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1、某地铁隧道土压平衡盾构脱困技术 摘要：以某地铁隧道土压平衡盾构通过富水砂层时盾构机被困为例，分析了盾构机被困原因。根据现场实际情况，在盾构机四周设置三轴搅拌桩帷幕墙隔水；在帷幕墙内设置降水井降水；待地面加固及降水稳定后，人工进仓清理凝结的水泥浆，最终使得盾构机成功脱困。通过总结事故发生的经验教训，可为城市地铁隧道施工中类似的问题提供一定的指导和借鉴作用。 关键词：富水砂层；盾构脱困；三轴搅拌桩；降水；风险 中图分类号：U45文献标识码： A Earth Pressure Balanced Shield Relieving in Subway Tunnel Construction Zhu Xu
2、echun （Five Iron Group Electric Service City Link Engineering Co. Ltd, Changsha in Hunan Province410205） Abstract: The causes of the shield machine accident in water-rich sandy layer are analyzed. Based on the actual conditions in spot, three axis cement mixing pile waterproof wall is constructed ar
3、ound the shield machine and precipitation wells are arranged in the waterproof wall. When the ground reinforcement and precipitation are stable, the concrete around cutter of shield machine is cleared and the shield machine is released. These experiences can provide a guide and reference on the simi
4、lar problems in the construction of shield construction. Key words: water-rich sandy; shield relieving; three axis cement mixing pile; precipitation；venture 1 引言 随着我国经济的快速发展，城市地铁隧道工程日益增多。盾构法以施工速度快、洞体质量比较稳定、对周围建筑物影响较小等特点，备受青睐。但由于国内对盾构的研究不够深入，施工过程中存在的不合理环节，容易引发一些问题，如盾构机被困等。李辉等1以重庆地铁6号线土压平衡盾构过硬岩地层施工时被卡
5、为例，提出了一些脱困措施。祝超2针对土压平衡盾构过硬岩层容易出现的卡死现象进行了研究分析，并提出了一些解决措施。杜守峰3分析了某地铁盾构隧道施工中盾构穿越加固区时被卡的原因，提出了成功的脱困方案，并总结了事件发生的经验教训。吴朝来等4从设备、地质情况、施工状况三方面分析了重庆轨道交通六号线盾构机被困的原因，并结合重庆地区盾构多次脱困的经验，总结出一些解决该问题的对策。姚明会5分析了盾构机在仓头海边被困的原因，通过加固技术和带压换刀技术的应用，提出盾构机预防被困的措施。 上述文献中盾构机卡机大都发生在过硬岩或加固区段，还未有相关文献对富水砂层中盾构机被困的原因进行研究，也鲜有相关的脱困技术。本文
6、以某地铁隧道土压平衡盾构过富水砂层时盾构机被困为例，分析了盾构机被困的原因，并阐述了相应的脱困措施，可为城市地铁隧道施工中类似问题的出现提供一定的指导和借鉴作用。 2 工程概况 某城市地铁区间隧道总长约3Km，采用土压平衡盾构法施工，自2013年7月始发，至10月底累计掘进至440环，经长距离砂层掘进后，原计划于联络通道位置进行开仓换刀，地面注浆加固施工过程中盾构机被困，停机于445环。盾构机被困区域地层自上而下依次为素填土、填砂、含有机质砂、粗砂、砾砂、含有机质砂、砾砂及全风化片麻状混合花岗岩，见图1。地下水主要为第四系孔隙水，水位埋深约3.5m，受海水和河水的侧向补给。隧道上方覆土厚度达1
7、5.0m，穿越地层为全断面砾砂，属强透水层，结构松散，富水性大，对开挖面稳定性极为不利，脱困施工风险大。 图1 地质纵断面图 3 盾构被困原因 盾构掘进至390进入全断面砂层后，平均掘进速度、推力及扭矩等出现异常，到440环进入联络通道加固区时，掘进速度仅为4mm/min，判断刀具出现较大磨损，故决定在联络通道位置开仓换刀。由于该段地层为全断面砂层，透水性强，旋喷加固效果差，遂决定在盾构机前方做一框状素混凝土墙，待刀盘切入墙体后换刀。所做素混凝土墙墙顶标高至地面以下6m，框内土体采用后退式注浆进行加固，加固范围为隧道底2m，隧道顶3m，如图2所示，受场地条件及墙幅分幅影响，拐角处存在一定的空隙
8、，注浆自框内四角往中间施做，注浆过程中每隔30min转动一次刀盘，防止刀盘被困。由于素混凝土墙施工时发生鼓包现象，导致刀盘实际切入素混凝土墙的深度大于理论值，注浆时，浆液从素混凝土墙接口及正面窜入到刀盘孔隙内，导致刀盘与混凝土墙固结形成整体，盾构机被困。 图2 换刀加固图 4 盾构脱困措施 盾构机被困后，施工单位本着“设备安全第一”的原则，确定了“先刀盘脱困，再盾体脱困”的总体思路，采取潜孔钻、成槽机、旋挖钻等措施，尝试清除刀盘前方及切口环周边的素混凝土，以达到刀盘脱困的目的，均无效。于是决定在盾构四周做三轴搅拌桩隔水帷幕，并在帷幕内通过降水井降水，通过人工进仓清除刀盘，以达盾构脱困目的。 4
9、.1 三轴搅拌桩隔水帷幕 根据现场实际情况，在盾构四周施做三轴搅拌桩隔水帷幕，如图3所示，桩径0.8m，桩间咬合约30cm，桩长24-26m，采用“四搅四喷”工艺，为确保搅拌桩质量，施工时主要针对以下参数进行严格控制： 1）、垂直度。移动搅拌桩机到达作业位置，并确保桩架垂直度在3以内。 2）、桩长。施工前在钻杆上做好标记，控制搅拌桩桩长不得小于设计桩长。 3）、浆液。采用P.042.5水泥按1.0-1.5的水灰比配制水泥浆液。 4）、钻速。搅拌桩施工时，确保钻杆下沉速度不大于0.8m/min。提升速度不大于1.2m/min。 5）、搭接时间。桩与桩的搭接时间不应大于24h，若超过24h，则需增
10、加注浆量，放缓提升速度。 图3 三轴搅拌桩隔水帷幕 通过以上措施进行施工控制，单根桩水泥用量为15-19t，施工过程中发现翻浆置换效果好，经取芯检查，芯样完整性好、连续性高，如图4所示，可判断三轴搅拌桩隔水帷幕质量较好。 图4 三轴搅拌桩芯样 4.2 洞内注浆施工 根据地勘资料，管片底部刚好位于砾砂层与全风化花岗岩层交界位置，砂砾层透水性强，因此，管片底部为帷幕墙隔水薄弱部位。为加强管片底部止水效果，在隔水帷幕对应位置，通过打开吊装孔进行花管注浆，刚花管插入全风化花岗岩层50cm，确保地下水难以涌入刀盘前方作业面。 4.3 地面注浆补强 在隔水帷幕施工过程中，由于原素混凝土墙影响，三轴搅拌桩不
11、能完整封闭，故对搅拌桩与素混凝土墙接头处进行注浆补强，为防止浆液窜入盾体周围，刀盘切口环两侧采用丙凝、水玻璃、磷酸等注浆材料对土体进行注浆固结。 4.4 降水井降水 刘庆方等6针对考虑围护结构隔水作用的基坑涌水量计算问题进行了研究，结果表明：基坑周围渗流场可看成是由坑内、坑外两个渗流场共同组成，如图5所示，坑内渗流场的涌水量可采用达西渗流定律计算，坑外渗流场的涌水量可采用潜水非完整井涌水量公式计算。 图5 基坑周围渗流场流网分布图 由图可知： (1) (2) (3) 式中，H为初始水头值，m；为坑内水位降低值，m；为围护结构底部至坑内水位的距离，m；为围护结构底部至下部隔水层间的距离，m；h为
12、坑内水位的水头值，m；为坑外水位最大降深，m；为坑外最小水头值，m。 坑外渗流场的涌水量可采用潜水非完整井涌水量公式计算，故有： (4) 式中，为平均动水位，m。 坑内渗流场的涌水量可采用达西渗流定律计算，故有： (5) 由于远方地层提供的地下水补给量等于基坑内排放量，即： （6） 潜水层降水的影响半径： (7) 式中，K为渗透系数，m/d。 故联立式（1）-（7）即可求得坑内、坑外的涌水量。 表1为盾构被困位置处的地层特征，将相关数据代入式（1）-（7），利用matlab编程计算可求得三轴搅拌桩隔水帷幕的等效半径为11.14m，帷幕内降水到刀盘底部的涌水量为752.6m3/d，降水的影响半径
13、为374.5m。 表1 盾构被困位置地层特征 地层代号 岩土名称 地层厚度(m) 天然重度(kN/m3) 渗透系数（m/d） 7 压实填土 3.3 19 0.1 2 填砂 2.1 19 10 4 含有机质砂 1.35 18.5 2 10 粗砂 2.29 20 10 11 砾砂 2.2 20 12 5 含有机质砂 2.32 18.5 2 11 砾砂 7.8 20 12 1 全风化片麻状混合花岗岩 3.43 19.5 0.1 2-2 强风化片麻状混合花岗岩 1.525 21.5 2 由上述计算可知，若选用单级离心清水泵（=12.5m3/h），三口降水井即可满足需求。为确保施工的安全可靠，施工单位在
14、隔水帷幕内设置四口600mm降水井降水,同时增加一口观测井。同时，降水过程中，准备好木塞、棉絮、双液注浆机等应急物质，打开盾尾管片吊装孔辅助排水泄压，结果非常理想，刀盘位置处的水位控制在了20m以下。 4.5 人工进仓处理 待三轴搅拌桩隔水帷幕及降水施工完成后，降低土仓内压力观察，发现开挖面稳定，于是人工进入土仓内清理渣土，然后采用风镐、电镐等轻型设备凿除了刀盘前方的素混凝土，凿除顺序为自上而下，碎渣通过螺旋机运出。待刀盘前方凿出0.8-1m空间后，自上而下凿除刀盘侧面水泥浆，直至露出切口环，使盾构机的刀盘脱困。整个进仓处理过程中，保持持续降水并监测水位的变化。 4.6 盾体脱困 经过上述一系
15、列措施，使得刀盘成功脱困后，便针对盾体进行脱困，盾体脱困采取的主要措施有： 1）盾体润滑。通过从盾尾注入高浓度膨润土对盾体周围进行润滑，同时通过超前注浆孔、盾体上预留径向孔注入润滑油，对盾体形成包裹润滑，减小地面处理、旋喷注浆等对盾构的影响。 2）加大推力推进。被困盾构机的最大推力为3900t，盾体脱困时阶段性加大推力，并通过反复伸缩千斤顶，达到松动盾体的目的。由于加大推力推进时，千斤顶易对后方管片造成破损，因此，需在管片与千斤顶之间安装一道钢环，减小应力集中，同时加强管片螺栓的复紧和管片姿态的监测。 3）外置千斤顶辅助。在盾构自身推力不能满足脱困的情况下，在管片与中盾之间焊接支座安装千斤顶，
16、通过外置千斤顶增大总推力达到脱困目的。 4）震动辅助脱困：在盾壳内，采用风镐、平板振动器等对盾壳进行敲打震动，以达到盾壳与固结体脱离的目的。 通过采取以上措施，盾构机成功脱困。 5 施工风险及风险控制 5.1 三轴搅拌桩成桩质量，桩的完整性，垂直度。 施工中采用全站仪测量垂直度，控制桩的提升和下沉速度，控制水泥用量，严格执行水灰比；控制桩之间的咬合，全站仪测量定位，纵向咬合一个桩位80cm，横向排距咬合30cm，确保咬合严密，同时对存在缺陷的部位采用后退时注浆补强；成桩后钻芯取样检查成桩质量满足成桩要求。 5.2 注浆引发盾体裹住风险 注浆是为了补强土体，增加土体的自稳性和密实性，浆液如果窜入
17、盾体与地层的空隙，会导致盾体裹住的风险。一是通过控制注浆工艺，控制注浆的压力和注浆量，调整浆液的配比及凝结时间，掌握注浆的经验参数；其次提前作保护措施，在盾体上通过径向孔，超前孔注入聚氨酯和黄油，使盾体周边有一层保护膜。 5.3 降水引起地面沉降 降水施工，地下水流失后引发周边地层及建筑物的沉降。布置沉降观测点，提前对周边建筑物及地面作施工调查取证，设置沉降预警机制，严格控制降水沉降；布置降水观测井，控制降水的深度，满足进仓处理为标准；加强降水过程监测，做好理论计算。 5.4 掌子面崩坍，突水突泥风险 进仓处理过程中，掌子面扰动，临空面增加，水土压力变化，内外水头压力差加大，土体的稳定性遭破坏
18、，地层又处在富水砂层，易导致突水突泥。进仓前地面钻芯取样，对不稳定土体注浆补强；施工中加强掌子面的支护和监测，做到先支护后开挖，并做超前探孔，确认地层情况，确保开挖在稳定的支护下进行，同时加强现场人员的协调和更换，做到不疲劳作业，选派有经验的人员进仓作业。做好应急处理措施。 5.5盾体脱困，管片及盾尾损坏风险 盾体脱困，盾构机长时间未推进，脱困时推力会加大，在原额定推力下很难达到效果，需要在盾尾增加千斤顶加大推力，相邻管片和盾尾铰接存在损坏风险。一是对盾体进行润滑，减小土体包裹力和摩擦力；二是在盾尾和钟盾焊接钢板，保护铰接；三是在管片上拼装钢环，避免应力集中，保护后方管片损坏。 6 结语 此次
19、盾构在富水砂层中被困的主要原因是刀具磨损较大，急需换刀，在施做加固区时，低估了富水砂层对注浆的影响而导致的。通过对本次事件的总结分析，可知：富水砂层对盾构机的刀具磨耗较大，需结合施工经验，提前做好换刀加固区；富水砂层对注浆范围的影响也较大，在此种地层需谨慎注浆；富水地层，盾构机被困，三轴搅拌桩隔水帷幕配合降水施工是有效的脱困措施。 参考文献： 1 李辉,刘银涛.土压平衡盾构脱困技术及经验教训J.隧道建设,2012,32(2):239-244. 2 祝超.土压平衡盾构脱困技术的探讨J.工程技术,2013,(9):186. 3 杜守峰.某地铁隧道盾构脱困技术探讨J.盾构工程,2011,(3):63-66. 4 吴朝来,刘金祥.盾构被困原因分析及对策C.中铁隧道集团低碳环保、优质工程修建技术专题讨论会,2012,158-162. 5 姚明会.盾构掘进的脱困技术和预防措施J.都市快轨交通,2006,19(5):79-81. 6 刘庆方,刘继强,谭佩莲等.考虑围护结构隔水作用的基坑涌水量计算J.隧道建设,2013,33(2):142-146.