 、人员及物资准备) —开仓程序—钻眼—装药—设备防护—通知地面人员进行监测及巡视—仓内人员撤出—起爆—监测数据及巡视结果反馈至主机室—通风( 气体检测) —效果检查—出碴—初期支护( 喷混凝土支护) —爆破参数优化—进行下一循环作业。
