砂岩复合地层盾构旋转事故分析

曹建辉/CAO Jian-hui

(中铁三局集团桥隧工程分公司，河北 邯郸 056036)

近年来，我国地铁建设大规模开展，盾构法施工作为一种对周边环境影响较小的施工方法，被广泛应用于地铁工程建设。在硬岩掘进中，偶有盾体和管片旋转的事件发生。本文依托成都地铁某标段左线管片旋转事件，从硬岩地质、刀具配置、施工操作和力学机理等方面对盾构大幅度翻转的原因进行了深入分析。

1 工程概况

成都地铁1号线某区间左线掘进150环时，发生盾体旋转事故。盾构位于全断面中风化砂岩层，盾构处于半径R=450m的左转平面圆曲线上，竖曲线处于28‰的下坡段隧道顶部埋深12.6m。中等风化层，岩体较完整，岩芯呈柱状，锤击声脆，局部夹砾岩，岩芯采取率90%～95%。饱和抗压强度值Rc=7.20～15.90MPa。岩石基本质量等级为Ⅳ级。该套地层以厚层～巨厚层构造为主，岩层产状320°∠10°，节理裂隙弱发育，节理多以竖直方向为主。

管片外径为6 000mm，内径为5 400mm，宽度为1 500m，厚度为300mm，混凝土强度为C50，抗渗等级为P12。每环由6块管片组成，其中1块封顶块，2块邻接块，3块标准块；每环管片环向采用12根M27螺栓，纵向采用10根M27螺栓进行连接，管片螺栓机械性能为5.6级。

2 盾构配置

施工使用1台中铁装备CET6250复合式土压平衡盾构，盾构刀盘开挖直径∅6 280mm。盾构刀盘面板、刀盘周边和螺旋机采用复合钢板或耐磨块，以加强耐磨性能。盾构最大推力3 700t；额定扭矩6 650 kNm。螺旋机筒体内径800mm，最大通过粒径为∅300×570mm。

2.1 刀盘的布置

刀盘面板采用4个主梁和4个副梁的结构形式。刀盘开口率36%，中心区域开口率达到38%。刀盘前面共设置了6个添加剂注入口，其中4个为专用泡沫口，另外2个为专用的膨润土注入喷口。在磨损较多的部位，如刀盘进土口、刀盘开挖面、搅拌棒、刀盘边缘等处，堆焊网格状耐磨硬质合金，大大提高了刀盘的耐磨性能和使用寿命（图1)。

图1 中铁装备盾构刀盘结构

2.2 刀具的布置

刀盘共布置了4把17寸双刃中心滚刀、32把17寸单刃滚刀，滚刀直径为432mm；1号～8号滚刀刀间距90mm，8号～25号滚刀刀间距100mm，25号～39号滚刀刀间距逐渐减小。焊接撕裂刀29把，刀高140mm；焊接撕裂刀和单刃滚刀处于同一轨迹，S1对应27号滚刀的轨迹线，两种在刀盘上安装位置不同，如图2、图3所示。周边刮刀8把，刀高130mm；刮刀32把，刀高120mm；保径刀8把，刀高70mm。切削刀具采用大块硬质合金结构。刀具采取高低搭配，滚刀高出焊接撕裂刀35mm，滚刀高出刮刀45mm。在硬岩地段掘进时保护切刀，掘进中以滚刀先破开岩层，刮刀将破碎的岩石刮进土仓。

图2 滚刀及其轨迹线

3 管片旋转过程

图3 焊接撕裂刀及其轨迹线

盾构掘进第150环时，盾构掘进参数：上部土压0.53～0.98bar；刀盘转速1.5r/min；刀盘扭矩3 000kNm；推力10 800～12 748kN；推进速度在30～65mm/min；盾体滚动角变化平均速率为0.25°/min。盾构司机为提高推进速度，加大推力至12 748kN。刀盘扭矩变化不大，但滚动角变化极快，几分钟内由-1.97°快速变化至+4.86°。盾尾处突然发出巨响并发生剧烈震动，盾体向逆时针方向偏移。技术人员现场检查盾尾时，发现第147环至148环之间管片纵向螺栓全部断裂。147环与148环相对应的螺栓孔逆时针旋转47cm。经计算，管片偏转度数为-9.97°。发生事件时刀盘转向为顺时针转动，导向系统显示滚动角为极值-5°，实际测量盾构偏转角度为-8.7°，如图4所示。

图4 管片旋转照片及螺栓剪断照片

4 管片扭转原因分析

4.1 理论分析

盾构刀盘旋转切削岩土时，岩土对刀盘产生一个反力矩M岩，岩土对盾构外壳产生一反方向力矩M盾，以维持盾构体平衡。主要存在三种情况。

1）当M岩≤M盾时，盾构体稳定，管片不会出现扭转趋势。

2）当M岩＞M盾时，盾构具有滚动的趋势，盾构的推进千斤顶对管片产生扭矩。当管片与围岩或同步浆液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，盾构体及管片也都稳定，不会出现扭转趋势。

3）当M岩＞M盾+M管片时，盾构体和管片会发生扭转。

根据上述力学分析，导致管片扭转的原因有刀盘贯入度过大、刀盘扭矩过大等掘进参数异常；刀盘前方有异常障碍物；围岩稳定性较好，管片与围岩之间存在着一定的空隙等。

4.2 开仓检查

为确认刀盘前方是否存在障碍物卡住刀盘导致事件发生，针对此次事件进行开仓检查。

1）冲洗刀盘和清理渣土后，检查刀盘外观无异常情况、刀具磨损正常，未发现异常障碍物卡住刀盘。

2）刀盘位于全断中风化砂岩地层，地层较为稳定，发生在刀盘中上部有一层较厚的砾岩层。砾岩层属于堆积层，砾岩的强度明确高于砂岩。

3）刀盘外圆弧焊接撕裂刀与同一轨迹的滚刀高差过小。

4.3 根据开仓情况和掘进参数综合分析

第150环盾构掘进参数：上部土压在0.53～0.98bar；刀盘转速1.5r/min；刀盘扭矩3 000kNm左右；推力10 800～12 400kN；推进速度在30～65mm/min；盾构司机在掘进过程时为提高掘进速度加大推力，当掘进速度提高到65mm/min时，没有相应的提高刀盘转速。此时刀具的贯入度大于45mm/r。刀盘布置了40刃17寸滚刀，滚刀高于刀盘面板175mm，焊接撕裂刀29把，滚刀高于刀盘面板140mm。两者差值35mm。

当掘进速度提高后，刀具的贯入度大于45mm/r时，贯入度大于滚刀与焊接撕裂刀的刀高差。导致滚刀和焊接撕裂刀同时开挖掌子面。此段地层含有较厚砾岩层硬度较高，焊接撕裂刀直接作用于掌子面，但其不能有效的破岩。致使刀盘瞬间被卡，导致盾体和盾尾内两环管片旋转，从而发生盾尾外部第147环与第148环管片相对旋转-9.97°，管片纵向螺栓全部断裂。两环相对应的螺栓孔逆时针旋转47cm。

5 预防及处理措施

1）每一块管片拼装时，应将每个螺栓初步扭紧，在盾构掘进过程中确保管片3次复紧工作。

2）根据盾构姿态，合理分配各推进油缸分区油压。避免较大分区压力差使管片产生漂浮现象，从而提高管片的整体自稳性。

3）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。

4）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。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。

5）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。

6）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。

6 总 结

盾构在硬岩掘进时，盾构司机应充分掌掘区间地质情况及围岩的特性。在刀具选择上采用全盘滚刀，应取消焊接撕裂刀的布置。掘进参数的选择采用小推力、高转速、低扭矩的掘进模式，密切关注贯入度，贯入度应控制在20mm/r。