重庆地区复合式TBM掘进施工风险分析及控制

重庆地区复合式TBM掘进施工风险分析及控制

摘要：随着城市轨道交通网络的形成和城市现代化的发展，盾构法作为一种先进的施工工法也正在逐渐广泛地应用于地铁区间隧道中。重庆地区采用复合式TBM施工，对该处地层、复合式TBM的适用性还处于探索阶段，在参考国内外类似工程经验的基础上，本文结合重庆地区水文地质特点，对复合式TBM施工主要风险因素进行识别、分析和评价，提出相应的有效控制措施，将复合式TBM掘进施工过程中风险降到最低，可供重庆地区复合式TBM工程施工风险控制参考。

关键词：重庆；复合式TBM；施工；风险；控制 重庆市会展中心市政交通工程为南北走向，南起重庆市高新开发区礼嘉镇，北至重庆市渝北区悦来镇，线路全长12.186km。其中两个复合式TBM段位于重庆市高新开发区礼嘉镇与鸳鸯镇之间。

重庆地区地层主要以砂质泥岩和砂岩为主，围岩裂隙不发育，围岩的完整性较好，但某些地段为粉质粘土层。地下水主要赋存于裂隙中，局部地下水量丰富，且具有承压性，因此复合式TBM在掘进施工中有结泥饼、卡盾、盾尾密封失效、管片旋转及上浮等风险。

1结泥饼

由于重庆地区普遍存在的泥岩岩层和泥质粉砂岩层，其残积土的粘土以及泥岩经碾磨后形成的粉粒状物，在受压、受热、受湿环境条件下，极易在刀盘表面、土仓内和螺旋输送机内形成泥饼和泥团，而高粘性土闭塞是“结泥饼”发展到严重的程度使得压力舱被粘结的渣土充满不能被螺旋排出，造成掘进困难，甚至无法掘进。同时土舱内过高的温度会缩短刀盘主轴承的使用寿命，加速主轴承的损坏，甚至会出现主轴承“烧结、报死”的严重后果。

发生结泥饼的情况较为复杂，表现出来到的现象多种多样。但是通过“结泥饼”事件的统计和分析可以总结出一些共同的特征。主要性状：在“泥饼”形成过程中，刀盘扭矩、推力均迅速增大，螺旋机出碴不连续和伴随有较大泥块，碴土温度开始上升。随着泥饼的形成，推力逐渐增大，但扭矩逐渐恒定，波动不大，掘进速度很小，出碴稀、偶出大块泥块，碴温高，发生喷涌现象，导致地表过大的沉降或隆起。

图1 土仓发生结泥饼现象

为降低结泥饼概率，掘进过程中，通过调整泡沫剂及水的加入量，一方面可以改善碴土的性状，减少粘接机率，另一方面可避免发泡剂管路搁置而堵塞。加强掘进时的地质预测和碴土管理,特别是在土层中掘进时,要更加密切注意开挖面

的地质情况和刀盘的工作状态。在泥岩和粉质粘土地层掘进时应适量增加泡沫的注入量和选择比较大的泡沫加入比例,减小碴土的粘附性,降低泥饼产生的机率。掘进过程中做好对碴土温度的监控，对应掘进状态及时分析。一旦产生泥饼,先采取向土仓中加泥饼克星,正反转刀盘使泥饼在泥饼克星的作用下发生分离，若泥饼克星不能解决，采用开仓进行人工处理的方式清除泥饼。

2卡盾

复合式TBM在硬岩中不能从周围的地层中获得足够的摩擦力，当边刀磨损后不能及时更换，或不排除局部地段破碎岩块落入盾体外开挖空隙时，会发生卡盾现象。根据其他城市施工案例，在硬岩掘进中，当边刀磨损5mm～8mm后，复合式TBM会出现卡盾和转向困难的趋势。

本工程最小转弯半径为6500m，对于复合式TBM硬岩掘进来说，650m曲线半径也不表明容易转向。由于硬岩地层几乎没有可压缩性，纠偏时掘进的设计中线曲线半径有时并不大。如果在650m曲线外侧超挖时就需要小于650m曲线的转向半径才能纠偏回到设计轴线上，如刀具更换不及时，更容易发生卡盾现象。

平礼区间右线掘进至599环后，因推力逐渐增大、刀盘扭矩逐渐减小，于是开仓更换刀具。刀具更换完毕后，掘进参数出现异常，推力不断增加（至3800t）、刀盘扭矩减小（至50bar）、盾尾铰接无法收回，开仓进行检查，发现前体切口环位置与周边岩面密贴，判断为复合式TBM前体被围岩卡死。针对复合式TBM被卡情况，先采用在盾尾增加外力小油缸，加大推力的方式脱困，但效果不明显，推进速度缓慢且盾尾铰接被拉断。最终采用爆破方法破除盾体前方及上方围岩，使复合式TBM成功脱困。

防止此项风险的措施有：在小半径曲线掘进时，为防止复合式TBM超限后出现调向困难，首先在掘进过程中，严格管理复合式TBM导向参数的调整，短距离搬站和人工复测，确保复合式TBM掘进方向在设计轴线控制范围内；在复合式TBM进入小曲线半径掘进前，更换安装新边刀以便开挖直径较大，利于复合式TBM调向；加强地质预报，探明刀盘前方地质情况，以便选择合适的刀具；根据不同地层，制定专项的换刀计划，定期开仓对刀盘及刀具进行检查及更换。

3盾尾密封失效风险

随着复合式TBM的掘进，地铁隧道区间段也越来越长，长距离掘进是地铁修建中提出的重要技术要求。然而复合式TBM长距离施工存在的难题之一就是盾尾密封刷的磨损与更换问题。复合式TBM主要密封部位之一的尾刷，是非常容易损坏且难以修复的部件，经统计，复合式TBM掘进1200m一1500m后，盾尾尾刷密封将大部分失效，特别是经过较小半径转弯段掘进后，盾尾左右两侧尾刷将被严重磨损，造成同步浆液流失，同步注浆效果不能得到保证，影响掘进施工及后期隧道质量，且严重污染隧道。

本工程属于长距离硬岩掘进，且多次经过小半径曲线，因此存在洞内更换尾

刷的可能。防止盾尾密封失效措施有：正确地计算选择合理的土仓压力；控制推进速度和泥渣排土量；在超浅覆土段，一旦出现冒顶、冒浆，应随时开启气压平衡系统；地表沉降与信息反馈；开挖面水压信号检查。

4管片旋转及上浮风险

4.1管片旋转

在复合式TBM推进过程中,受到复合式TBM刀盘扭矩的影响,拼装成环的管片拼装位置与设计值相比旋转了一定角度,给复合式TBM管片的选型和拼装造成了一定影响,且可能导致后续拖车和电瓶车轨道铺设不平整,影响设备的运行。

复合式TBM刀盘旋转分正转及反转两种(即顺时针和逆时针旋转),当电机带动刀盘顺时针或者逆时针旋转切削岩土时,岩土对刀盘产生逆时针方向的反力矩M岩,此时复合式TBM外壳与土体间的摩擦力对复合式TBM产生一反方向力矩M盾,以维持复合式TBM体平衡。当M岩大于M盾静(复合式TBM与复合式TBM外壳与围岩间临界摩擦力矩值)时,复合式TBM体稳定,管片不会出现扭转趋势；当M岩等于M盾静时,复合式TBM具有滚动的趋势,复合式TBM机体内的推进千斤顶会对管片产生一逆时针方向的扭矩,当管片自身稳定性及围岩或衬背已凝固的水泥浆对管片的摩阻力产生的反抗力矩M管片能抵抗这一力矩时,复合式TBM体及管片也都稳定,不会出现扭转趋势；当M岩小于M盾静+M管片时,复合式TBM机体及管片均会产生逆时针方向的扭转。主要由刀盘正反转不均衡，围岩未能给以管片足够的摩擦力，管片螺栓未足够紧固。

本工程复合式TBM在硬岩掘进时会产生强烈的冲击震动。硬岩对盾体的包裹作用减弱，盾体可能不能从周围的地层中获得足够的摩擦力，刀盘扭矩的反作用力会使盾体机管片产生旋转。通过对平礼区间左线176环～181环管片旋转进行跟踪，具体见下图2。

图2 管片旋转跟踪分析图

采取如下措施可以有效减小管片旋转的风险：尽量缩短单个方向的旋转时间,使正反转时间和扭矩趋于均衡；利用复合式TBM前体位置设置防扭稳定器，通过增加摩擦增加防扭；尽量缩短同步注浆液的初凝时间,以增强管片的自稳性和

及时给予管片足够的摩阻力；每一块管片就位拼装时,应将每个螺栓初步扭紧,在拼装完整环后再次紧固,此外在推进过程中推进压力远大于管片拼装时的千斤顶压力,故此时应对管片螺栓再次紧固,以达到较好的紧固效果,使管片整体性良好以抵抗扭转的趋势；掘进时推进千斤顶上下部压力差应尽可能小,避免较大的压力差使管片产生漂浮现象,从而减弱管片的自稳性；当发现管片有位移迹象时,应及时对管片进行衬背注浆,以防止管片继续位移,或对管片进行有效的填充,以防止管片产生过大的扭转；在发现管片产生扭转时,可将刀盘与管片扭转方向同向旋转,并适当延长旋转时间,以防止管片继续扭转并使管片恢复正常位置；在管片扭转过大时,可合理利用管片螺栓孔与螺栓间的公差进行调整,管片拼装时将管片向扭转的反方向进行拼装。

4.2管片上浮

复合式TBM切削刀盘直径D与隧道管片外径d有一定的差值，当管片脱出盾尾后，管片与地层间产生一环形建筑空间。在硬岩地层中，管片脱出盾尾后，由于基岩的稳定性，环形建筑空间在相对长时间内是稳定的，脱出盾尾的管片是处于无约束的状态，通常采用的同步注硬性单液水泥砂浆来填充这个空隙，密实的砂浆将限制管片位移。如果砂浆在管片脱出盾体后还是处于液体状态，管片得不到及时的约束，浆液将给空心筒体状的管片提供一定的浮力，隧道结构本身的自重并不能完全平衡这个浮力，管片就会产生较大的位移。

本工程主要在硬岩地层中掘进，由于局部地段出现裂隙水，且具有承压性，造成同步注浆的水泥砂浆被稀释，砂浆凝固的时间增长，导致区间隧道的管片出现上浮现象。通过对平礼区间管片姿态的连续监测，及时发现管片上浮现象。监测情况如下：

表1 管片中心高程上浮值统计10环一个统计单元

图3管片中心高程上浮变化曲线

防止管片上浮的措施：选择合适的同步注浆浆液配比和注浆压力，合理调节浆液凝结时间，确保注浆填充效果，对管片姿态进行连续的监测，发现管片有上浮趋势或少量上浮时，采用从管片注浆孔补充注浆对管片背后进行进一步填充；在复合式TBM掘进遇到地层涌水较大段前，提前对管片进行二次补充注浆，防止管片上浮；复合式TBM掘进过程中必须控制好复合式TBM的姿态，尽可能地沿隧道轴线作小量的蛇形运动；掘进速度以缓慢推进为宜，推进速度不大于50mm/min，确保管片在脱出盾尾后不会因浆液的问题而产生不稳定的位移；压低将复合式TBM掘进高程，以此来抵消后续掘进的管片上浮值。

5、成果与经验

复合式TBM隧道施工的大多数风险可以在施工过程中得到控制，需要采取相应的控制措施并严格执行。本工程通过对复合式TBM施工风险的分析及控制，成功攻克了复合式TBM在应硬岩中各类风险，顺利完成了施工任务。

由于地下工程的特殊性,项目的唯一性、不可复制性,参建人员认知的局限性、责任性、方案和措施的不合理性以及现场管理的缺失,对复合式TBM施工过程中存在的风险认识深度、宽度不够,而复合式TBM施工过程中涉及的安全风险点多、面广、跨度大,有时候由于部分小的风险的叠加,可能会给项目造成很大的损失,因此需要对复合式TBM施工过程中的每个施工工序中存在的风险进行全面、清晰的了解,才能够做到有的放矢,制定严格制度、详实的操作规程,做好现场落实、控制工作,并总结归纳经验、教训,将复合式TBM施工过程的风险控制在一定范围内。

结束语

随着科技的发展，盾构施工是隧道施工发展的必然趋势，重庆地区复合式TBM刚刚起步，在该地区的施工经验匮乏。通过对重庆市会展中心市政交通工程的复合式TBM施工风险进行了分析和评价得出，复合式TBM施工过程是一个标准化、工厂化、反复循环的施工过程，在施工阶段可能存在各种各样的风险，找出风险事件发生的概率以及其发生后造成后果的严重程度，正确定位各个风险因素，从而采取合适的策略进行有效控制。复合式TBM施工应遵循地质是基础，复合式TBM是关键，人（管理）是根本的原则。

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