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盾构机脱困及盾尾变形修复工程实例分析

1 引言
随着我国城市轨道交通的高速发展，盾构施工技术被大量采用。目前已经形成了适应绝大多数地质条件的盾构工法。但在具体的施工过程中，由于种种原因，往往出现盾构机被困或盾尾变形造成盾构无法正常推进的状况。为避免盾构机被困，对城市轨道交通施工进行管理具有重要的意义。为了解决这些问题，国内已有一些相关案例的分析和研究，其中，针对前端刀盘被困的研究较多，对于中盾和尾盾受困的研究报告并不多见。黄平华通过工程实例分析了盾构被困的常见原因，并总结了相应的脱困措施；杜闯东等介绍了采用水平压密注浆加固方法使盾构机安全脱困进洞的方法；贾路等通过理论计算得出盾构脱困所需的最小总推力，分析了刀盘、前中盾以及尾盾的被困因素；张雪辉等研究表明，在超大直径盾构的盾尾设计时应考虑初始几何缺陷和中空层合板构造对盾尾变形和应力的放大效应；管会生等将盾尾简化为等截面圆环形梁结构，建立盾尾受力分析的简化力学模型，并导出盾尾内力的计算公式。
2 工程概况
某城市轨道交通盾构区间采用1台土压平衡盾构机（EPB6260）掘进，液驱被动铰接。在掘进394～411环位置期间，先后出现盾体被困和盾尾变形情况。该段掘进里程为YDK47+853.522～YDK47+826.5，隧道水平面为直线下坡，坡度为0.6%，所处地层为5-2强风化泥岩地层和5-3中风化泥岩，隧道埋深26.85~37.61m。根据地勘资料显示，该区域的5-2泥岩岩土呈褐黄色、褐红色、紫红色，主要由黏土矿物组成，岩质较软，岩芯呈土柱状，少量碎块状；5-3泥岩暗红色-紫红色，泥质结构，薄弱-中厚层构造，节理裂隙较为发育，岩芯多呈短柱状、碎块状，手捏可碎，局部含强风化夹层。在最近一段地层掘进显示，在地层中含水量较小。
3 盾体被困及盾尾变形情况
3.1 掘进异常情况
盾构施工正常倒班，停机12h，停机前已在注浆孔内注入适量的膨润土，晚班恢复掘进第394环时，推力达到20000kN，轴向掘进位移与铰接千斤顶油缸行程同步变化，尾盾未发生位移，且铰接千斤顶油缸达到150mm的最大行程。初步判断盾尾包裹，导致盾构无法掘进。
3.2 脱困尝试反应
3.2.1 被动铰接脱困
在394环处初步尝试使用盾构机14个铰接千斤顶油缸回缩前拖盾尾，在盾构机脱困过程中对铰接油缸压力进行重新设定，发现铰接千斤顶回缩压力达23MPa时，仍无法将尾盾前拖；为增加铰接拉力，在铰接后支座与管片之间增加4个100t的辅助千斤顶，在2、4、8、10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，尾盾仍未发生轴向前进位移。辅助千斤顶后着点置于管片，中间加设钢垫，减小对管片损坏，前点作用于铰接后支座上，保证受力均匀，防止顶进过程中出现盾壳变形。
3.2.2 推进油缸脱困
在铰接位置加大刚性连接。在中盾与尾盾铰接位置均匀分布焊接12块辅助钢板（见图1），钢板尺寸1200mm×120mm×40mm，焊缝长度分别为300mm和400mm，焊缝位置采用单面坡口二氧化碳保护焊，并进行探伤检测。辅助钢板的作用是加强铰接位置的连接强度，防止推进千斤顶脱困过程中铰接处缸体损害。加大推进油缸压力进行盾体脱困时，观察铰接位置构件及辅助钢板外观变化，在盾构机推力达到29400kN时，盾构机脱困成功,可恢复掘进。

3.2.3 脱困效果
脱困后按照原有参数控制掘进，未分析脱困后盾尾间隙的变化，掘进至411环时，发现环向10~11点区域内盾尾间隙为0，无法拼装管片，盾尾对已拼装管片挤压压力过大，出现管片破损和错台现象，第409、410环管片错台、破损最为严重。出现上述情况后，被迫停机，通过洞内精确测量，发现10~11点区域圆度最大差55mm，局部变形范围为纵向3500mm，环向700mm。
3.3 掘进参数情况
前373～410环掘进中，出渣量为58～62m³，出渣量基本合理；注浆压力为180～250kPa，注浆量为5.8～6.2m³，注浆压力和注浆量总体正常；刀盘扭矩小于2000kN·m，刀盘转速在1.3~1.6rpm范围内，扭矩正常、刀盘转速稳定；盾构机总推力为9000～13000kN，但在第394环和395环脱困时，平均掘进推力分别达24500kN、15100kN。盾构机姿态和管片姿态测量数据显示基本吻合，3、6、9、12点位盾尾间隙测量数据基本正常。
4 盾尾变形修复
根据脱困效果和脱困参数，知晓盾尾变形的主要原因是浆液包裹盾壳，在盾壳外形成凝结硬块，在掘进过程中，岩层挤压力通过水泥硬块传递到盾壳上，导致尾盾变形。通过脱困尝试和对盾壳真圆度的精确测量，盾壳变形处开钻5～6mm孔取样，明确该处存在浆液固结硬块。为满足后续掘进要求，需将该硬块清除，并对盾尾变形处修复。
开孔异物清除及盾壳变形恢复具体操作过程如下：
1）准备好以下应急物质：水泵、注浆泵、棉被、沙袋等；
2）在盾构后方第408环位置采用洞内二次注双液浆做止水环，防止盾体后方地层裂隙水；在中盾径向孔内注聚氨酯防止盾体前方地层裂隙水；以上工作完成后，打开盾尾后第409环顶部的注浆孔，观察地层止水效果，无明显出水后方可进行下部工序；
3）在第410环管片上采用水钻进行钻孔，消除管片拼装应力，拆除受损管片；
4）刨除变形区3道盾尾刷，测量、标注、记录盾尾圆度相对尺寸，最终确定变形区域大小为轴向长3000mm、环向宽1200mm，测量结果为：盾体最大变形区域前部为-33mm、后部为-55mm；
5）在盾尾内部选用250#工字钢搭设双井字形支撑架，支撑架支点与盾壳刚性固结，支撑架对称设置斜撑；
6）在盾尾壳体变形区切割出500mm×500mm的孔，采用电锤人工破除盾尾壳体外部的浆液固结物，破除固结物大小约为轴向长3000mm、环向宽1200mm、径向厚度160mm，破除过程中实时观察围岩的稳定情况；
7）盾尾壳体背部浆液固结物破除完成后，再次测量、标注、记录盾尾圆度相对尺寸，测量结果为盾体最大变形区域前部为-18mm、后部-25mm。比清理之前存在明显的回弹；
8）根据测量结果，针对盾体变形区域，在盾体内的型钢支撑上架设2个100t的液压千斤顶，并在变形区域位置采用高温烤枪进行盾体加热，缓慢顶推千斤顶对变形区域进行矫正，矫正后盾体变形位置的推进油缸撑鞋与尾盾壳体最小间距为4cm；
9）盾体变形矫正完成后，对盾体圆度进行了测量，由测量结果可知盾体最大变形区域前部为-16mm、后部-17mm，盾尾间隙为22mm，盾尾间隙理论为30mm，考虑到后续掘进区段隧道轴线基本为直线，可以满足掘进要求；
10）重新焊接拆除的盾尾刷，对第410环管片进行重新定位拼装，拼装前对盾尾刷背部的水泥砂浆等杂物进行清理，采用管片拼装机直接将管片压入盾尾刷位置。
5 盾构机复推措施
盾构机复推可以采取以下措施：
1）后续掘进纠偏应提前并缓慢调整防止急转弯，每次纠偏量控制在10mm以内；
2）恢复掘进后，3、10、20、50、100环需测量变形部位，并确定矫正结果是否稳定；
3）将后续注浆量控制在5~5.5m³，防止砂浆进入盾体周围或进入开挖仓，在长时间停机及每个掘进循环完成前加注4~5m³膨润土浆液；
4）管片选型及拼装点位选择应充分考虑修复位置的盾尾间隙；
5）盾构机复推后，加强第410~416环对应地面位置的沉降监测，必要时采取洞内外注浆补强措施，确保地面安全可控；
6）在掘进过程中，观察变形区铰接密封，若出现渗漏现象，首选紧固调节螺栓，如果无效可采用盘根填充于铰接间隙，再安装T型块并紧固螺丝至不漏为止。
6 结论
某城市轨道交通建设施工过程中，土压平衡盾构机在中风化泥岩底层下坡段停机，出现同步注浆浆液包裹盾体，盾构机被困和盾尾变形，无法正常掘进现象，本文在综合考虑地质特点、机械构造、施工环境等因素的基础上，给出了一种采用加强铰接部位刚性连接，洞内清除壳外凝结体的方法，使盾构机成功脱困，快速修复了盾尾变形。
采用加强铰接部位刚性连接及洞内清除壳外凝结体的方法，在最佳恢复期内成功快速完成了盾构脱困，且完成盾尾变形洞内修复，避免了采用更为复杂的脱困措施所造成的浪费，保证了施工质量和工期。

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