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盾构法隧道施工中的脱困技术和预防措施
1 概述
自法国工程师（M.I.Brunnel)1825年用18年时间修建第一次使用6.8×11.4m矩形盾构修建泰晤士运河隧道以来，使用盾机的隧道施工技术已经广泛应用于城市交通隧道、管网隧道和水力隧洞的修建中。
采用盾构法施工的隧道工程是将钻爆法施工的破岩、装碴、运输、衬砌、结构防水、施工测量和通风降尘等工序，集中在一台盾构机及配套设备上联合作业、程序化完成，使地铁区间隧道的修建的速度、质量、安全性、劳动条件、环境控制和保护都有很大的提高。盾构机的功能一般是根据修建隧道的工程设计和条件而专门设计和制造的设备。广州地铁四号线仑头-大学城区间的土压平衡盾构机是靠液压千斤顶提供的推力，通过刀盘转动破除岩石（土体），采用螺旋输送机、皮带输送机、运输到斗车和其他设备运输到指定位置排渣，同时拼装衬砌管片。盾构工法与一般矿山法修建隧道比较，具有干扰小、受覆土深浅的影响小、可以在建筑物、水域、地下管线下方通过、自动化程度高、速度快等优点，也存在投入高、受断面变化限制、遇到大障碍物（流砂、涌水、超浅覆土时）处理比较麻烦等缺点。
由于某种原因导致盾构机被困而无法推进，且又不具备进行开仓换刀条件时，对施工影响十分巨大。本文主要从广州地铁仑头-大学城区间的盾构机在主航道岸边小河涌的水闸附近被困后，采用的脱困技术及预防措施进行分析。
2 被困盾构机现象
⑴ 盾构机推力达到24000kN（极限为34200kN），推进速度1～4mm/min，与该处地层的正常掘进不符，渣土温度高达58℃；
⑵ 发生大的喷涌，大量淤泥及砂土从螺旋输送机排土口喷出，稀粥状的淤泥全部从出土口流下， 1
含砂量较大，仅有少量风化切割岩块，喷涌带出的淤泥有明显的腥味；
⑶ 刀盘处的河面气泡柱高而粗大，不停在冒出由盾构机加进的泡沫液混合气体，刀盘正面的河滩沉降面积达35平方米，最深达到1900mm，河涌闸门及岸边河堤最大沉降也达93mm；
⑷ 盾构机土仓压力传感器显示最小压力达到0.23MPa，最大压力0.3MPa，掘进时的出土量远远大于理论数量（如果出土），使之无法掘进。
3 水文地质情况
地层从上至下依次为＜2－1B＞淤泥质土、＜2－2＞淤泥质粉细砂、＜2－3＞中粗砂、＜2－1B＞淤泥质土、＜7Z＞强风化、＜8Z＞中风化，其中＜2－1B＞淤泥质土位于隧道上方，从勘察图测出＜2－1B＞该层距离隧道顶板约25cm（也可能盾构机穿过该层），主要穿越的地层为＜7Z＞、＜8Z＞、＜9Z＞。地表建筑有水闸及河堤、起重机房，最近楼房距盾构机刀盘约25m，盾构机刀盘位于河堤下方（见下图）。
4、现象分析及判断
4.1 现象分析
⑴ 按照类似＜8＞地层，盾尾机掘进推力为1000t时，掘进速度一般在30mm～40mm之间,渣土温度为30℃左右。根据上述被困现象（1）及断面下部长距离的<9Z>硬岩地层掘进，说明盾构机的刀具已经磨损严重，刀具破岩能力降低；边缘滚刀磨损后，盾构机开挖直径变小，造成的直接结果是速度慢、推力大和渣土温度很高。
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（2）从取出的大部分渣土样里含有很多硬岩细颗粒，也表明刀具淬硬的刀尖已被磨蚀，则刀具与岩石的接触面积远远大于正常状态，不但刀具的破岩能力大大下降，而且刀具较软的芯材与下断面硬岩接触“互磨”，加剧了刀具的磨损。
（3）大量淤泥从螺旋输送机上打开很小的排土口中喷出，带有腥臭味，取样中含有大量河砂，在出土过程中，盾构机中土仓压力降不下来，说明盾构机上方处于淤泥质地层，并且已经与河床连通，河水可进入土仓。
（4） 河面冒出大量气泡柱，为盾构机土仓内加入的泡沫气体已经完全从坍塌体中逸出所致。盾构机土仓已经与海水连通，土仓内的压力是坍塌土体和水压直接作用在土仓压力传感器上。
4.2 判断
⑴ 距离上次河底换刀地点，已经掘进了有160m（距离计划换刀地点还有35米距离），期间的160m中，开挖断面的下部均是<9Z>微风化混合岩，且完整性好，是造成刀具磨损严重的主要原因，个别滚刀可能出现不转动而弦磨。
⑵ 盾构机位于上软下硬地层，下部为中风化＜8Z＞地层、微风化＜9Z＞地层，盾构机上部穿过＜2－1B＞淤泥质土层，扰动上方的淤泥，导致大量淤泥击穿上覆层（或直接进入）盾构机土仓。
⑶ 盾构机不能继续推进，应该就地加固，地层加固土体及止水后，创造带压换刀条件，清除土仑中的渣土，并在土仓中加入压缩空气，进行在气压条件下更换刀具。
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5 地层加固
5.1 加固目的
刀具磨损很严重，不能掘进到达预定的换刀地点，只能就地换刀。为达到带压换刀必备条件，确保换刀安全，保护地面水闸及减少河堤损坏，同时必须密闭盾构机周围的岩体（土体），实施就地地层加固。
5.2 加固方案
5.2.1方案确定
盾构机刀盘位于水闸堤坝左右侧地下，坝底部是800mm钢筋混凝土过水底板，底板底下是木桩加固基础，左侧是钢筋混凝土底板，右侧是人工填土。通过对地层分析和工期测算，最后确定注浆加固，由于左右两侧堤坝的基础各不相同，因此对两边堤坝采用不同的注浆加固方法。堤坝水域筑岛完成后，在河涌右侧堤岸（盾构掘进方向的左侧）采用600*600mm袖阀管注双液浆加固，左侧采用Ф600旋喷桩咬合10cm加固，盾构机刀盘前面加固2.7米，刀盘后面加固1.2米，左右侧加固宽度均在隧道外侧1.5米，在盾构机部位加固深度为盾构机壳体，在刀盘前面为盾构机轴线下1.0米（见下图）。
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5.2.2 工艺流程
5.2.3 主要施工设备
5.2.4 注意事项
1 为防止盾构机被水泥浆裹住，在盾构机上方施工旋喷桩时，每隔3小时向刀盘土仓、盾壳外表面和同步注浆管道内注入一次膨润土，每次不少于2m，并转动刀盘，确保向加固土体注入的双液浆不串入上述各个部位而固结盾构机。
2 对桩的入岩深度要及时取样分析并对照详勘和补勘报告，确保入岩深度达到设计深度。
3 双液浆配合比应该通过试验确定，一般凝固时间25秒30秒。
6 带压换刀
6.1压力平衡下土气置换
将土仓中的渣土和加入的膨润土浆被同等压力的气体置换，土仓内的水、渣土、膨润土、加固浆液混合物，在换刀作业建立气压前，首先向土仓内注入膨润土浆液，通过土舱壁上部的加气孔加入压气，同时用螺旋输送机将土仓内渣土混合物排出，并保留土仓中有1/3的渣土而停止排出渣土。置换过程中，膨润土浆受气压作用不断地渗入土体，形成泥膜墙（泥饼），密封止水，可以平衡工作面的水土压力，并且使气体不从螺旋输送机串出并保持土仓内气压稳定。当土仓内气压力无增大时，可以确定刀盘上部及前方土体处于稳定状态。为了检查加固土的保压效果，最初通过专人（有资质的人闸管-理-员）控制盾构机人闸压气伺服系统进行加气，当土仓中气压稳定在2.5Bar并保压30min确认无误后，证明加固土体可以承受作业气压，方可进入土仓内进行带压作业。
6.2 作业人员的选定 3
将身体合格的人员送到潜水学校进行加压赔训，将进仓作业人员分组，每天作业时间在80～120分钟左右。作业人员必需填写紧急情况卡并随身带，以便急救。6.3 设备检查
（1）必须检查所有部件（显示仪器、记录仪、自动卸压器、加热系统、时钟、温度计、密封件以及闸阀）的功能；
（2）对气闸工作人员进行安全培训、技术设备、设备检查和医学方面的培训；
（3）紧急救护站必须是可使用的，还必需有其它救援措施及设备在场；
（4）提供用于治疗沉箱病的基本设备；
（5）检查盾构机隔仓板上的球阀及闸阀，疏通堵塞的球阀及闸阀、检查加压系统、保证其功能正常、对盾构机各系统进行检查，保证其功能完好。
6.4 换刀作业
（1）安装换刀作业支撑木板，将刀盘操作切换到人闸刀盘点动控制面板进行操作，清洗干净刀具及刀座，测量刀具高度，用风镐修整换刀位置的隧道工作面，保证有充分的刀具安装空间；
（2）做好安装刀具前的安装座清洁工作，用手拉葫芦将刀具运至土仓内，调整好位置后，拧紧至设计扭矩值；
（3）检查各刀具磨损情况，记录需更换的刀具；
（4）换刀原则是：根据刀具磨损情况确定换刀顺序，一般为先换边滚刀，再换中心单刃滚刀和中心部位双刃滚刀。然后再更换刀盘上对称两条臂上的滚刀及普通刮刀。
（5）在刀具更换完成后，清理土仓，关闭土仓门。人员退出后并试转刀盘若干圈后，再安排人员进入土仓复紧刀具螺栓，确认上紧后，退出土仓，关闭人闸门。
（6）加压、卸压操作
司仓医生按国家规定进行加减压作业，仓内人员听从司仓人员的安排并及时反馈发生的意外情况，听从医生的指挥。
7 预防措施
7.1线路选择
在线路规划时应该引起高度重视，在线路埋深和走向上精心选择，尽量避开影响施工的不良地层，包括掘进断面上岩性相差较大的复合地层、透水地层、软弱地层等等。
（1）对线路地质情况进行认真的研究，勘测孔少的地段要进行补充勘察，一般勘测孔的距离不宜大于50米，地质复杂地段勘测孔应该适当加密。
（2）对于地质软弱地段，可能影响盾构机掘进的地层，可以适当调整线路纵坡，尽量避免盾构机刀盘切削范围围岩差距较大地层，如果必须通过类似地层，在盾构机到达前应当适当注浆加固。
7.2设备
盾构法隧道施工主要是机械施工，设备的完好率直接影响施工进度及工程质量，提高盾构机的可靠性，减少关键部件的故障，使在隧道内无法维修和更换的大型部件不出故障，是保证盾构机过江成败的关键。
7.2.1 刀具
掘进刀具引起盾构机的风险主要包括对地层的适应性和掘进过程中刀具磨损不能及时更换的风险。仔细分析地层，在刀盘设计时应该考虑适应性较广的刀盘，现在盾构机制造商已经能够设计处适应硬岩的滚刀和适应软岩的切刀互相更换。在河底掘进时应该根据类似地层刀具磨损情况制订出
检查换刀和更换刀具计划，不能掘进顺利时而忽略刀具检查更换，导致错失良机，刀具磨损严重时开挖面的地层无法开仓换刀。
7.2.2 盾尾密封
盾尾密封是阻止后方的水和同步注浆进入盾构机内的屏障，在过江前应该对密封刷进行检查和更换（可以更换），在盾构机推进过程中应该控制好盾构机姿态，缓慢均匀纠偏，避免管片过度挤压密封刷。密封脂的注入也要在管路内排完空气后注满。
7.2.3主驱动
刀盘驱动系统与刀盘通过法兰盘栓接，主要部件有大齿圈、主轴承、密封及其支撑装置、用于安装刀盘法兰盘、密封钢环、外部和内部封闭系统、带轴承的小齿轮，带液压马达的齿轮箱，必须注意保持密封的完好，密封油脂的数量和质量必须满足要求，同时避免土仓内的压力过大击穿主驱动密封。
7.3 操作
盾构机被困一般是在地质复杂地段，采用科学的操作方法并且提高盾构机司机操作水平，可以避免很多风险。
7.3.1选择合适的掘进模式
在硬岩段岩层自稳能力好，采用气压平衡模式或欠土压平衡推进；盾构机在穿越上软下硬地层时应该采用土压平衡模式掘进，土仓压力设置根据隧道埋深、水文地质情况确定。
7.3.2喷涌处理措施
由于基岩裂隙水发育，隔水层厚度不一致且常缺失，一旦进入土仓的渣土不具有一定的塑性（粘土矿物质含量少，密水性差），承压水与无塑性渣土容易在螺旋输送器形成喷涌。针对这种情况应该采用下列措施：
（1）采用二次同步注浆同步注浆，截断后方来水，避免土仓与管片背后形成水力通道。
⑵ 采取土压平衡模式掘进，严格控制进尺、出土量，保证盾构机连续均衡快速通过该区域。 ⑶ 及时对盾尾密封刷添加足量的油脂，确保盾尾的密封性，加入高浓度泥浆或聚合物，改善土体的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为整体，提高土仓土体的水密性和流动性。
（4） 利用双闸门交替启、闭，保压排土，可以有效地控制喷涌排土。
7.3.3上软下硬施工
（1）以合理的刀具配置掘进软弱不均上软下硬的地层，避免出现推不动时才更换刀具。
（2）盾构机在上软下硬的地层中掘进，盾构机姿态难以控制的情况，在此类地层中推进速度控制在
20～30mm/min。发现偏差时应及时纠正，不得过急过猛地纠正偏。
（3）采用土压平衡模式掘进，严格控制出土量，及时有效地调整各项施工参数，特别是前仓压力的设定和千斤顶推力的合理分配，为了防止盾构机抬头保证盾构机平稳推进。
8 结束语
盾构机被困的原因是影响施工的主要因素，原因是多样的，只要对线路的地质深入研究，及早制订对策，对盾构机及刀盘的维护保养达到要求，工欲善其事，必先利其器，风险就会规避，达到快速连续掘进。
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