盾构机掘进中解卡措施研究

张焕杰，刘广仁，常喜平

（中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾构机掘进中解卡措施研究

张焕杰，刘广仁，常喜平

（中国石油天然气管道局第四工程分公司，河北廊坊065000）

盾构机在掘进的过程中，由于地层突变等原因易造成盾构机“卡壳”，使得盾构机陷入进退两难的困境。文章以西气东输二线长江盾构工程为例，就盾构机“卡壳”的原因进行了详细的分析，并提出增加盾构机的总推力，同时调整掘进参数等盾构机解卡措施，使盾构机成功脱困。

西气东输二线；盾构机；解卡；参数调整

1 工程概况

西气东输二线管道工程途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、安徽、湖北、湖南、江西、广西、广东、浙江、江苏、上海和香港等15个省、自治区、直辖市，是我国重要的天然气输送干线工程，也是我国的能源战略新通道。长江盾构工程是西气东输二线东段的重点控制性工程之一，在江西省九江市和湖北省武穴市之间穿越长江，工程采用德国海瑞克公司生产制造的AVND3080AH泥水平衡盾构机，工程穿越的地质情况分别为泥质砂岩、中粗砂、中细砂、粉细砂和粉质黏土层。隧道水平长度为2 590 m，工期从2008年6月1日至2010年6月30日，共计25个月。隧道建成后，铺设直径1 219 mm、压力10 MPa的天然气管道。

2 被困盾构机情况

根据地质勘查报告，盾构机掘进地层在第15个探孔处（750 m）为泥质砂岩层，在第16个探孔处（800 m）为中粗砂和中细砂混合层。在泥质砂岩掘进中刀具存在一定程度的磨损，但在砂层掘进时如要更换刀具风险大，为此项目部决定在盾构机进入砂层前对所有刀具进行检查，对磨损程度严重的刀具进行更换。更换刀具后，盾构机开始正常掘进，但是掘进2.4 m后，推进油缸压力逐渐增大，速度逐渐降低直至无法推动，盾构机陷入困境，主要表现为以下几个方面：

（1） 推进压力增大。推进压力由正常的5500kN逐渐增大至8 200 kN，后增至10 000 kN，临近盾构机推力极限值（11 000 kN）。

（2） 铰接拉力增大。铰接拉力由正常的200 kN增加到2 200 kN，临近盾构机铰接拉力的极限值（2 800 kN）。

（3） 推进速度先增加后降低。更换刀具后，盾构机的推进速度为10～20 mm/min，后来增加至30 mm/min，之后推进速度逐渐降低至5 mm/min以下，最后速度为零。

（4） 出渣情况。更换刀具后，泥水分离出渣为泥质砂岩和少量砾石，后为中粗砂和中细砂，中间夹杂流木，出渣量逐渐降低至3 m3左右，远低于正常量13.6 m3。

（5） 盾构机呈V字形，姿态难以控制。

3 原因分析

盾构机的姿态如图1所示，选择推进油缸压力、导向油缸压力、铰接油缸压力和反向压力等参数，对最接近盾构机且推进异常的22环（第625～646环）的掘进数据进行分析，得到图2所示结果。

从图2中可以得出以下结果：

（1） 导向油缸压力没有明显的变化，一直维持在5 200 kN左右，根据力学原理，表明盾构机在1#主机不存在“卡壳”的情况。

（2） 推进油缸和铰接油缸压力呈现出相同的变化趋势，在第633环之前无明显变化，第633环之后却逐渐上升。第633环之前推进油缸的压力为5 700 kN左右，在正常范围内，此后压力逐渐增大，最高达到10 000 kN。同样铰接油缸在第633环之前压力为218 kN，此后逐渐增大，最高达到2 258 kN。所以第633环为推进油缸压力和铰接油缸压力突然增长的一个拐点。与推进油缸和铰接油缸的压力趋势一样，反向压力的变化也是在第633环的位置突然增大，然后上升。

根据力学原理，选取盾构机2#主机作为受力分析点，总的来说它受到4个力，分别为推进油缸压力F推、导向油缸压力F导、铰接油缸压力F铰和反向压力F反（盾壳与地层的摩擦力以及1～5拖车的反向拉力），它们满足以下公式：

根据（1）式，可以看出F推和F铰增大，F导不变，F反有可能增大，所以2#主机存在被卡的可能。

（3） 以3#主机为受力分析点，可以得到以下公式：

式中F管——盾尾和管片的摩擦力；

F地——盾尾和地层的摩擦力。

F管的数值是较为固定的，认定其不变；F铰增大，从而得出盾尾与地层的摩擦力F地是增大的，这说明3#主机也存在被卡的可能。

（4） 在第633环泥水分离出现的流木量最大，所以初步判断在第633环的位置可能存在大量的枯树阻碍盾构机的前进。在缓慢掘进至第642环时，推进油缸和铰接油缸的压力也达到最大，掘进速度几乎为零。主盾构司机伸出铰接油缸发现推进速度有所提高，而铰接油缸压力随之逐渐增大，所以判断盾构机3#主机出现“卡壳”。

通过以上的“卡壳”可能性分析，可以看出3#主机（盾尾）被卡。现初步认定盾构机卡住的主要原因是：地层由泥质砂岩层向砂层过渡时，中间夹杂流木，引起掘进姿态急剧变化，阻碍盾构机前进。

4 盾构机脱困措施

4.1 对地质资料进行详细分析

根据勘探报告，15号探孔和16号探孔位于完全不同的地层，在15号探孔的泥质砂岩层和16号探孔的砂层，并无流木的报告，所以必须对该段地层进行补勘。通过补勘发现，该段地层为泥质砂岩层向砂层的过渡段，盾构掘进的区间上层为中粗砂和中细砂，下层为泥质砂岩，中间夹杂着流木。

4.2 成立盾构机脱困领导小组

项目部成立了盾构机脱困领导小组，由主管生产的项目副经理任组长，班组长任副组长，成员包括主盾构司机、质量部长、技术部长、物资部长等。领导小组有权调动相关的人、机、物、料，整体协调盾构机的脱困工作。

4.3 掘进参数控制

根据补勘报告，盾构掘进的地层是上软下硬地层，它是一种特殊的地质，既具有软岩地层的不稳定性，又具有硬岩的强度。在这类地层中施工，盾构机刀盘切削工作面土体，上部软地层较易进入刀盘舱，而下部较硬岩体不易破碎，盾构机的姿态较难控制。其掘进参数需要考虑以下因素：

（1） 刀盘转速。在上软下硬地层中掘进，上部砂层只需转动刀盘即可破坏地层，而下部泥质砂岩硬度较高，刀盘的滚刀受力较大，局部对刀具即刀盘的损伤较大，所以应适当降低刀盘转速，使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载，刀盘的转速要控制在1.2～1.6 r/min。

（2） 油缸推力。通过分析可以看出，刀盘推力已经临界极限，仅仅靠盾构机自身的推力难以完成脱困任务，必须额外添加辅助推进油缸，添加的油缸位于管片和铰接油缸的底座之间。设添加油缸的推力为F1，得到：

通过公式（3）与公式（2）的比较，可以看出F铰减小了，联合公式（1）可知，F推＞F导+F铰+F反，能够保证盾构机顺利掘进。

（3）掘进速度。由于盾构机是在地层过渡段掘进，同时还添加了辅助推进油缸，所以推进的速度不宜过快，控制在3～5 mm/min。

（4） 注浆。为了保证盾构机外部的润滑，通过盾尾和2#机前部向盾壳外部注入黏度为60 s的膨润土泥浆，并合理掌握注浆压力，使注浆量、注浆流量与推进速度等施工参数形成最佳匹配。

4.4 保持信息畅通

盾构司机密切关注各推进压力、铰接压力、导向压力、辅助油缸压力等主要参数，同时积极与泥水分离司机保持沟通，随时掌握泥水分离的出渣情况，控制每环的出渣量；并且根据地质补勘报告，随时掌握盾构机所处位置的地层情况。

通过采取以上措施，盾构机在添加辅助油缸掘进15环（18 m）后，进入了砂层掘进，顺利地通过了过渡段的掘进，盾构机成功脱困。

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Abstract：Because of abrupt strata changing,the shield machine may be unable to move during tunnel-ing.This article takes the Yangtze River shield tunneling construction of Second West to East Gas Pipeline Project for example,carries out the detailed analysis of shield machine stuck reasons,and researches the stuck freeing measures of increasing general power of the shield machine and regulating operational parameters.Finally,the shield machine stuck problem is successfully solved.

Key words:Second West to East Gas Pipeline;shield machine;stuck freeing;parameter regulation

（67）Research of Stuck Freeing Measure for Shield Machine in Tunneling

ZHANG Huan-jie（China Petroleum Pipeline Fourth Construction Co.,Langfang 065000,China）,LIU Guang-ren,CHANG Xi-ping

TE973.4

B

1001－2206（2011）02－0067－03

张焕杰（1979-），男，河北廊坊人，工程师，2008年毕业于西南石油大学管理科学与工程专业，硕士，现从事项目管理工作。

2010-05-28