张星南
（北京市政建设集团有限责任公司第四工程处 北京市 100000）
摘 要
北京地铁16号线万寿寺站~苏州桥站区间采用盾构法施工，从万寿寺站始发，区间叠落掘进至苏州桥站接收。由于叠落段盾构上层施工需要多次进行持续数天的停机过程，右线盾构机于2019年6月15日掘进至975环处停机，间隔40小时后实施保压措施时刀盘扭矩达到最大发生刀盘抱死。当时盾构机埋深为12.3m，所处地层为卵石⑤。该工程使用的盾构机额定扭矩8284kNm，脱困扭矩10769kNm，最大推力约5000t，性能强劲。刀盘抱死初期尝试多种方法脱困，包括机壳侧壁加高压水，刀盘孔道加水，铰接系统伸缩等方法，均未能使刀盘脱困。地面周边环境复杂，临近多处大型建构筑物、桥梁及重要管线，无法通过开竖井的方法进行脱困。于是经专家讨论会议决定开仓脱困。
项目部紧急制定盾构机常压开仓方案，从保证掌子面土体稳定性为前提，紧凑制定计划，开仓后24小时不间断施工清空土仓，掌子面支护同期进行，完全清空土仓后刀盘试旋转，刀盘外周行程达20cm后停止旋转，标志着刀盘脱困成功。接着自下而上撤出掌子面支护措施，同时用聚氨酯泡沫袋和膨润土泥浆回填土仓，土仓填满后关闭人舱门，继续加入膨润土泥浆建立土压后盾构机试掘进，成功掘进标志着此次刀盘抱死问题解决完成。
关键词： 盾构；停机；刀盘抱死；常压开仓
绪论
北京市地铁工程正在如火如荼的开展，盾构技术越发成熟，施工占比较大。近年来盾构施工中发生过刀盘抱死和结泥饼的现象。随着我国隧道建设的快速发展，大直径土压平衡盾构越来越多的被运用在城市轨道交通建设过程中，虽然北京地区砂卵石地层中较为少见，但是北京地铁项目多处繁华闹市,风险源多，地质条件复杂，施工过程中停机保压，刀盘"被卡”一旦发生，处理起来难度大，时间长，风险较大。经过技术人员研究和分析,总结出了一些良好的解决办法和技巧,为类似工程的施工提供一些经验。
本文以北京地铁16号线万寿寺站~苏州桥站区间为工程背景，对本工程的遇到的一次刀盘卡死情况进行分析，探讨刀盘卡死的处理方法。
1、工程概况
1.1、刀盘抱死情况简介
区间从万寿寺站出发，沿西三环北路向北至苏州桥站，区间右线总长为1383.4m；左线总长1384.16m；在纵段上，万寿寺站~苏州桥站区间双线为部分叠摞和部分平行，叠摞段右线在上左线在下，右线埋深范围为12.04m~22.01m，左线埋深范围为20.60m~24.7m，平行段埋深为19.1m~19.4m。
由于叠落段盾构施工要求，需进行下边隧道（左线）型钢支撑加固，然后上边隧道（右线）盾构通过，型钢支撑与盾构施工交替进行，每个作业循环盾构需要停机10天~15天。停机时安排盾构机司机不定时进行保压，保压方法为正常加泥浆加泡沫推进10cm左右。
右线盾构机于2019年6月15日掘进至975环处停机，开始安装左线型钢支撑，实施保压措施时刀盘扭矩达到最大发生刀盘抱死，左线管片与盾构机刀盘之间的净距为3.03m。
右线975环盾构施工时，土仓上部压力0.05Mpa ~0.07Mpa，停机时达到0.16Mpa，盾构推力在25000kN~30000kN，停机时推力为30000 kN，刀盘扭矩3000kNm~6000kNm，停机时达到5800 kNm，渣土改良泥浆加入量3.5m3，泡沫加入量12m3，推进速度60mm/min左右，施工正常。
此处左线盾构施工时（940环~990环范围），土仓上部压力在0.04Mpa左右，盾构推力在20000kN~30000kN，刀盘扭矩3500kNm~5000kNm，渣土改良泥浆加入量2m3~3m3，泡沫加入量8m3~10m3，推进速度80mm/min，施工正常。
1.2、地质条件及水文条件
由上而下的地层分别为：杂填土层①1、素填土①、粉土②、粉质粘土层③1、粉土层③、粉细砂层③3、粉土层③、粉细砂层④3、卵石层⑤。盾构区间主要穿越卵石圆砾⑤层。卵石⑤层一般粒径10mm-30mm，最大粒径不小于300mm，粒径大于20mm的含量大于55%，盾构机埋深12.3m，所处地层为卵石⑤。
勘察共观测到二层地下水，主要为潜水（二）、层间水（三）：
潜水（二）：水位埋深为18.10m~18.43m，水位标高32.09m~32.21m，观测时间为2015年11月～2015年12月，含水层为卵石⑤层。该层水位于卵石⑤层底部，水量较小，分布不稳定，当卵石⑤层底部存在隔水层粉质黏土⑥层时，由于受隔水层的影响，存在该层水；当卵石⑤层底部不存在隔水层粉质黏土⑥层时，该层水将下渗至卵石⑦层。主要接受大气降水及侧向径流补给，以蒸发、侧向径流、向下越流补给的方式排泄。
层间水（三）：水位埋深为27.10m~29.52m，水位标高20.55m~23.09m，观测时间为2015年11月～2015年12月，近期监测水位线标高为24.9m，含水层岩性为卵石⑦层、中粗砂⑦1层、黏质粉土砂质粉土⑧2层、细中砂⑧3层、卵石⑨层及中粗砂⑨1层，受隔水层粉质黏土⑧层的影响，卵石⑨层及中粗砂⑨1层中的地下水具有承压性。主要接受侧向径流补给，以侧向径流、向下越流补给的方式排泄。
2、盾构刀盘抱死开仓脱困处理措施
为了尽快解决刀盘抱死恢复盾构推进，进行常压开仓清除土仓内及刀盘周边渣土，具体施工步骤如下：土层稳定性探测→人孔开启（左下角）→人孔处高压水枪剥离渣土→人孔关闭→人行闸门开启→掌子面木板支护→分层清理土仓及刀盘前土体→刀盘小幅度试转→关闭人行闸→注入泥浆保压→盾构机复推
2.1、土层稳定性探测
开仓前需探测刀盘上方、刀盘前方掌子面地层及土仓内渣土的稳定性，刀盘上方地层稳定性通过地面打设探孔进行探测[1]，土仓内渣土及掌子面地层稳定性通过土仓隔壁上预留的添加剂注入孔钻孔探测。
刀盘上方地层探测孔位置距离刀盘切口0.4m，位于隧道轴线上，探孔使用汽车钻机施工，探孔直径为150mm，钻进过程中详细记录地层性能，如地层类型、干湿情况、密实度等信息，通过钻进速度确定是否存在空洞，为地层稳定性判断提供依据。
土仓内渣土及掌子面地层稳定性探孔利用土仓隔壁上预留添加剂注入口，共8处，使用2.5m长Φ35mm钢管进行探测（钢管前端10cm加工成锥形），探测过程如下：打开探测孔阀门，观察时候有泥水流出，首先目测渣土密实度，然后使用铁锤将钢管打入探孔，记录每进尺50cm的锤击数，以判断土体密实度。
2.2、人孔内渣土高压水枪剥离
（1）土层稳定性评估
通过人仓观察孔、土仓隔板探测孔及地面探测孔评估地层稳定性，地层稳定性评判标准如下：
1）人仓观察孔：土体表面密实，无泥水；
2）土仓隔板探测：每50cm进尺锤击数不小于10；
3）地面探孔：土样成型完整，密实度高，钻孔速度无明显变化。
（2）土仓内通风
利用盾构机原有预留人仓保压系统的管线作为排气管路，盾构机主机内和拖车上全部使用原有的管路（可承压的胶管和钢管），排气管出口设在5号拖车处位于隧道掘进方向的左侧，应远离灯具和高压电缆接头，利用泡沫系统管路，通过刀盘上的泡沫孔，向内压风，同时打开原保压系统管路阀门（如果孔口被堵，方法同检测孔清理），将压出气体排放至预定区域，气体通过洞内压入新鲜的空气的稀释，随洞内空气一起排放出洞外。
（3）高压水枪剥离渣土
1）螺旋排土口渣土清理
确认土仓内渣土、刀盘前方及上方地层稳定后，打开刀盘左下方人孔，人工清理土仓内渣土，首先清除人孔与螺旋排土孔之间的渣土，作业人员在土仓隔板外使用铁锹清理渣土，如果超过铁锹清理范围，使用高压水枪（28Mpa水压）进行冲刷剥离渣土，将渣土装袋清运出盾构外，恢复螺旋机排土功能。
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图1 螺旋排土口及人行闸口渣土清理
2）人行闸口渣土清理
使用高压水枪继续向上剥离渣土，直到清理完毕人行闸口附近的渣土，为人行闸开启创造条件（人行闸门开启到土仓内），为保证刀盘前方土体稳定，高压水枪剥离土仓内渣土厚度为0.6m，即清除到刀盘辐条表面为止，高压水枪剥离的渣土通过螺旋排土器排出。
2.3、刀盘前方土体清理
确认刀盘前方及上方地层稳定后打开人行闸门，分步清理土仓内及刀盘前面的土体，并使用木板支护掌子面土层，渣土通过螺旋排土器排出，具体如下：
①第一步，人工清除土仓内人行闸口以上的渣土，并开挖刀盘前方的土体，掌子面开挖至刀具前20cm，掌子面设置木板支护保证掌子面稳定，具体支护方式为掌子面横向满铺木板，木板超出刀圈外不小于0.2m，使用木方将木板支撑在刀盘外圈及辐条上，木方支撑间距不大于30cm，并且刀盘上半部设置20°~30°的木板支护，木板插入原状土不少于100mm，木板底端设置在木方上，与掌子面支撑体系形成稳定的三脚架，防止上方渣土掉落，如图2所示。
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②第二步，分层开挖土仓内及刀盘前方土体，为保证掌子面稳定，土方分层开挖深度为50cm，即开挖50cm后进行掌子面木板支保证持掌子面稳定，支护完毕后再进行土方开挖，木板支护具体施工方法见第一步做法。
③第三步，松动清理刀圈外土层，使用电镐清除盾构下半部分刀圈外0.1m范围内的土体，使刀盘外圈刀具裸露出来，解除地层对刀盘的限制。
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④刀盘试转
刀盘转速设定为0.3rpm，启动刀盘，左、右转交替转动试验刀盘是否脱困，刀盘转动过程中安排专人在人行闸门处查看辐条转动幅度，幅度达到20cm左右时立即停止转动以不破坏方木支撑。
2.4、关闭人仓试掘进
刀盘式转成功后关闭下方人仓闸门，由下而上拆除支撑木板，拆除的支护木板从上方人舱门运出，同时从上方填入事先准备好的聚氨酯泡沫填充袋，同时注入浓度为6%膨润土泥浆，拆除一层支撑木板填充一层，保持泥浆液面与填充袋高度一致，待泥浆填充到接近上方人舱门时关闭上方人舱门，继续注入膨润土泥浆至建立土压（土仓上部压力不小于0.05Mpa），刀盘转速设置为0.3rpm，启动刀盘试掘进。
3、刀盘抱死原因分析
3.1、地层原因
盾构机刀盘范围地层为无水卵石⑤层（地下水位线位于盾构机下方7m处），其中夹杂一层厚度约为1m的粘性土层。盾构机停机时土仓内土压较高，使得土仓内渣土及掌子面地层密实度高，同时，停机期间土舱内渣土进一步固结，高密实度的渣土裹在盾构刀盘内部及表面，使得刀盘扭矩急剧增大到最大扭矩，导致盾构刀盘抱死，以上分析可知，刀盘扭矩主要由以下三方面构成：
（1）刀盘正面刀具切削扭矩
刀盘正面刀具深入高密实度的卵石地层，产生较大的切削扭矩。
（2）刀盘辐条及搅拌棒转动扭矩
刀盘共有6根辐条（宽400mm）、6根支撑柱（宽500mm）及6根搅拌棒（长600mm左右），转动过程中受到土仓内高密实度渣土阻挡，产生较大的转动扭矩。
（3）刀盘外圈扭矩
刀盘外圈设置纵向保径刀（共18把），长时间停机卵石堆积固结在刀圈外侧（特别是刀盘下半部分），对刀盘外圈产生较大的摩擦力，限制刀盘转动[2]。
3.2、设备原因
刀盘驱动电机功率输出异常导致刀盘扭矩减小，或轴承故障导致刀盘扭矩过大，已联系盾构机厂家对盾构机刀盘驱动电机及轴承传动系统进行检测及测试，结果显示正常，其次，本次盾构刀盘抱死前是正常停机，停机前各项性能参数指标正常，基本可排除设备原因产生刀盘抱死。
3.3、管理原因
（1）按照设计指示上层隧道需要等下层隧道加固完成才可以掘进，这样就需要右8天~10天的长时间停机过程，在停机期间加入的膨润土泥浆会发生劣化，润滑性能变差；加入的泡沫气体随时间消退，恢复到泡沫剂原液状态，粘稠润滑性能差，与土仓中粘性土结合形成板结状态。
（2）盾构在砂卵石地层中掘进，由于摩擦等原因导致刀盘及主轴发热，温度较高，泥浆和泡沫化学剂的性能在高温条件下发生改变，润滑作用被削弱，加快板结速度[3]。
（3）按照监理规程要求，盾构停机期间要维持土仓内土压在一个较高的状态，因此土仓内本较为松散的土体被一次次压缩，排除空隙中的气体和水分，造成土仓内土体和易性流塑性降低，密实度提高，发生板结。
结论
通过对万寿寺站到苏州桥站区间盾构刀盘开仓脱困的实践，得出以下几点认识和技巧：
（1）地层中存在部分粘性土、长时间停机和土仓温度过高是沙卵石地层刀盘抱死土仓结泥饼的主要原因
（2）土仓内渣土及掌子面地层稳定性通过土仓隔壁上预留的添加剂注入孔钻孔探测极为关键，这是保证施工安全的前提所在。
（3）清空土仓时支护要及时到位，因此要提前模拟支护形式，准备支护材料，应急工具等。拆除支撑木板时为加快速度可以使用油锯将木板锯断后取出。
（4）此方法在处理无水砂卵石地层的常压开仓问题安全可行。
参考文献
[1]李江龙.地铁盾构隧道填仓换刀施工技术研究[J].山西建筑，2020
[2]马海燕，郑永军.无水砂卵石地层盾构施工常压开仓刀盘改造技术[J].市政技术，2019
[3]何剑光.典型复合地层盾构开仓工况分析与技术研究[J].科技创新与应用，2019.9：82-84
作者简介：张星南，男，汉族，学士学位，地铁隧道施工方向.