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摘要:盾构或复合式TBM在城市地铁施工中占主导地位，其有很多优点如施工速度快、干扰较小、自动化程度高、开挖安全和衬砌同步等。但如果出现地层变形复合式TBM盾壳被卡死，不能进行推进，复合式TBM就失去了快速推进的优势。本文重点叙述针对本工程复合式TBM盾壳抱死处理措施，从刀盘土仓内爆破施工、盾壳上部爆破施工、地表房屋监测、支护、脱困推进等方面进行阐述，为以后的城市地铁施工盾壳被卡提供较实用的参考事例。
关键词：复合式TBM;盾壳被卡;仓内爆破;房屋监测;脱困
Abstract: The shield or composite TBM dominated in city subway construction, it has many advantages such as fast construction speed, less interference, high degree of automation, excavation safety and lining synchronization. But if the stratum deformation of composite TBM shield was stuck there, not promote, composite TBM lost the advantage of rapid advance. This paper focuses on the engineering of composite TBM shield locking measures, is described from the cutter head chamber blasting, the blasting construction, shield shell surface building monitoring, support, from promoting aspects for future city, Metro construction shield is cards provide reference examples of practical.
Keywords: composite TBM; shield card; chamber blasting; housing difficulty monitoring;
中图分类号：U445.4 献标识码：文章编号：2095-2104（2013）1-0020-02
1 工程概况
重庆轨道交通六号线二期复合式TBM试验段曹蔡区间线路长1776双线延长米，管片1184环，1.5m/环，复合式TBM刀盘开挖直径6.28m，管片厚度30cm。右线采用中铁19号复合式TBM掘进,左右线隧道线间距13.1m，右线复合式TBM被卡时刀盘里程为YDK42+493.826，该处隧道埋深11.5m，见图1 复合式TBM位置平面位置。
2 工程地质
曹蔡区间线路主要穿越的地层为为砂质泥岩和砂岩，砂质泥岩主要由石英，云母，长石等组成，砂质泥岩为粉砂泥质结构，中厚层状构造，主要矿物成分为粘土质矿物，表层强风化带厚度0.50～1.50m，强风化岩心呈碎块状，风化裂隙发育；中风化岩心呈柱状，裂隙不发育，完整性较好，是里程YDK42+950之后段的主要岩层；砂岩主要矿物成分为石英、长石，为中～厚层状构造，泥钙质胶结。裂隙较发育，完整性较好，是里程YDK42+950之前段的主要岩层。隧道洞身范围内砂岩抗压强度为42～44Mpa。
3 盾壳被卡时的地表环境
盾壳被卡处地表建筑物为一机械加工厂，刀盘位于一间三层楼房的厂房内，线路上方周边有多处楼房且个别楼房较破旧，有明显的裂缝、裂纹。盾构所在位置见图2线路地表建筑。
4 复合式TBM盾壳被卡前施工过程
中铁19号复合式TBM掘进至627环后，因推力逐渐增大、刀盘扭矩逐渐减小，随后开仓更换刀具，2011年2月12日刀具换完。复合式TBM恢复掘进开始进行628环掘进。但掘进参数出现异常，推力不断增加（至3800t）、刀盘扭矩减小（至200kN.m）、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。
采用在盾尾增加外力小油缸，加大推力的方式进行脱困，但效果不明显。从2012年2月12日至2011年2月24日复合式TBM累计向前推进至1330mm。推进速度缓慢且盾尾铰接被拉断，推力达不到复合式TBM正常掘进。经过专家小组评定拟采用爆破方法破除盾体前方及上方围岩，使复合式TBM尽快脱困。
5 复合式TBM盾壳被卡处理措施
本次爆破地层主要为中风化砂岩，抗压强度为42～44Mpa，施工作业空间位于复合式TBM土仓内，作业空间狭小，爆破不能一次成型，只能分步进行。清除盾体上部岩石的施工拟分两个阶段，第一阶段在刀盘前方爆破开挖一个工作洞，第二阶段清除复合式TBM前体上方岩体，达到盾壳不在被围岩卡死，减小推进时摩擦阻力，见图3分步爆破示意图。
5.1 施工工艺流程
每个阶段的具体施工工序流程如下：施工准备（爆破区刀具拆除、设备防护、人员及物资准备）→开仓程序→钻眼→装药→设备防护→通知地表人员进行监测及巡视→仓内人员撤出→起爆→监测数据及巡视结果反馈至主机室→通风（气体检测）→效果检查→出碴→初期支护（喷砼支护）→爆破参数优化→进行下一循环作业。
5.2爆破技术要求
5.2.1 严格遵循“浅孔、密眼、小药量、间隔装药”原则，有效控制爆破震动效应，避免和减少爆破震动对地面建筑造成不利影响。
5.2.2 严格控制爆破后石渣块度大小（直径要控制在30cm以内），保证能够使用复合式TBM螺旋机直接进行出渣，缩短清渣时间。
5.2.3 严格控制单段的最大装药量、优化炮孔布置，尽可能减少炸药爆炸产生的爆轰波及高温、高压的爆轰产物对复合式TBM刀盘及机械设备造成损伤。
5.3 爆破材料及装药结构的选择
根据隧道水文地质情况及作业环境的特殊性，应选用防水效果好、起爆安全的爆破器材。选用2#岩石乳化炸药，药卷直径为32mm，爆速3600mm/s,用毫秒延期导爆管雷管。
炮眼直径为φ40mm，炮孔深度h控制在1.2m以内，采用不偶合及间隔装药，装药长度一般为孔深的1/3～1/2，雷管置于自上部算起装药全长的1/3～1/2处，见图4 爆孔裝药结构示意图。
5.4爆破施工
5.4.1 第一阶段爆破
为优化爆破参数，确保复合式TBM安全，在正式爆破前首先要进行试爆。试爆从刀盘上部切口位置开槽，炮眼孔间距200mm，孔深800mm，装药量200g/孔，四周及中部设空孔，爆破结束后根据爆破效果、地表监测情况对装药量及爆破参数进行调整和优化，见图5 第一阶段局部爆布眼图。
第一次掏槽爆破完成后，转动刀盘，利用第一次掏槽临空面，同样在复合式TBM刀盘开口位置进行扩大掏槽，方法同第一次。
5.4.2 第二阶段爆破（盾体周边爆破施工）
利用第一阶段（刀盘前部）已开挖出的作业空间破除盾体上方岩体，为减小爆破对盾体造成损伤，距离复合式TBM外轮廓线上部预留400mm的保护层，并且保护层位置周边孔采用弱松动爆破处理方法。盾体上方围岩的清除按掏槽——扩大断面的顺序进行。
利用掏槽形成的临空面，由中间向两侧逐步清除盾体上部围岩，盾体上方共布置三排孔，排间距300mm且第一排孔距复合式TBM外轮廓线400mm，列间距为300mm，炮眼深1000～1100mm，装药量300g/孔。
6爆破施工监测
在爆破施工期间需要进行监测的项目有：地面及建筑物的沉降及倾斜、爆破震速、右线相應位置的管片姿态、收敛及外观。
6.1 地面及建筑物的沉降监测
6.1.1 监测点布置图，如图7建筑物沉降监测布点图
1）爆破施工前，监测组对爆破位置上方地面及厂房监测点进行仔细检查并测初值；
2）监测频率：沉降及裂纹的监测，每次爆破作业前及爆破后各一次；建筑物倾斜监测每天1次。监测结果完成后20min内进行信息反馈。
6.1.2 监测控制标准
表1 中铁19号穿越建构筑变形特征及最大允许值
6.1.3地表建筑沉降测量
厂区内的厂房（地表建筑）自2011年2月3日开始监测，到2011年3月10爆破完成该厂房最大累计沉降值为-1.58mm，最大沉降速率为-0.07mm/d，沉降变化不大。测量数据如表2建筑物沉降监测统计表。
表2 建筑物沉降监测统计表
6.2 爆破振速监测
6.2.1 监测方法仪器选择
采用振动测量仪器为UBOX-5016爆破振动智能监测仪，能对传感器（包括速度、加速度、压力、应变、温度等）产生的动态、静态模拟信号自动进行A/D转换和存储。
6.2.2 测点布置方法
隧道爆破作业时，在离爆破点最近的房屋基础上设置爆破震动监测点。传感器固定应良好，传感器固定不好会使测得信号失真。工程监测中首先清理测点表面上的浮土，修平测点表面，然后采用石膏粉（加水）作为黏结剂将传感器牢固地粘贴在测点表面，以保证传感器可随基岩运动而运动，见图8 爆破振速监测仪意和图传感器的固定图。
6.2.3 爆破震速要求及爆破振动测试结果
1）由于中铁19号复合式TBM卡刀盘点地表所处环境较为复杂，周边建筑物的峰值振动速度不大于以下值：①、较坚固的建筑物砖混＜2.5cm/s；②、一般建筑物＜1.5cm/s；③、陈旧房屋＜0.8cm/s；④、本隧道为临近居民的浅埋隧道，为避免爆破振动和噪声而扰民，一般振动速度应控制在0.8cm/s。
2）爆破震速过程监控见表3：
试验地点：刀盘上方地表工厂内；传感器类型：PS-4.5B垂直检波器；数采设备类型：UBOX-5016爆破振动智能监测仪；数据处理标准：萨道夫斯基公式。
表3 爆破震速过程监控
数据分析：所测振动速度最大值为0.396cm/s，符合《爆破安全规程》（GB6922—2003）关于房屋地面质点振动速度的要求。
7 爆破设计优化
根据试爆结果和实际岩层条件对爆破效果进行分析，及时调整或修正爆破参数，主要采取以下措施：
1）修正并优化单段的装药量、优化炮孔布置，尽可能减少炸药爆炸产生的爆轰波及高温、高压的爆轰产物对复合式TBM刀盘及机械设备造成损伤。
2）依据开挖面凹凸情况修正钻眼深度，调整装药耦合系数。
3）根据爆破震速监测，调整同段起爆最大药量和雷管段数，最大爆破振速不超过0.8cm/s。
8 初期支护
支护参数设计
根据地质地质图及开仓检查结果，爆破地层主要为中风化砂岩，节理不发育，（抗压强度为42～44Mpa），围岩自稳能力较好。采用喷混凝土+锚杆+挂网的方式予以支护,其中喷砼厚度为12cm、锚杆采用1.5m，钢筋网采用Ф8×Ф8圆钢顶部满铺，钢筋网间距30cm。
9 复合式TBM推进
9.1 复合式TBM试推进
2010年3月11日19号将前盾与中盾上方的岩石爆破完成后，复合式TBM开始试推进，累计掘进了350mm。但推力已从初始推进时1800吨上升到3400吨（不含小油缸1100吨），刀盘扭矩从600kN.m下降到220kN.m,掘进速度极慢（平均速度只有2～4mm/s）。掘进推力不断上升、刀盘扭矩不断下降，改进的拉杆拉断一根,无法正常推进，停止推进，开仓进行检查。
9.2后续处理措施
将盾尾处上方的围岩与盾尾切断，由于盾尾钢板相对薄弱（只有25mm厚）、各种传感器密集，且正好位于铰接油缸所在，属于整个复合式TBM最薄弱点。实施爆破，极易损坏盾尾和设备。确定采用Ф80钻头沿已开挖完毕的复合式TBM上半断面平行密集打孔。按5cm的间距布置钻孔，尽可能的切断围岩与盾尾之间的联系，减少盾尾前进的拉力,待开孔完毕后，再次实施试推进。
9.3 复合式TBM推进
2011年3月13日后续处理措施实施完毕后，开始试推进，推进工作缓但较连续，在29天的停机处理后，中铁19号复合式TBM脱困成功。脱困后及时对管片背后空洞补注浆，保证开挖洞室填充密实、控制管片在安装后变形或浮动。
结束语：
1、当复合式TBM掘进参数出现异常，盾壳可能被卡时，应及时分析原因，果断采取措施，防止长时间处理，盾壳被地层越卡越紧。
2、在进行爆破处理被卡的盾壳时，加强地表建（构）筑物监控量测。
3、在爆破作业进行至盾尾时，由于盾尾钢板相对薄弱，各种传感器密集，且位于铰接油缸所在，属于整个复合式TBM最薄弱点，防止设备在爆破时损坏。
4、加强爆破后通风和空气质量监测。
5、盾壳脱困成功后，将爆破后的洞室进行注砂浆或补注双液浆，保证洞室回填密实，保证线和防止管片变形或上浮。
关键词：复合式TBM;盾壳被卡;仓内爆破;房屋监测;脱困
Abstract: The shield or composite TBM dominated in city subway construction, it has many advantages such as fast construction speed, less interference, high degree of automation, excavation safety and lining synchronization. But if the stratum deformation of composite TBM shield was stuck there, not promote, composite TBM lost the advantage of rapid advance. This paper focuses on the engineering of composite TBM shield locking measures, is described from the cutter head chamber blasting, the blasting construction, shield shell surface building monitoring, support, from promoting aspects for future city, Metro construction shield is cards provide reference examples of practical.
Keywords: composite TBM; shield card; chamber blasting; housing difficulty monitoring;
中图分类号：U445.4 献标识码：文章编号：2095-2104（2013）1-0020-02
1 工程概况
重庆轨道交通六号线二期复合式TBM试验段曹蔡区间线路长1776双线延长米，管片1184环，1.5m/环，复合式TBM刀盘开挖直径6.28m，管片厚度30cm。右线采用中铁19号复合式TBM掘进,左右线隧道线间距13.1m，右线复合式TBM被卡时刀盘里程为YDK42+493.826，该处隧道埋深11.5m，见图1 复合式TBM位置平面位置。
2 工程地质
曹蔡区间线路主要穿越的地层为为砂质泥岩和砂岩，砂质泥岩主要由石英，云母，长石等组成，砂质泥岩为粉砂泥质结构，中厚层状构造，主要矿物成分为粘土质矿物，表层强风化带厚度0.50～1.50m，强风化岩心呈碎块状，风化裂隙发育；中风化岩心呈柱状，裂隙不发育，完整性较好，是里程YDK42+950之后段的主要岩层；砂岩主要矿物成分为石英、长石，为中～厚层状构造，泥钙质胶结。裂隙较发育，完整性较好，是里程YDK42+950之前段的主要岩层。隧道洞身范围内砂岩抗压强度为42～44Mpa。
3 盾壳被卡时的地表环境
盾壳被卡处地表建筑物为一机械加工厂，刀盘位于一间三层楼房的厂房内，线路上方周边有多处楼房且个别楼房较破旧，有明显的裂缝、裂纹。盾构所在位置见图2线路地表建筑。
4 复合式TBM盾壳被卡前施工过程
中铁19号复合式TBM掘进至627环后，因推力逐渐增大、刀盘扭矩逐渐减小，随后开仓更换刀具，2011年2月12日刀具换完。复合式TBM恢复掘进开始进行628环掘进。但掘进参数出现异常，推力不断增加（至3800t）、刀盘扭矩减小（至200kN.m）、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。
采用在盾尾增加外力小油缸，加大推力的方式进行脱困，但效果不明显。从2012年2月12日至2011年2月24日复合式TBM累计向前推进至1330mm。推进速度缓慢且盾尾铰接被拉断，推力达不到复合式TBM正常掘进。经过专家小组评定拟采用爆破方法破除盾体前方及上方围岩，使复合式TBM尽快脱困。
5 复合式TBM盾壳被卡处理措施
本次爆破地层主要为中风化砂岩，抗压强度为42～44Mpa，施工作业空间位于复合式TBM土仓内，作业空间狭小，爆破不能一次成型，只能分步进行。清除盾体上部岩石的施工拟分两个阶段，第一阶段在刀盘前方爆破开挖一个工作洞，第二阶段清除复合式TBM前体上方岩体，达到盾壳不在被围岩卡死，减小推进时摩擦阻力，见图3分步爆破示意图。
5.1 施工工艺流程
每个阶段的具体施工工序流程如下：施工准备（爆破区刀具拆除、设备防护、人员及物资准备）→开仓程序→钻眼→装药→设备防护→通知地表人员进行监测及巡视→仓内人员撤出→起爆→监测数据及巡视结果反馈至主机室→通风（气体检测）→效果检查→出碴→初期支护（喷砼支护）→爆破参数优化→进行下一循环作业。
5.2爆破技术要求
5.2.1 严格遵循“浅孔、密眼、小药量、间隔装药”原则，有效控制爆破震动效应，避免和减少爆破震动对地面建筑造成不利影响。
5.2.2 严格控制爆破后石渣块度大小（直径要控制在30cm以内），保证能够使用复合式TBM螺旋机直接进行出渣，缩短清渣时间。
5.2.3 严格控制单段的最大装药量、优化炮孔布置，尽可能减少炸药爆炸产生的爆轰波及高温、高压的爆轰产物对复合式TBM刀盘及机械设备造成损伤。
5.3 爆破材料及装药结构的选择
根据隧道水文地质情况及作业环境的特殊性，应选用防水效果好、起爆安全的爆破器材。选用2#岩石乳化炸药，药卷直径为32mm，爆速3600mm/s,用毫秒延期导爆管雷管。
炮眼直径为φ40mm，炮孔深度h控制在1.2m以内，采用不偶合及间隔装药，装药长度一般为孔深的1/3～1/2，雷管置于自上部算起装药全长的1/3～1/2处，见图4 爆孔裝药结构示意图。
5.4爆破施工
5.4.1 第一阶段爆破
为优化爆破参数，确保复合式TBM安全，在正式爆破前首先要进行试爆。试爆从刀盘上部切口位置开槽，炮眼孔间距200mm，孔深800mm，装药量200g/孔，四周及中部设空孔，爆破结束后根据爆破效果、地表监测情况对装药量及爆破参数进行调整和优化，见图5 第一阶段局部爆布眼图。
第一次掏槽爆破完成后，转动刀盘，利用第一次掏槽临空面，同样在复合式TBM刀盘开口位置进行扩大掏槽，方法同第一次。
5.4.2 第二阶段爆破（盾体周边爆破施工）
利用第一阶段（刀盘前部）已开挖出的作业空间破除盾体上方岩体，为减小爆破对盾体造成损伤，距离复合式TBM外轮廓线上部预留400mm的保护层，并且保护层位置周边孔采用弱松动爆破处理方法。盾体上方围岩的清除按掏槽——扩大断面的顺序进行。
利用掏槽形成的临空面，由中间向两侧逐步清除盾体上部围岩，盾体上方共布置三排孔，排间距300mm且第一排孔距复合式TBM外轮廓线400mm，列间距为300mm，炮眼深1000～1100mm，装药量300g/孔。
6爆破施工监测
在爆破施工期间需要进行监测的项目有：地面及建筑物的沉降及倾斜、爆破震速、右线相應位置的管片姿态、收敛及外观。
6.1 地面及建筑物的沉降监测
6.1.1 监测点布置图，如图7建筑物沉降监测布点图
1）爆破施工前，监测组对爆破位置上方地面及厂房监测点进行仔细检查并测初值；
2）监测频率：沉降及裂纹的监测，每次爆破作业前及爆破后各一次；建筑物倾斜监测每天1次。监测结果完成后20min内进行信息反馈。
6.1.2 监测控制标准
表1 中铁19号穿越建构筑变形特征及最大允许值
6.1.3地表建筑沉降测量
厂区内的厂房（地表建筑）自2011年2月3日开始监测，到2011年3月10爆破完成该厂房最大累计沉降值为-1.58mm，最大沉降速率为-0.07mm/d，沉降变化不大。测量数据如表2建筑物沉降监测统计表。
表2 建筑物沉降监测统计表
6.2 爆破振速监测
6.2.1 监测方法仪器选择
采用振动测量仪器为UBOX-5016爆破振动智能监测仪，能对传感器（包括速度、加速度、压力、应变、温度等）产生的动态、静态模拟信号自动进行A/D转换和存储。
6.2.2 测点布置方法
隧道爆破作业时，在离爆破点最近的房屋基础上设置爆破震动监测点。传感器固定应良好，传感器固定不好会使测得信号失真。工程监测中首先清理测点表面上的浮土，修平测点表面，然后采用石膏粉（加水）作为黏结剂将传感器牢固地粘贴在测点表面，以保证传感器可随基岩运动而运动，见图8 爆破振速监测仪意和图传感器的固定图。
6.2.3 爆破震速要求及爆破振动测试结果
1）由于中铁19号复合式TBM卡刀盘点地表所处环境较为复杂，周边建筑物的峰值振动速度不大于以下值：①、较坚固的建筑物砖混＜2.5cm/s；②、一般建筑物＜1.5cm/s；③、陈旧房屋＜0.8cm/s；④、本隧道为临近居民的浅埋隧道，为避免爆破振动和噪声而扰民，一般振动速度应控制在0.8cm/s。
2）爆破震速过程监控见表3：
试验地点：刀盘上方地表工厂内；传感器类型：PS-4.5B垂直检波器；数采设备类型：UBOX-5016爆破振动智能监测仪；数据处理标准：萨道夫斯基公式。
表3 爆破震速过程监控
数据分析：所测振动速度最大值为0.396cm/s，符合《爆破安全规程》（GB6922—2003）关于房屋地面质点振动速度的要求。
7 爆破设计优化
根据试爆结果和实际岩层条件对爆破效果进行分析，及时调整或修正爆破参数，主要采取以下措施：
1）修正并优化单段的装药量、优化炮孔布置，尽可能减少炸药爆炸产生的爆轰波及高温、高压的爆轰产物对复合式TBM刀盘及机械设备造成损伤。
2）依据开挖面凹凸情况修正钻眼深度，调整装药耦合系数。
3）根据爆破震速监测，调整同段起爆最大药量和雷管段数，最大爆破振速不超过0.8cm/s。
8 初期支护
支护参数设计
根据地质地质图及开仓检查结果，爆破地层主要为中风化砂岩，节理不发育，（抗压强度为42～44Mpa），围岩自稳能力较好。采用喷混凝土+锚杆+挂网的方式予以支护,其中喷砼厚度为12cm、锚杆采用1.5m，钢筋网采用Ф8×Ф8圆钢顶部满铺，钢筋网间距30cm。
9 复合式TBM推进
9.1 复合式TBM试推进
2010年3月11日19号将前盾与中盾上方的岩石爆破完成后，复合式TBM开始试推进，累计掘进了350mm。但推力已从初始推进时1800吨上升到3400吨（不含小油缸1100吨），刀盘扭矩从600kN.m下降到220kN.m,掘进速度极慢（平均速度只有2～4mm/s）。掘进推力不断上升、刀盘扭矩不断下降，改进的拉杆拉断一根,无法正常推进，停止推进，开仓进行检查。
9.2后续处理措施
将盾尾处上方的围岩与盾尾切断，由于盾尾钢板相对薄弱（只有25mm厚）、各种传感器密集，且正好位于铰接油缸所在，属于整个复合式TBM最薄弱点。实施爆破，极易损坏盾尾和设备。确定采用Ф80钻头沿已开挖完毕的复合式TBM上半断面平行密集打孔。按5cm的间距布置钻孔，尽可能的切断围岩与盾尾之间的联系，减少盾尾前进的拉力,待开孔完毕后，再次实施试推进。
9.3 复合式TBM推进
2011年3月13日后续处理措施实施完毕后，开始试推进，推进工作缓但较连续，在29天的停机处理后，中铁19号复合式TBM脱困成功。脱困后及时对管片背后空洞补注浆，保证开挖洞室填充密实、控制管片在安装后变形或浮动。
结束语：
1、当复合式TBM掘进参数出现异常，盾壳可能被卡时，应及时分析原因，果断采取措施，防止长时间处理，盾壳被地层越卡越紧。
2、在进行爆破处理被卡的盾壳时，加强地表建（构）筑物监控量测。
3、在爆破作业进行至盾尾时，由于盾尾钢板相对薄弱，各种传感器密集，且位于铰接油缸所在，属于整个复合式TBM最薄弱点，防止设备在爆破时损坏。
4、加强爆破后通风和空气质量监测。
5、盾壳脱困成功后，将爆破后的洞室进行注砂浆或补注双液浆，保证洞室回填密实，保证线和防止管片变形或上浮。