盾构螺旋输送机涌水涌砂处置措施

宋冲

摘要：土压盾构机利用螺旋输送机进行排渣和平衡土仓压力，当发生较大喷涌时，通过收缩螺旋轴，关闭前闸门，防止开挖面水土直接涌入隧道造成塌陷；本文通过某盾构项目螺旋输送机涌水涌沙采取的处置措施，为类似施工提供借鉴。

关键词：土压盾构机；螺旋输送机；故障；处置措施

1、引言

闭胸盾构机发明后，土压盾构机是利用添加剂系统保障渣土和易性和流动性，利用螺旋输送机进行排渣和平衡盾构土仓压力，这两大系统构成了土压盾构机的关键部件及其功能。当遇到内摩擦角大的砂砾石，或者地层中存在孤石、桩等障碍物，螺旋输送机被卡，或发生较大喷涌时，不能及时回缩螺旋轴，关闭前闸门，开挖面水土直接涌入隧道，造成塌陷。

2、工程概况

2.1 工程概述

某盾构区间左线长2590.006m，右线长2586.358m，采用2台土压平衡盾构机从小里程端始发，依次下穿市政道路、水道、造纸厂、高压电塔，侧穿市政桥梁等建构筑物后在大里程端吊出。隧道内径为7700mm，外径8500mm，厚400mm，右线区间采用铁建重工（DL417）土压平衡盾构机进行掘进，共计1617环，截止目前掘进至1506环（占比93.07%）。

本次螺旋输送机涌水涌沙所处位置地面主要为正在整修的耕地内，周边环境较为空旷，100m范围内无任何建构筑物及地下管线，周边环境对盾构施工影响较小。

2.2 工程地质水文

本区间隧道位于珠江三角洲冲积平原，隧道埋深19.95m~35.02m。盾构主要穿过<2-1>淤泥、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-4>粉质黏土、<3-1>粉细砂、<3-2>中粗砂、<5h-1>可塑状砂质黏性土、<5h-2>硬塑状砂质黏性土、6H全风化花岗岩、7H强风化花岗岩、8H中风化花岗岩、9H微风化花岗岩层。部分地段为上软下硬复合地层及全断面硬岩地层，局部地段夹杂有孤石。

全断面硬岩地层：本区间存在两段总长为194m长的全断面硬岩地层（8H、9H），其中<9h>微风化花岗岩层，RQD=85%，单轴抗压强度76.2~102.8MPa。

上软下硬地层：本区间有4段总长232.2m的为上软下硬复合地层。上部主要为7H强风化花岗岩软岩地层，下部为8H中风化、9H微风化花岗岩硬岩地层，RQD=60%。孤石地层：根据地质补勘资料，在ZK6+870~ZK6+920、ZK7+990~ZK8+030等地层存在孤石，在<2-1>淤泥、<5h-2>砂质粘性土地层中存在岩质坚硬的球状风化孤石，芯样长度为40cm~80cm。盾构机刚通过一段长约40m的孤石处理区，目前所处位置在详勘及施工补堪中均未发现有孤石。

根据详勘地质资料显示，本区域在MRZ3-WH03DG-14钻孔发现有一处孤石，里程为YDK5+971.24~YDK6+000.78，孤石深约22.7m，层厚约2m，位于隧道范围内的6H、7H地层交界面，岩石抗压强度fc=86.2,103.3MPa。

其中，盾构机在1508环停机隧道顶为<2-1A>淤泥、<2-2>淤泥质粉细砂、<2-1A>淤泥、开挖断面主要为<3-2>中粗砂、<6H>全风化花岗岩、<7H>强风化花岗岩；停机位置隧道埋深约为18.2米左右，详见图1。

图1 盾构机停机位置地质剖面图

2.3 盾构机情况

本盾构区间右线盾构机主要采用铁建重工DZ417土压平衡盾构机，开挖直径为8.8米，主机整长11米，采用刀盘采用复合式设计。刀盘上安装有滚刀、切刀、贝壳刀和边缘刮刀，对隧道进行全断面开挖。

其中，盾构机中心区域正面采用厚整板，幅臂对接处采用倒圆设计，幅臂板延伸到中心处背侧，中心厚板外缘背侧增加加强筋板，配置正面滚刀35把，采用20"滚刀,单刃，中心滚刀6把，采用17"双联中心滚刀；边缘滚刀12把，20"滚刀,单刃。中心刀间距101.5mm ，正面刀间距78mm。切刀80把，刮刀20把。详见图2。

图2 刀盘正面图、背面图

螺旋输送机采用有轴式螺旋，双闸门结构形式。螺旋输送机固定在前盾底部套筒法兰上。在掘进时，刀盘开挖的渣土掉落到土舱底部，通过螺旋输送机输送到皮带输送机上。螺旋输送机通过油缸的伸缩使螺旋轴与筒体形成相对运动，以此来处理堵塞和卡顿现象；筒体上设有检修门，必要时可以打开检修门来清理被卡在螺旋叶片间的渣土。螺旋机筒体上布置有改良剂注入口，可通过这些孔注入膨润土或泡沫来改善渣土的流动性。详见图3。

图3 螺旋输送机示意图

3、事件经过

右线盾构机在推进1506环油缸行程至1098mm时，螺旋机右侧底部有大量的淤泥冒出，立即停机进行查看。根据盾构掘进参数变化分析，土仓压力有一个明显的降低，螺旋机土塞失效，导致土仓压力瞬间降低2.0bar降低至1.1bar后盾构继续掘进，并提高土压1.8bar，停机保压（sammons系统处于开启状态）。

盾构机停机后，继续转动刀盘，向土仓内憋土保压；停机保压过程中，螺旋机继续有淤泥冒出，盾构机土压力再次发生压力突然下降1.8bar下降至1.4bar，同时，地面盾构机停机位置出现大面积沉降，沉降范围大概30㎡左右。螺旋机采取回缩螺杆，关闭螺旋机前闸门措施，以便控制险情；多次转动螺旋机，进行螺杆回缩，土仓压力发生波动。回缩螺旋机的过程中以及回缩以后，继续有大量的淤泥从发现的螺旋机破口处涌入隧道，在盾尾管片处增加一排实木桩后，采用沙袋反压措施控制，现场估计涌入淤泥超过60m³。详见图4。

图4 淤泥涌入隧道及抢险木桩止挡、沙袋反压情况

清理出前闸门油缸后确定前闸门未关闭，判断前闸门被孤石卡住无法关闭；通过判断，目前破洞处内外处于稳定状态。

4、原因分析

1）大量未探明的孤石堆积在螺旋机底部，造成弧形盖板长期受力后螺栓疲劳断裂出现张口破洞，导致本次螺旋机涌泥的主要原因。盾在1503环开始突遇未勘察到的孤石，盾构机强行磨孤石，导致盾构机掘进速度较慢（小于10mm），震动很大，尤其是在掘进1506环期间，掘进速度低于5mm，刀盘转速为1r/mm，刀盘扭矩控制在8900-11500Kn.m之间，并且出现快速锯齿状的波动规律，初步认为是在磨孤石，因此，本环掘进过程中，盾构机震动非常大。

右线在1503环之前的孤石爆破区掘进参数处于正常，1504环出现大量未探明的孤石后，出现推力大、刀盘扭矩大、贯入度低、掘进速度慢等异常现象。大量未探明的体积较大的孤石堆积在刀盘前方和土仓内，造成推力大、刀盘扭矩大、贯入度低、掘进速度慢。

通过对盾构正常段1503环和异常段1505环掘进参数分析对比，进入未探明的孤石段后，土压压力波动较大，推力由3000t增加到3500~4000t，扭矩由5000kNM增加到10000kNM，掘进速度由30~40mm/min降低至5mm/min。

未探明的孤石大块的堆积在刀盘前方，大量稍小块的孤石进入仓内后，堆积在螺旋机底部相嵌锁形成骨架，无法顺利排出，螺旋机轴旋转过程中，孤石与弧形盖板长期受力后螺栓疲劳断裂出现张口破洞引起涌泥。

2）现有盾构机螺旋机设计无法适应孤石不良地质的复杂工况。

螺旋机底部弧形盖板配装设计不合理，固定方式为44颗10.9级M20*60螺栓，不足以适应孤石不良地层负责工况下的掘进。

3）孤石探测难度大，现有的物探、钻探等方式均存在一定的局限性，漏探的风险较高。

5、处置措施

采用反转螺旋机，同时伸缩螺旋机动作，将卡在前闸门处的孤石重新顶回开挖仓，并回收螺旋机轴，完全关闭螺旋机前闸门，涌泥风险解除。后续对隧道内螺旋机涌出来的泥土进行清理，同时对地面塌陷位置进行回填处理，发现是由于未探明孤石引起螺旋机下方弧形钢板螺栓断裂张口出现破洞导致漏泥，破洞位于螺旋机右下方，尺寸为长40cm、宽20cm，弧形钢板固定方式为44颗10.9级M20*55螺栓，此次共拉断11颗螺丝。详见图5。

图5 盾构螺旋机盖板、螺栓连接部位、前闸门示意图及盖板开裂情况

针对性的对螺旋机进行维修补强，详见图6：

1）脱开位置螺栓尽量全部取出，更换新螺栓并增强防松措施，盖板与螺旋机筒体间加2mm纸垫密封；

2）检查弧形盖板是否变形，如变形更换新弧形盖板；

3）弧形盖板脱开一侧满焊，四周用2公分盖板加固；

4）根据现场情况，若空间允许弧形盖板底部增加支撑。

图6 针对性的对螺旋机进行维修补强

6、总结

在设计和制造时除保证足够的螺旋输送机直径、脱困扭矩外，必须保证其本体质量，必要时针对相应地层情况采取加强叶片、筒体的耐磨性设计。

施工过程中加强对螺旋机其他部位进行壁厚检测，发现是否存在受力破损的可能，以便及时补焊耐磨层；对前闸门系统进行仔细检查，确保能及时关闭；同时安排对前方孤石进一步进行加密勘探，发现孤石后提前处理，在磨孤石过程中加强对设备连接部位检查。

对长距离软弱不均，或水头压力大的地质条件，如果选用土压平衡盾构机，应优先选择双螺旋机构、双闸门。

参考文献

[1]竺维彬，鞠世建，王晖.复合地层中的盾构施工技术（新版）[M].北京;中国建筑工业出版社,2020.9.（162-169）

[2]钟长平，竺维彬，鞠世建，复合地层盾构掘进指导原则[J].都市快轨交通，2011.24（04）：86-90.

[3]黄威然，刘人怀，竺维彬，钟长平.土压盾构渣土滞塞风险控制分析[J].建筑技术,2015.46（01）：70-73.