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1.1 工程概況

該地鐵區(qū)間采用泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖直徑為6530mm，刀盤(pán)為6輻條和6面板的組合形式。開(kāi)挖斷面為典型的“上軟下硬”地層，下部的破碎狀中風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖裂隙發(fā)育，節(jié)理間的楔形體呈不穩(wěn)定的外傾結(jié)構(gòu)；上部砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖具有強(qiáng)滲透性。盾構(gòu)機(jī)額定扭矩為5631kN·m，推力為41600kN，管片形式為通用楔形環(huán)，全環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊組成。推進(jìn)油缸為32根大直徑推進(jìn)油缸，2根1組，共16組，分為4個(gè)分區(qū)（上區(qū)1、右區(qū)2、下區(qū)3、左區(qū)4）。

1.2 推進(jìn)過(guò)程參數(shù)說(shuō)明

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1.2rpm，推進(jìn)速度設(shè)定為2mm/min。推進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)扭矩在350~3000kN·m、推力在15000~22000kN的范圍內(nèi)波動(dòng)，甚至出現(xiàn)扭矩超過(guò)限值而引起刀盤(pán)跳?，F(xiàn)象，再次空載啟動(dòng)刀盤(pán)時(shí)扭矩為1500kN·m，并且泥水環(huán)流系統(tǒng)滯排嚴(yán)重。由此可以判斷得出以下推論：下部中風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖開(kāi)挖面極其不平整，凸起的巖面與刀具發(fā)生撞擊；楔形體硬巖因失穩(wěn)進(jìn)入刀盤(pán)面板與掌子面之間，兩者發(fā)生擠壓與沖擊作用，產(chǎn)生了較大的摩擦卡阻作用，巖塊脆裂后塊徑較大且棱角分明，同時(shí)部分楔形體與輻條發(fā)生相互卡滯作用直接進(jìn)入泥水倉(cāng)。推進(jìn)速度在0~12mm/min的波動(dòng)充分說(shuō)明發(fā)生了刀盤(pán)滯排和泥水倉(cāng)滯排，滯排引起的泥水倉(cāng)壓力極其不穩(wěn)定以及逆洗的擾動(dòng)作用，使上部的砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖發(fā)生土體塌落，形成塌落拱。從氣墊倉(cāng)底部清理出的掉落刀具、原狀楔形體硬巖和擠壓破碎的大塊徑石塊以及地層土樣占比分析均可佐證上述推論。

僅從氣墊倉(cāng)開(kāi)倉(cāng)清理無(wú)法將刀盤(pán)面板和掌子面之間、泥水倉(cāng)的滯排石塊全部清除，泥水環(huán)流系統(tǒng)仍然滯排嚴(yán)重，需要帶壓進(jìn)入泥水倉(cāng)清理石塊，同時(shí)檢查刀盤(pán)刀具的損傷情況。

2.1 建泥膜帶壓開(kāi)倉(cāng)

建泥膜帶壓開(kāi)倉(cāng)是常用的傳統(tǒng)開(kāi)倉(cāng)方法之一，采用由膨潤(rùn)土和高分子材料拌制而成的黏稠型泥漿對(duì)泥水倉(cāng)原有低稠度泥漿進(jìn)行置換，該黏稠型泥漿的配比如表1所示。其中，HS-1和HS-3為泥水盾構(gòu)專用制漿劑，含有不同顆粒級(jí)配的有益顆粒和大分子材料。

頂部放氣閥排出的漿液稠度達(dá)到50~60s、比重達(dá)到1.1時(shí)，即可完成黏稠型泥漿的置換工作并分級(jí)加壓滲透，即利用滲流規(guī)律嘗試制作泥皮、帶滲透帶的泥皮和不帶泥皮的滲透帶。再使用含顆粒材料的高比重淤堵型泥漿以隔膜方式補(bǔ)強(qiáng)泥膜，高比重淤堵型泥漿僅在最后一級(jí)加壓滲透時(shí)進(jìn)行置換，置換時(shí)需控制頂部放氣閥排出的漿液稠度達(dá)到180s、比重達(dá)到1.25。同時(shí)，在刀盤(pán)后退5cm的情況下保持高壓補(bǔ)強(qiáng)泥膜。淤堵型泥漿的配制方法為：在黏稠型泥漿的基礎(chǔ)上，按每立方米泥漿添加100kg石粉及5kg堵漏劑的比例進(jìn)行拌制。滲透完成后嘗試漿氣置換，過(guò)程中發(fā)現(xiàn)泥水倉(cāng)加入壓縮空氣但液位基本沒(méi)有變化，說(shuō)明泥水倉(cāng)所排放出的泥水處在盾構(gòu)機(jī)頂部，進(jìn)一步驗(yàn)證了有塌落拱的存在。切口支撐壓力呈0.02bar小幅度的下降并回歸穩(wěn)定，說(shuō)明被泥水支撐達(dá)到臨界平衡的塌落拱再次失穩(wěn)，土層剝落掉入泥水倉(cāng)。最后空壓機(jī)加載率急劇上升至50%，說(shuō)明地層存在漏氣通道，即建泥膜嘗試帶壓進(jìn)倉(cāng)失敗。

2.2 填倉(cāng)及注漿加固帶壓開(kāi)倉(cāng)

針對(duì)復(fù)雜工況下傳統(tǒng)建泥膜帶壓開(kāi)倉(cāng)方法成功率低且安全風(fēng)險(xiǎn)大的難題，填倉(cāng)技術(shù)利用惰性漿液填充巖層裂隙，從而阻斷地下水，支撐塌落拱易失穩(wěn)的薄弱邊界位置，同時(shí)輔以注漿加固，既可提高長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)倉(cāng)的可靠性，又能預(yù)防盾構(gòu)復(fù)推后再次出現(xiàn)類似的不利工況。

填倉(cāng)材料由惰性同步砂漿調(diào)整熟石灰摻量后獲得，利用臺(tái)車(chē)同步注漿桶由下至上分別壓入泥水倉(cāng)，將泥水倉(cāng)的泥水從頂部放氣閥置換出來(lái)，盾構(gòu)上部塌落拱內(nèi)的泥水采用引孔方式釋放，確保填倉(cāng)砂漿充盈整個(gè)塌落拱及土層中的透鏡體。之后，采用袖閥管工藝對(duì)盾構(gòu)機(jī)周邊、開(kāi)挖面進(jìn)行注漿加固，如圖1、圖2所示。注漿加固范圍主要為盾構(gòu)刀盤(pán)前方2m至盾體后方2.5m，總加固長(zhǎng)度為4.5m。加固深度為拱頂上方4.5m，并進(jìn)入硬巖內(nèi)3m。加固寬度為開(kāi)挖輪廓線兩側(cè)外擴(kuò)2.0m，總加固寬度為10.5m。注漿點(diǎn)按梅花形布孔，間距為1.5m，布設(shè)4排，共30孔，其中靠近盾構(gòu)機(jī)的19孔壓注磷酸雙液漿，其余孔壓注水泥雙液漿。初始注漿位置須距離盾構(gòu)機(jī)0.5m。單孔停止注漿的標(biāo)準(zhǔn)為注漿泵壓力增加1.0MPa，或泥水倉(cāng)壓力增加至5.0bar。每次注漿提升高度為1.0m，在盾構(gòu)頂部空洞區(qū)域等薄弱部位加大注漿量。原砂土狀強(qiáng)風(fēng)化巖層取芯率為70%，注漿完成3天后取芯率達(dá)到95%以上。通過(guò)盾構(gòu)機(jī)超前鉆預(yù)留孔、泥水倉(cāng)門(mén)預(yù)留孔鉆入1m探孔，連續(xù)3天在隧道內(nèi)進(jìn)行滲水觀測(cè)，滲水量?jī)H為少量間隙性滴水，證明填倉(cāng)密實(shí)，加固效果良好。

3.1 盾構(gòu)機(jī)被困原因分析

在泥水倉(cāng)帶壓開(kāi)倉(cāng)清理時(shí)遵循由上到下、由內(nèi)到外的順序?qū)嵤?，以減少開(kāi)挖面的暴露時(shí)間，最大程度減少長(zhǎng)時(shí)間帶壓清倉(cāng)的施工風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)分區(qū)由上至下連續(xù)清理干凈，再按照泥水倉(cāng)、刀箱、輻條開(kāi)口、刀盤(pán)面板的順序依次實(shí)施（由內(nèi)到外），清理完成后刀盤(pán)被困住無(wú)法啟動(dòng)。主要原因?yàn)榈侗P(pán)處在填倉(cāng)砂漿與磷酸水玻璃雙液漿的結(jié)合部位，而上部雙液漿侵入了刀盤(pán)區(qū)域，因此刀盤(pán)被加固體包裹得很牢固。復(fù)合泥水盾構(gòu)的刀盤(pán)整體開(kāi)口率為31%，中心開(kāi)口率為35%，造成刀盤(pán)周邊區(qū)域的圓弧形面板無(wú)法在輻條開(kāi)口處進(jìn)行完全清理。此外，泥水置換過(guò)程中，下部不穩(wěn)定楔形體巖塊可能發(fā)生進(jìn)一步崩塌，其卡滯作用加劇刀盤(pán)被困。由于周邊區(qū)域的力臂最長(zhǎng)，因此周邊區(qū)域被漿液包裹是刀盤(pán)被困的最主要原因。

雖然在填倉(cāng)及加固前對(duì)盾構(gòu)機(jī)殼體外已壓注克泥效漿液，目的是起到阻水閉氣和減小摩擦作用，但加固注漿壓力大于水土壓力，擾動(dòng)會(huì)使圍巖應(yīng)力釋放并重新分布，因此雙液漿局部會(huì)侵蝕到盾構(gòu)殼體周邊，形成一定握裹力，此為盾構(gòu)機(jī)殼體被困的潛在原因。此外，地層上部土層損失會(huì)形成背土效應(yīng)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)會(huì)使圍巖向盾構(gòu)機(jī)周?chē)諗繑D壓盾尾，管片外的環(huán)箍包裹盾尾也會(huì)增加盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)被困的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 盾構(gòu)機(jī)脫困方法比選

刀盤(pán)脫困方法主要有如下4種。

（1）極限扭矩脫困法。該方法優(yōu)點(diǎn)為簡(jiǎn)單快捷，缺點(diǎn)為成功率低且存在設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。在盾構(gòu)機(jī)被整體握裹的情況下，盾殼發(fā)生滾動(dòng)所需扭矩大于刀盤(pán)極限扭矩，即在刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)前盾體基本不出現(xiàn)滾動(dòng)。極限扭矩下荷載加卸載梯度較大，如刀盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)則考慮一定動(dòng)力放大系數(shù)的極限扭矩荷載將由主驅(qū)動(dòng)與刀盤(pán)牛腿法蘭連接螺栓群全部承擔(dān)，應(yīng)力集中可能會(huì)造成主驅(qū)動(dòng)連接螺栓損壞，因此極限扭矩脫困法可嘗試采用，不宜多次嘗試，以正反轉(zhuǎn)嘗試?yán)塾?jì)8次為限值。

（2）進(jìn)倉(cāng)擴(kuò)大清理法。將刀盤(pán)與所包裹的固化漿液全部清除，主要清理刀盤(pán)周邊區(qū)域，在開(kāi)挖面前方清理出比刀盤(pán)開(kāi)挖直徑大的洞室，由于操作空間有限，加之下部存在中風(fēng)化硬巖，會(huì)使得開(kāi)倉(cāng)時(shí)間大幅增加，考慮到長(zhǎng)時(shí)間氣壓環(huán)境暴露會(huì)降低開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，必要時(shí)還需采用冰凍方式止水。因此該方法實(shí)施難度巨大，不建議采用。

（3）輔助開(kāi)挖及局部減壓爆破法。在盾構(gòu)機(jī)周?chē)蚯胺捷o助開(kāi)挖，釋放加固圍巖應(yīng)力，或者采用小范圍減壓爆破技術(shù)，降低圍巖對(duì)盾構(gòu)機(jī)的擠壓力。該方法多用于全斷面硬巖盾構(gòu)脫困的處理，違背采用填倉(cāng)及加固措施的初衷，因此在本案例工程中不適用。

（4）設(shè)置反向千斤頂脫困。開(kāi)挖面上設(shè)置反向千斤頂，考慮刀盤(pán)局部屈曲狀態(tài)下的承載力低，因此設(shè)置千斤頂數(shù)量有限、推力較小且難以實(shí)現(xiàn)程序化控制，其成功率難以保證，在泥水倉(cāng)有限空間內(nèi)實(shí)施難度較大，所以不建議采用。

盾構(gòu)機(jī)推力超限指液壓系統(tǒng)提供的推進(jìn)油缸的總推力已接近限值，即沒(méi)有足夠的有效推力實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)?？赏ㄟ^(guò)以下2種方式增加有效推力：①通過(guò)臨時(shí)設(shè)置輔助千斤頂?shù)姆绞皆黾佑透卓偼屏Γ虎诮档蛽p耗，如盾構(gòu)機(jī)殼體注入潤(rùn)滑材料減阻，臨時(shí)降低盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車(chē)所需牽引力，降低泥水支撐壓力形成的反力，推進(jìn)速度設(shè)定為最小值以降低切削阻力，同時(shí)分區(qū)調(diào)整，避免局部推力不足或過(guò)載。

3.3 盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)脫困關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 受困評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

填倉(cāng)及注漿加固法帶壓開(kāi)倉(cāng)后的泥水盾構(gòu)機(jī)須先判斷刀盤(pán)是否被困，額定扭矩下無(wú)法啟動(dòng)刀盤(pán)可作為刀盤(pán)被困的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。刀盤(pán)脫困后進(jìn)入推進(jìn)模式，再判斷盾構(gòu)機(jī)推力是否超限，油壓達(dá)到設(shè)計(jì)限值95%而盾構(gòu)機(jī)沒(méi)有進(jìn)尺可作為推進(jìn)系統(tǒng)被困的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3.3.2 脫困前準(zhǔn)備工作

用新漿回升泥水盾構(gòu)液位，新漿由膨潤(rùn)土拌制而成，可以起到潤(rùn)滑減摩作用；同時(shí)填充開(kāi)挖面地層孔隙，切口壓力設(shè)定值為地層水土壓力的1.2倍，并滲透3h；在強(qiáng)制模式下補(bǔ)足盾尾油脂及主驅(qū)動(dòng)油脂；在盾尾內(nèi)的管片和盾尾處彈上墨線，目的是監(jiān)測(cè)盾尾內(nèi)管片和盾尾是否會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；復(fù)緊管片連接螺栓，在盾尾設(shè)置裝置監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)與管片是否發(fā)生相對(duì)位移，即判斷盾尾與管片傾角相對(duì)變化；復(fù)核盾構(gòu)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)工作狀態(tài)，以判斷刀盤(pán)里程上是否發(fā)生水平位移、刀盤(pán)平面及高程是否發(fā)生變化。

3.3.3 脫困過(guò)程

（1）第1階段。在脫困扭矩狀態(tài)下分3個(gè)層次實(shí)施脫困，首先正常工況下低轉(zhuǎn)速正反方向各啟動(dòng)刀盤(pán)1次；然后，將上、下2個(gè)區(qū)千斤頂回縮20mm，再次低轉(zhuǎn)速正反方向各啟動(dòng)刀盤(pán)1次；最后，將千斤頂全部回縮20mm，再次低轉(zhuǎn)速正反方向各啟動(dòng)刀盤(pán)1次，過(guò)程中發(fā)現(xiàn)盾尾、管片與刀盤(pán)的相對(duì)位置沒(méi)有變化，說(shuō)明極限扭矩狀態(tài)下的脫困失敗。

（2）第2階段?？紤]到刀盤(pán)面板中心區(qū)域被漿液包裹的面積較小，凝固的漿液抗沖切能力相對(duì)較弱。因此除封頂塊外，將所有推進(jìn)千斤頂回縮500mm，再將各塊管片上3組千斤頂輪流伸出頂在管片上，利用偏心推力對(duì)包裹的漿液進(jìn)行沖切及擠壓的復(fù)合作用，當(dāng)出現(xiàn)局部剪切破壞時(shí)，包裹的漿液會(huì)龜裂脫落，千斤頂伸出時(shí)同時(shí)降低泥水倉(cāng)泥水支撐壓力，以增大有效的偏心力。第2階段須進(jìn)行多輪次操作，單輪次按先順時(shí)針后逆時(shí)針的方向分組伸縮千斤頂，每個(gè)輪次重復(fù)3次后再將油壓分級(jí)上調(diào)。當(dāng)拼裝油壓達(dá)到推進(jìn)油壓最大值的70%或者刀盤(pán)向前移動(dòng)5mm時(shí)，停止第2階段操作。額定扭矩下可多次嘗試啟動(dòng)刀盤(pán)，第2階段脫困扭矩下啟動(dòng)刀盤(pán)不超過(guò)2次。第2階段密切監(jiān)視管片和盾尾相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)、盾尾水平相對(duì)位移、盾尾與管片傾角、刀盤(pán)切口里程是否發(fā)生變化，用以評(píng)估第2階段的實(shí)施效果。再經(jīng)歷20輪次的循環(huán)伸縮千斤頂，拼裝油壓增加至推進(jìn)油壓最大值的65%，3根油缸推力達(dá)5700kN時(shí)，管片和盾尾無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)、傾角和位移發(fā)生，刀盤(pán)向前移動(dòng)5mm，但刀盤(pán)仍無(wú)法啟動(dòng)。

（3）第3階段。在盾殼整圈壓注膨潤(rùn)土減阻泥漿，提高泥水倉(cāng)泥水壓力，切口壓力設(shè)定值較地層水土壓力增加至1.3倍，在全部推進(jìn)千斤頂回縮20mm的情況下開(kāi)啟主動(dòng)鉸接，鉸接油缸最大推力為8000kN時(shí)，鉸接油缸行程伸長(zhǎng)20mm即推進(jìn)千斤頂頂住管片時(shí)停止。利用監(jiān)測(cè)裝置可判斷出盾尾后退20mm，而刀盤(pán)無(wú)后退。盾尾后管片斷面內(nèi)設(shè)置槽鋼將近端10環(huán)管片連接成整體，槽鋼端部與盾尾焊接，以達(dá)到約束管片和盾殼相對(duì)位移的目的。之后，再縮回鉸接10mm，觀察刀盤(pán)后退情況，當(dāng)?shù)侗P(pán)后退10mm時(shí)，再重復(fù)伸縮鉸接3次，在盾尾不動(dòng)情況下實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)往返10mm的運(yùn)動(dòng)，以從周?chē)`的漿液中脫開(kāi)。保持鉸接在10~20mm行程之間來(lái)回伸縮并使刀盤(pán)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。最終在額定扭矩下成功啟動(dòng)刀盤(pán)，實(shí)現(xiàn)了刀盤(pán)脫困。刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為0.3rpm的情況下先進(jìn)行右轉(zhuǎn)刀盤(pán)，刀盤(pán)扭矩如圖3所示，單周順時(shí)峰值達(dá)2640kN·m，隨著右轉(zhuǎn)圈數(shù)增加而峰值減小，并在第3圈完成后趨于平穩(wěn)；而后，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定在0.3rpm的情況下進(jìn)行左轉(zhuǎn)，刀盤(pán)除第1圈有峰值1280kN·m、第2圈有峰值880kN·m，其他時(shí)間基本趨于穩(wěn)定，平穩(wěn)的扭矩值在500kN·m左右。說(shuō)明刀盤(pán)在漿液中脫困后，正反轉(zhuǎn)動(dòng)各3圈可以將附著物清理干凈，實(shí)現(xiàn)真正意義的脫困。

3.4 盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)脫困

刀盤(pán)脫困后，拆除槽鋼等拉結(jié)措施，在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.5rpm、推進(jìn)速度1mm/min的設(shè)定下進(jìn)行推進(jìn)，同步進(jìn)行盾殼減阻注漿，觀察盾構(gòu)機(jī)是否有推力超限的情況。如果推力超限，通過(guò)增設(shè)輔助千斤頂和降低泥水壓力相結(jié)合的方式提高盾構(gòu)機(jī)有效推力，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)脫困。該盾構(gòu)機(jī)推力限值為41600kN，在未設(shè)置輔助千斤頂?shù)那闆r下盾構(gòu)機(jī)推力達(dá)35000kN時(shí)，通過(guò)刀盤(pán)里程顯示盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始推進(jìn)。逐步調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為0.8rpm，推進(jìn)速度為3mm/min，盾構(gòu)機(jī)復(fù)推2m以后，推力為26000kN并趨于平緩，盾構(gòu)機(jī)復(fù)推后推力和距離如圖4所示，推進(jìn)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)脫困。

泥水盾構(gòu)在復(fù)雜的上軟下硬地層推進(jìn)時(shí)，外傾楔形體巖石的卡滯作用會(huì)使扭矩及推力異常波動(dòng)，進(jìn)而引起盾構(gòu)機(jī)頂部形成塌落拱且因滯排嚴(yán)重而無(wú)法推進(jìn)，建泥膜嘗試帶壓進(jìn)倉(cāng)失敗后采取填倉(cāng)及注漿加固進(jìn)行處置可營(yíng)造長(zhǎng)時(shí)間帶壓開(kāi)倉(cāng)的安全環(huán)境，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生盾構(gòu)機(jī)被困住的風(fēng)險(xiǎn)。

文章以盾構(gòu)機(jī)開(kāi)倉(cāng)清理后的工況為背景，針對(duì)性分析盾構(gòu)機(jī)被困住的原因，對(duì)比各種脫困措施的適用性，提出操作便捷、安全可靠的先刀盤(pán)后推進(jìn)系統(tǒng)的脫困技術(shù)，可為被動(dòng)采取填倉(cāng)及加固措施后的泥水盾構(gòu)脫困及復(fù)推提供技術(shù)支撐。