0 引言

　　盾构法施工因其安全、快速等优点被广泛应用于地铁工程建设^[1]。在实际施工过程中，地质条件往往会造成很多施工难题。在成都富水、富大漂石砂卵石地层的地铁盾构施工过程中，盾构刀盘卡停是较为频繁发生的施工问题。刀盘卡停会严重影响施工进度，同时还容易造成施工超方进而引起地层空洞，造成滞后沉降，存在地面坍塌的隐患。目前针对盾构机刀盘卡停这一施工问题，国内已有相关学者进行了研究分析。姚艺^[2]以兰州轨道交通1号线一期工程迎马区间发生的卡机故障为例，分析了在砂卵石地层掘进过程中盾构机卡机的原因，介绍了其脱困技术方案，并详细阐述了该技术方案的实施步骤和相关技术。祝超^[3]以长沙市地铁2号线的土压平衡盾构施工为例，研究了盾构施工过程中的卡机原因，详尽地叙述了利用爆破方式解决盾构卡机问题。辜健^[4]对成都地铁凤南区盾构隧道工程多次遇到的刀盘卡停问题进行研究，提出了一种往土仓内注入大量惰性砂浆的方法。实际上造成刀盘卡停的根本原因是刀盘主驱动的脱困扭矩小于刀盘旋转的阻力矩。从盾构刀盘扭矩力学模型可知，刀盘扭矩的大小与工况条件和各参数密切相关。

　　本文依托成都地铁6号线土建3标盾构隧道工程，针对富水、富大漂石砂卵石地质条件下该盾构施工过程中多次遇到的刀盘卡停问题，研究在不同卡停情况下各参数变化对刀盘扭矩的影响，找到造成刀盘卡停的根本原因并在此基础上提出刀盘脱困的处置对策和卡停预防措施，通过实践证明该方法对解决刀盘卡停有较好的效果。

　　1 工程概况

　　成都地铁6号线土建3标含3个盾构区间，分别为檬梓站—尚锦路站区间、尚锦路站—红高路站区间、红高路站—天宇路站区间。各区间均采用盾构法施工，其中左线长度为3 902.184m，右线长度为3 905.317m，合计7 807.501m。区间隧道拱顶最大覆土埋深17.6m，最小埋深9.8m，最大曲线半径1 000m，最小曲线半径750m，最大坡度25‰，最小坡度5‰。隧道主要位于中密卵石层和密实卵石层，该区间地层土体颗粒级配极为不良，地层渗透系数大，地下水含量丰富，区间水位埋深4.1～6.1m。对隧道盾构拱顶以下2m进行筛分试验，得到土体中各颗粒含量如图1所示。

　　

　　图1 土体颗粒含量  

　　 

　　在该盾构工程施工前期，经历了多次刀盘卡停，累计时长超过600h，其中1次刀盘卡停时间长达15d。对卡停情况总结如表1所示。

　　为了保证后续施工的顺利进行，需要对刀盘卡停的原因和机理进行分析，并且提出相应的脱困处置对策和卡停预防措施。由表1可知在该盾构工程中造成刀盘卡停的主要原因有:(1)砂卵石粒径过大在掘进过程中，因为砂卵石粒径过大而造成刀盘卡停的次数约占刀盘卡停总次数的35.2%;(2)盾构长时间停机由于长时间停机导致刀盘卡停次数约占刀盘卡停总次数的41.1%;(3)超方和洞顶坍塌

　　由于超方和刀盘上方土体坍塌而引起刀盘卡停的次数约占总卡停次数的17.6%。

　　造成刀盘卡停的根本原因是刀盘主驱动的脱困扭矩小于刀盘旋转的阻力矩，故要研究刀盘卡停机理，首先需要对刀盘在掘进过程中受到的各项扭矩进行分析。

　　  

　　表1 刀盘卡停情况  

　　 

　　 

　　

　　2 刀盘卡停的影响因素分析

　　2.1 刀盘扭矩分析

　　根据现有对刀盘在掘进中所受扭矩的研究，土压平衡盾构刀盘驱动扭矩主要由刀盘正面的摩擦阻力矩T₁、刀盘圆周面上的摩擦力矩T₂、刀具切削土体扭矩T₃、刀盘背面的摩擦力矩T₄、刀盘开口槽的剪切力矩T₅、土仓内搅拌力矩T₆、刀盘推力荷载产生的旋转扭矩T₇、密封装置的摩擦力矩T₈、减速装置的摩擦力矩T₉等组成^[5]。

　　1)刀盘正面的摩擦阻力矩T₁

　　

　　 

　　式中:D为刀盘直径(m);η为刀盘开口率;μ_ms为渣土与刀盘的摩擦系数;P_d为刀盘正面受到的水平土压力(kg/m²)。

　　2)刀盘圆周面上的摩擦力矩T₂

　　

　　 

　　式中:B为刀盘宽度(m);P_z为刀盘圆周受到的水土压力(kg/m²)。

　　3)刀具切削土体扭矩T₃

　　

　　 

　　式中:m₁为滚刀数量;m₂为切刀数量;F_r为单把滚刀的滚动力(k N);F_c为单把切刀的切削阻力(kN);R_d为滚刀的平均回转半径(m);R_c为切刀的平均回转半径(m)。

　　4)刀盘背面的摩擦力矩T₄

　　

　　 

　　式中:σ_m为土仓内平均土压力(kN/m²)。

　　5)刀盘开口槽的剪切力矩T₅

　　

　　 

　　式中:τ_f为土体的抗剪切强度(kPa)，且τ_f=c+p_d·tanφ;c为黏聚力，砂卵石地层c取0;φ为土体的内摩擦角(°)。

　　6)土仓内搅拌力矩T₆

　　

　　 

　　式中:T₆₁为搅拌棒与渣土之间的摩擦力矩;m为支腿数量;R_b为支腿平均回转半径(m);A_b为支腿迎土面面积(m²);A_c为支腿侧面面积(m²)。

　　由于T₇,T₈,T₉扭矩较小(三者约占刀盘总扭矩的2%左右)，且不是由掌子面和土舱内渣土直接作用产生，因此本文只针对T₁～T₆进行研究。

　　根据成都地铁6号线土建3标盾构施工区间地质参数及盾构机掘进参数，对盾构机正常掘进过程中受到的各项扭矩进行计算，如表2所示。

　　  

　　表2 各项扭矩大小及占比  

　　 

　　 

　　

　　由表2可知，对该盾构刀盘扭矩影响较大的几项扭矩是:刀盘前表面与掌子面土体的摩擦力矩T₁，刀盘圆周面与周围土体的摩擦扭矩T₂，刀具切削土体扭矩T₃，刀盘背面与土仓内渣土的摩擦力矩T₄。以上几项扭矩约占刀盘驱动总扭矩的80%。

　　由扭矩计算模型可知，在不考虑盾构本身结构参数情况下，影响该盾构刀盘扭矩的主要因素有:土体与刀盘的摩擦系数μ_ms，土体的内摩擦角φ，刀盘周围受到的水土压力P_z，刀盘正面受到的水平土压力P_d，土仓内渣土的平均土压力σ_m。

　　2.2 刀盘卡停原因分析

　　1)大粒径漂卵石对刀盘卡停的影响

　　根据现场钻探勘测，该地段地层中卵石含量高达50%～80%，其中大漂石含量约为5%，最大粒径超过600mm，且分布多为局部富集。

　　在盾构机掘进过程中，掌子面大量的漂卵石与刀盘正面直接接触，部分未进入刀盘开口的漂卵石随着刀盘旋转，且在盾构机轴向推力的作用下，与刀盘正面挤压产生摩擦，使刀盘正面摩擦扭矩T₁急剧增大。

　　此外，个别粒径大于刀盘开口的漂石，在没有被破碎的情况下部分卡入刀盘开口，不能完全进入土仓，如图2所示。

　　漂石卡入刀盘后，在随刀盘转动的过程中额外增加了漂石与掌子面的摩擦阻力矩T_τ。

　　

　　图2 卡入刀盘开口处的漂石 

　　 

　　

　　 

　　式中:μ为漂石与土体的摩擦系数;P_d为掌子面水平土压力(kN/m²);r为漂石的回转半径(m);A为卡在刀盘外的漂石面积(m²)。

　　以一块卡在距刀盘中心2m处的漂石为例，由式(7)计算得到A和P_d在一定取值范围内的T_τ值如图3所示。

　　

　　图3 摩擦扭矩T_τ的值  

　　 

　　由图3可知，单块漂石卡入刀盘开口时，其与掌子面土体产生的摩擦阻力矩相对较小。但是本工程盾构区间大粒径漂卵石含量多，且分布较为集中，当多个漂石同时卡入刀盘时，其产生的摩擦扭矩将急剧增大。此外，进入土仓内的漂卵石与刀盘背面、搅拌装置以及螺旋送机等都会发生摩擦，从而增大了刀盘背面的摩擦力矩T₄和土仓内搅拌力矩T₆。

　　综上分析，大漂石从进入刀盘前到最终被螺旋输送机排出的过程，增大了扭矩T₁,T₄和T₆，且卡入刀盘的漂石还产生了额外的摩擦扭矩T_τ，当刀盘的摩擦阻力矩大于其最大驱动扭矩时而发生卡停。

　　2)长时间停机对刀盘卡停的影响

　　刀盘在正常旋转掘进时，刀盘外表面与渣土之间相对滑动，处于动摩擦状态，产生的摩擦阻力矩相对较小。而在刀盘静止一段时间后重启时，渣土与刀盘之间的摩擦形式为静摩擦，摩擦系数更大，而且由于盾构机长时间停机，地层在土压力作用下作用于刀盘正面和外部周圈表面，压紧并包裹刀盘，导致刀盘启动力矩大增。另外，长时间停机也会导致膨润土、泡沫剂等对渣土的改良效果逐渐消失，随着地下水的浸入，也带走了渣土中的细小颗粒，使得刀盘上的被动土压力和与渣土的摩擦系数增大，从而造成刀盘正面、背面的摩擦扭矩以及土仓内的搅拌扭矩等急剧增加，致使刀盘卡停。

　　3)洞顶坍塌对刀盘卡停的影响

　　砂卵石地层孔隙率较大，局部地层夹透镜体砂层，透水性强，自稳能力差，在盾构掘进过程中容易引起隧道上方土体失稳而坍塌。掉落下来的漂石、砂卵石土体堆砌在刀盘周围，对刀盘形成包裹，从而增大刀盘正面的摩擦阻力矩T₁和刀盘周围的摩擦阻力矩T₂，从而造成刀盘的卡停。

　　3 刀盘卡停处置对策及预防措施

　　3.1 改良剂的选择

　　渣土改良是影响砂卵石地层盾构施工成败的关键，其目的是增加渣土的流动性、抗渗性和流塑性，降低刀盘与渣土的摩擦系数和摩擦力，最终达到降低刀盘扭矩的效果^[6]。本工程施工过程中使用的渣土改良剂主要有泡沫剂、膨润土(钠基)以及惰性浆液，它们的性质及功能如表3所示。

　　3.2 处置对策

　　3.2.1 大漂石卡刀盘的处置对策

　　1)主机少量后退+刀盘正反转+注入泡沫剂

　　当盾构刀盘被前方掌子面大粒径漂卵石卡死时，可以通过土仓加压+收缩推进油缸+收缩铰接油缸使盾构有较小程度的后退量(不超过50mm)，让刀盘与掌子面留有一定间隙以此降低前方掌子面土体对刀盘的水平土压力P_d，从而减小漂石与掌子面的摩擦阻力矩T_τ和刀盘正面的摩擦力矩T₁。通过刀盘正反转改善刀盘周围土体的接触界面和摩擦力，减少卵漂石的卡阻，从而减小刀盘圆周面的摩擦力矩T₂。

　　同时，向刀盘正面、周围以及土仓内注入泡沫剂，使土体的内摩擦角φ减小，降低土体与刀盘之间的摩擦系数μ_ms，改善渣土的流动性。由式(1)～(2)和(4),(6)计算得到μ_ms与T₁,T₂,T₄,T₆的关系如图4所示，随着μ_ms的减小，T₁,T₂,T₄，均显著降低;由式(5)计算得到内摩擦角φ与T₅的关系如图5所示，随着φ减小，能有效降低刀盘开口槽的剪切扭矩。因此通过注入适量泡沫剂改良渣土物理性质从而降低刀盘阻力矩的方法是可行的。

　　

　　图4 μ_ms与各项摩擦扭矩的关系  

　　 

　　

　　图5 φ与T₅的关系  

　　 

　　2)出渣+注入高浓度膨润土

　　若上述方法不能实现刀盘脱困，则可以进行排渣处理。启动螺旋输送机，一方面将土仓内的大粒径漂卵石尽可能多的排出，另一方面降低土仓压力。与此同时向土仓内注入高浓度的膨润土。膨润土的注入能在土颗粒之间形成具有低渗透性的薄膜，稳定开挖面，同时减小渣土与盾构的摩擦系数μ_ms并提高渣土的流塑性。由式(4)和(6)计算得到摩擦系数μ_ms和土仓内平均土压力σ_m对刀盘背面的摩擦力矩T₄、土仓内渣土搅拌力矩T₆的影响分别如图6和图7所示。

　　由图6和图7可知，通过出渣降低土仓内平均压力σ_m并结合高浓度膨润土降低摩擦系数μ_ms的方式能有效降低刀盘背面的摩擦力矩和土仓内渣土搅拌力矩，有助于刀盘脱困。

　　3.2.2 长时间停机造成刀盘卡停的处置对策

　　  

　　表3 改良剂性质及功能  

　　 

　　 

　　

　　图6 μ_ms和σ_m对T₄的影响  

　　 

　　

　　图7 μ_ms和σ_m对T₆的影响  

　　 

　　长时间停机后，首先尝试刀盘正反转，使沉积在土仓及刀盘周围的土体流动起来，同时注入高压惰性浆液。本工程所使用的惰性浆液及材料的成分配合比如表4所示。

　　  

　　表4 惰性浆液材料试验配合比  

　　 

　　 

　　

　　高压惰性浆液良好的填充性能，能有效填充漂卵石之间的空隙，且不易被稀释，能快速增加渣土的流塑性，降低渣土与刀盘的摩擦系数μ_ms，从而减小T₁,T₂,T₄,T₆，同时使刀盘前方松动土体短时间稳定，最终实现刀盘脱困。

　　3.2.3 洞顶坍塌造成刀盘卡停的处置对策

　　在盾构掘进过程中，当刀盘前方发生坍塌而导致刀盘被卡死时，立即将所有油缸顶在管片上并保持推进油缸压力3.5MPa以上，以保障掌子面的稳定。先通过注入大量高浓度膨润土或惰性浆液填充孔洞，使土仓压力达到水土压力的1.2倍左右，启动螺旋输送机，排出渣土进行置换，循环处理3～4次。

　　通过排渣，将涌入土仓的漂卵石尽可能排出，而高浓度的膨润土和惰性浆液使开挖面土体形成具有低渗透性的泥膜，稳定开挖面的同时也可防止地下水涌入土仓和冲走细颗粒。土仓中的渣土被膨润土和惰性浆液置换，改良了渣土，提高渣土的流塑性，减小渣土的内摩擦角φ以及与刀盘的摩擦系数μ_ms，从而减小刀盘驱动阻力矩，达到实现刀盘脱困目的。

　　3.3 预防措施

　　1)在每环掘进完成前100mm开始逐步降低刀盘扭矩，使得刀盘扭矩降低至2 500kN·m以下。在砂卵石地层中，盾构机的正常推进速度应为55～70mm/min，在停机前应逐渐减小盾构机推力，降低推进速度和刀盘贯入度，停机前推进速度在30mm/min左右保持30s以上。

　　2)停机前减小推进速度的同时减小螺旋输送机转速，使螺旋输送机出渣量小于进渣量，且使进入土仓的渣土得到充分改良，尽量使土仓被改良渣填充满，避免前方塌方。

　　3)长时间停机之前应向土仓内注入高浓度膨润土，保证土仓压力高于地层水土压力的1.2倍左右。若预计停机时间超过24h，则应用膨润土置换一部分渣土，并每隔8h进行一次刀盘正反转，以保证渣土的均匀性，同时在停机过程中发现土压降低后应及时注入膨润土保压。

　　4)停机复推开始时逐渐打开螺旋输送机闸门，同时转动螺旋输送机，逐渐排出螺旋输送机内的积水和积渣，尽量防止螺旋输送机喷涌和卡停。

　　4 结语

　　1)刀盘主驱动的脱困扭矩小于该条件下刀盘旋转的阻力矩是造成刀盘卡停的直接原因。引起刀盘卡停的主要因素是:地层富存大粒径漂卵石、盾构长时间停机以及掘进超方引起的洞顶坍塌。

　　2)不同的改良剂其性质和功能均有所不同，在实际施工过程中，应根据不同的工程条件选用合适的改良剂，以达到最佳的改良效果，如在高压水环境下，适宜采用惰性浆液作为改良剂。

　　3)针对不同的刀盘卡停情况，提出了相应的处置对策，基于刀盘扭矩的数学模型，分析计算了不同参数对各项扭矩和刀盘卡停的影响。

　　4)为降低施工中遭遇刀盘卡停的风险，结合工程实践经验，提出了刀盘卡停的预防措施。