王永喜 张雄 景旭博 郝亚雄
中铁七局集团第三工程有限公司 陕西西安 710016
关键词：盾构机 受困 分析与处置
前言
盾构施工由于施工工艺的特殊性，在施工过程中，由于对风险认识不到位，管理不到位，经常发生交接密封损坏，甚至发生盾尾变形造成盾构机被困的情况，造成盾构无法正常推进施工，处理时间长，这不仅对周边环境造成较大风险，更可能对完成施工进度及工期节点目标造成严重影响。作者结合一次典型的盾构机密封损坏、盾尾变形，导致盾构被困事件，通过采取合适的措施顺利脱困的实例，对处置过程进行分析总结，希望对类似问题能起到借鉴作用。
一、工程概况以盾构机情况
杭州地铁3号线某盾构区间，长度1600m，隧道埋深9~17m，纵向坡度2.5%，管片外径6200mm，根据地勘资料显示，隧道穿越地层主要为5-2强风化泥岩、5-3中风化泥岩，节理裂隙较为发育，岩芯多呈短柱状、碎块状，局部含强风化夹层。周围河水较多，地下水位高，在地层中含水量较大。
盾构机采用6440mm复合型土压平衡盾构掘进施工，驱动形式为电驱，铰接形式为被动铰接。盾构机是由管片6000mm盾构扩径改造而成，盾体、盾尾均为新制结构，盾尾钢筒结构钢板厚度为25mm，盾尾密封由原来单型橡胶密封改为橡胶密封外加一道紧急气囊密封组合而成。
二、盾尾密封损坏与处置
1、发生盾尾密封断裂
盾构区间左线盾构机于2020年4月14日始发，至6月24日出现问题停机处理时，掘进至318环。当时在6月14日晚班掘进至256环时，忽然发现盾尾密封区域7点位橡胶密封出现10cm长的断裂，并明显已经从原来的安装区域内翻到外面，发生渗漏水情况，漏水形状为相当于直径30mm管道粗的一股水，现场立即采取外部注密封油脂进行封堵，但达不到密封止水效果，开启紧急气囊后也不能有效止水堵漏，已严重影响掘进，研究后于6月24日317环处停机进行处理，制定了处置方案。
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盾尾密封损坏照片
2、密封断裂原因分析
经过对密封断裂原因进行分析，认为其一是在施工过程中，由于推推停停，停机时盾体周围没有注入充足的膨润土，复推时推力很大，最大时达到2000吨，造成铰接油缸拉长，密封离边缘处较近，容易破坏。在复推过程中忽视铰接油缸伸长量，没有控制在50mm以内，增加了损坏风险。其二是盾构与中盾配合间隙大，密封安装过于松弛，容易被损坏。再者，掘进时姿态控制不好，密封周边间隙不均匀，间隙大的部位被水流击穿。
3、铰接密封处置措施
盾尾橡胶密封断裂翻出到停机时，即256环至317环位置，均为中风化钙质泥岩，强度为39MPa，掘进模式为带气压平衡掘进，隧道四周岩层有一定的自稳性，并且裂隙水较大，为保证处理过程安全可控及质量有保证，确保密封破损处无水便于处理，在盾构机前盾预留径向孔注入环向聚氨酯进行施做止水环箍，并同时在盾尾后的4-5环管片外部做一圈聚氨酯环箍止水，并在盾尾后的7-8环进行管片外壁注双液浆进行止水圈的施做，待止水环箍做完后，对盾尾密封破损处进行处理，具体办法为把断裂的橡胶密封进行胶粘重新闭合成圈，然后在强行把翻出来的密封重新塞到密封圈的预定槽道位置，同时加工7字型的钢板挂钩焊接在盾体内壁上把重新定位的橡胶密封进行固定，6月26日处置完毕。
三、盾尾变形及处置
1、盾尾发生变形
6月27日下午在盾尾密封处理完毕后，开始恢复掘进，当时的推力为1500吨左右，推进速度20mm左右，刀盘扭矩200-300吨之间，刀盘转速1.2rpm/min，铰接形成为上部1mm，下部4mm，铰接压力为197bar，担心铰接密封再次翻出漏水，铰接处于锁死状态。
6月27日晚班接班后在推进317环，当油缸形成在1500mm时忽然发现316环已拼装好的管片11点位的K块出现混凝土掉块并伴随K块管片向下掉的情况，然后立即停机进行查看，发现在盾尾沿着纵向在11点位的盾壳出现向内部下凹的情况（之前都正常），盾体外壳出现下凹后，盾尾内部的加强筋一道方钢密贴管片外弧面，受到盾壳内部下凹产生力的传递，直接作用在K块管片上，上部已没有间隙，使管片向内部掉下来4-5cm，并导致K块管片与相邻的L2管片出现大面积混凝土破损开裂现象，目前破损的管片还在盾尾内部，盾尾11点位下凹区域纵向长度在1.4m左右，环形下凹宽度在40cm，下凹深度在4-5cm，盾尾在11点位纵向变形严重，导致该区域管片已经没有了盾尾间隙，管片破损严重，k块管片无法拼装，已经无法掘进。
2、盾尾变形原因分析
盾尾变形情况发生后，初步分析原因其一是在处理盾尾密封时，注入的聚氨酯、双液水泥浆封水环，浆液将盾尾裹死，并初凝形成强度，而外部围岩为中风化泥岩，强度值较高，在复推时，凝固的水泥浆没有释放的临空面，造成向比较薄弱有弹性的盾尾内侧侵限。其二是本身盾尾钢板厚度偏小，材质刚度强度较弱，不足以抵抗外力造成变形。其三是在调整盾构姿态时，纠偏过急，向上每环调整达到10mm，使盾尾外顶部承受支撑力，造成变形。
3、盾尾变形处置措施
经过对盾构机前后30米地质水文情况分析，对掘进参数及渣样进行研究，决定在确保地面沉降稳定情况下，采取先开仓，安排人进入刀盘前方检查掌子面岩层情况，确认安全性。并从刀盘隔板3-9点球阀对盾尾外的水流进行排水，确保盾尾顶部处于无水状态，之后采用磁力钻在盾尾变形正顶处，钻一个直径20mm孔，对盾尾外部情况进行检查，最终确认，外部全部被水泥浆裹死。经研究，采取在盾尾变形范围内，割开800X1200mm矩形口，对外部水泥浆进行清理，并对变形部位进行校正，再补焊恢复原状，确保盾尾间隙达到施工要求。经过快速组织5天时间完成了清理及恢复。
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盾尾变形情况及处理图片
四、恢复掘进控制措施
在盾构机复推前进行详细交底，为安全起见，在中盾与尾盾铰接位置均匀分布焊接12块辅助钢板，实现刚性连接。为增加铰接拉力，在铰接后盾尾盾体支座与管片之间增加4个100t的辅助千斤顶，在3、5、7、9点位置对称安装千斤顶，以管片为支点，通过辅助千斤顶利用反力助推尾盾，铰接千斤顶同步回缩锁死。掘进前在盾体外加注15m3膨润土浆液，润滑周围土体，管片选型及拼装点位选择应严格考虑修复位置的盾尾间隙在30mm。掘进模式采用敞开式掘进，以减少刀盘前阻力，控制好盾构机姿态，每次纠偏量控制在3mm以内，减少外部阻力。最终在推力达到29400kN时，脱困成功,并经过5环缓慢掘进，推力逐渐降到15000kn以内，掘进速度达到20mm/min以上，参数恢复正常，开始正常施工。
结束语? 通过本工程此次典型的盾构机密封损坏、盾尾变形原因分析及处理过程总结，通过实例对类似问题处理能起到参考作用。同时对盾构施工各环节精细化管理做出了建议措施，有效避免类似事件的发生，确保盾构施工安全、进度、工期目标的实现。