大直径泥水盾构刀盘脱困施工技术

（中铁隧道局集团有限公司 设备分公司，广东 广州 511458）

随着城市地下空间的开发利用，大直径泥水盾构施工具有施工速度快、隧道空间利用率大、环保等优点，逐渐成为城市地下公路、铁路、地铁隧道建设的一种发展趋势。

大直径泥水盾构施工具有一定的难度、技术要求高，掘进施工发生风险的概率大。本文以某盾构在全断面砂层停机期间发生掌子面坍塌、刀盘被埋后成功脱困事件为例，介绍盾构脱困过程采取的一些措施、技术等，为后续类似情况提供一定的施工经验。

1 工程项目和盾构介绍

1.1 工程概况

该项目为过江单洞双线地铁隧道工程，采用1 台11m 级泥水平衡盾构施工，隧道全长2 962m，管片外径11.3m，内径10.3m，壁厚500mm，环宽2m，隧道顶部设置现浇风道板，中间设置现浇中隔墙，底部设置预制口字件；主要穿越地层主要为：粉砂、淤泥质粉质黏土夹粉土、含砂粉质黏土、黏质粉土、黏土地层。

1.2 设备概况

本工程采用1 台开挖直径为11m 级气垫式泥水平衡盾构，刀盘采用8 辐条+8 面板的结构形式，开口率32%；主机总长约为12.3m，整机总长57m，主机重约1 020t，后配套拖车重约226t；刀盘采用电机驱动，转速为0～3.2rpm，最大额定扭矩为13 900kNm，脱困扭矩为18 070kNm。

2 盾构刀盘脱困处理

2.1 问题描述

N04 号盾构在掘进1 213 环时主驱动旋转编码器故障报警，刀盘无法旋转，在停机维修期间，利用上部冲刷管路上的备用分支管路（2寸），接入膨润土进行保压，备用分支管路手动球阀后端接三通，分两路使用注浆泵往泥水仓同时注入膨润土，由于压力过大，导致手动球阀与分支管路连接处断裂、球阀脱落、漏浆，引起泥水仓失压、掌子面坍塌、地面沉降，造成刀盘被困50 余天。

2.2 原因分析

第一，该备用分支管路在上部冲刷管路VG19板阀、VG18 球阀之间，VG19 板阀此前已存在磨损，一直处于常开状态；所以在管路断裂、球阀脱落后，VG19 不能实现紧急关闭、切断泥水仓来浆通道的功能。

第二，目前盾构掘进地层为全断面粉细砂，地层稳定性差，在泥水压力较低时极容易发生掌子面坍塌。

综上所述：管路断裂、球阀脱落后，泥水仓浆液不断从管口漏出，引起泥水仓失压，不足以克服掌子面地层土压力和水压力，造成掌子面坍塌；掌子面粉细砂在地层水土压力的作用下流入泥水仓，造成刀盘被埋、泥浆管道堵塞，泥水仓无法建压，刀盘无法旋转。

2.3 脱困处理

盾构脱困由3 个阶段组成：地面注浆密封地层、泥水环流疏通管道和旋转刀盘恢复掘进。

2.3.1 地面注浆密封地层

为使盾构脱困，需先对盾构上部地层进行密封，给盾构提供建压条件，然后疏通管道，实现脱困复推。具体方案如下。

1）密封范围 根据砂性地层内摩擦角确认盾构上部地层扰动范围，以掘进方向为基准，密封范围为：宽22m×长16m，即刀盘断面方向22m，轴线方向16m（刀盘前方11m，后方5m）。

2）布孔数量 根据加密封围布置注浆孔，设置8 排11 列，间距2m，共计88 个孔位。

3）注浆方式 盾构停机处埋深24m，地面为电梯厂房，此次注浆密封地层共分为两道进行。第一道注入克泥效+水玻璃双液浆，从刀盘顶部3m 位置开始注浆，高度为3m，即地层埋深区域为21～18m，其目的主要是对盾构刀盘顶部周围地层进行填充密封和保护，防止第二道双液浆加固凝固刀盘和盾体。第二道注入水泥+水玻璃双液浆，加固高度为3m，即地层埋深区域为18～15m，其目的主要是对坍塌区域地层进行填充加固，防止泥浆逃逸，确保可正常建压。

4）施工过程 施工前先将厂房设备搬离，注浆设备、注浆材料到位后开始进行第一道注浆密封，流程如下：①钻孔放样、钻机就位（检测钻机与地面的垂直度），开始钻进；②钻孔：钻机采用双重管钻杆，钻进时用泥浆进行护壁，钻至设定深度时停止，开始注浆；③注浆：注浆方式采用分段式后退注浆，将事先制备好的克泥效和水玻璃浆液分别泵入钻杆的内外层，两种浆液在钻杆底部打出后混合注入地层；注浆采用压力控制，达到2bar或泥水仓压力变化时提升钻杆0.5m后继续注浆，直至设定高度；④钻机移位：单孔注浆完成后，提升钻杆、清洗管路，钻机移动至下一个孔位。第一道地层密封完成后在原有孔位上进行第二大道密封施工，与第一道流程一样，注浆材料为水泥+水玻璃双液浆。

2.3.2 泥水循环疏通管道

第二道注浆加固完成后取芯检测地层加固效果，待地层加强后（加固完成后等待48h）开始泥水循环、疏通管路。

1）清洗气垫仓积渣 泥水循环进浆管道均被堵塞，只有盾体底部排浆管路疏通；在旁通循环模式下，打开排浆球阀，通过控制进排浆流量差来反复冲洗气垫仓底部积渣，冲洗过程中注意控制气垫仓液位。

2）疏通上部冲刷管 在旁通循环模式下，打开上部冲刷管路球阀，通过增大进浆流量、减小排浆流量，来增大进浆管路压力对上部冲刷管路进行冲洗，冲洗过程中注意控制进浆管路压力，避免憋压过大造成管路爆裂。管路疏通识别：在未疏通前，进浆管路压力与泥水仓顶部压力相差较大；疏通后进浆管路与泥水仓相通，压力基本保持一致。

3）疏通泥浆门 经过前期的泥水循环确认为泥浆门处积渣严重（气垫仓液位的波动对泥水仓压力没影响），在上部冲刷管路疏通后开始清理泥浆门。首先，利用疏通的上部冲刷管路往泥水仓加浆，增大泥水仓顶部压力；然后，降低气垫仓压力和液位，利用泥水仓和气垫仓的压力差对泥浆门进行疏通，若没有疏通可继续降低气垫仓液位，直至泥浆门处疏通；最后，当泥浆门疏通后快速进行循环建压，稳定掌子面。

2.3.3 刀盘脱困复推

泥浆门疏通后，循环清洗泥水仓一段时间后开始尝试转动刀盘。

1）后退主机 由于停机保压期间，泥水仓注入膨润土以及地面注浆加固挤压，使泥水仓填充较密实，为使刀盘可顺利脱困，先将主机后退，松动刀盘。主机后退对盾尾刷的影响较大，在后退前对盾尾密封腔从前到后依次注入油脂，后退时对称回收推进油缸，在泥水仓压力作用下使主机后退，每次回收2cm，回收2 次，共计后退4cm。

2）刀盘脱困 在泥水进仓循环下，启动刀盘，给一定的转速，当扭矩较大时，停止刀盘，接着反方向启动刀盘，继续给定转速转动，反复操作，直至刀盘彻底转动起来，操作过程中注意以下几点：①控制刀盘扭矩，当扭矩达到12 000kNm 时立即停止，防止保险轴断裂；②控制泥水仓顶部压力，刀盘转动后存在泥浆门被堵的可能：即刀盘上部的积渣落下堆积在泥浆门处，造成进浆管路压力增大爆裂的风险。

3）恢复掘进 刀盘转动后马上恢复掘进，掘进过程中对地面进行监控，控制好泥水仓顶部压力。停机装管片期间，若泥水仓压力波动较大，往泥水仓加注膨润土，每隔20min 转动刀盘搅拌泥浆，保障泥水质量。

3 结语

通过此次盾构刀盘被困事件，反映出设备带病作业的危险性、泥水系统管路、球阀的重要性，对后续盾构施工也给予一定的启示。

盾体前后隔板开孔、气垫仓穿仓管路一旦发生磨损、泄露，会发生气垫仓与泥水仓串气或后隔板漏浆、漏气，造成泥水仓压力波动或压力泄露，引起掌子面失稳坍塌风险，所以在盾体制造阶段和工厂组装阶段压力试验时，重点对开孔位置进行逐个认真、仔细检查，排除风险。

泥浆管路和球阀长期在泥水的冲蚀下，会发生管路壁厚变薄、阀体磨损泄露，设备投入项目使用后，加强对设备的管理，日常巡检、定期检测，发现问题及时处理，同时做好可能发生风险的应急处理措施及物资储备。