土壓平衡盾構(gòu)接收脫困施工技術(shù)研究

李 海， 朱長(zhǎng)松，*， 趙大朋

(1.中鐵隧道集團(tuán)股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

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土壓平衡盾構(gòu)接收脫困施工技術(shù)研究

李 海1，2， 朱長(zhǎng)松1，2，*， 趙大朋1，2

(1.中鐵隧道集團(tuán)股份有限公司， 河南 鄭州 450000； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

為了解決盾構(gòu)通過接收井強(qiáng)加固區(qū)盾殼卡死被困問題，以天津地鐵3號(hào)線土壓平衡盾構(gòu)施工為例進(jìn)行研究。施工中采取以下脫困技術(shù)：1)常壓開艙后鉆減阻孔，減小盾殼與其外圍土體之間的阻力； 2)增加外置泵站及油缸，增大盾構(gòu)推力； 3)盾尾與中前體分開脫困等。成功解決了盾構(gòu)通過接收井強(qiáng)加固區(qū)被困的問題，并結(jié)合施工過程分析了以上各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，為今后類似施工提供一定的參考價(jià)值。

天津地鐵； 盾構(gòu)接收； 脫困； 常壓開艙； 外置泵站； 分開脫困

0 引言

地鐵施工主要依托盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，故盾構(gòu)被困是影響盾構(gòu)施工進(jìn)度的一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，快速有效地解決盾構(gòu)被困是盾構(gòu)施工的一個(gè)重要要求。盾構(gòu)被困大多發(fā)生在地層突變、掘進(jìn)前方有孤石或類似異物及加固區(qū)時(shí)，針對(duì)此類情況，國內(nèi)專家、學(xué)者分別對(duì)土壓平衡盾構(gòu)通過加固區(qū)[1-3]、地層突變[4-6]、掘進(jìn)前方有異物[7]、硬巖地層[8-12]、復(fù)合地層[13-14]、漂卵石地層[15]情況下盾構(gòu)被卡死的脫困技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，提出了加固區(qū)土體置換、橫波地震法異物探測(cè)、更換端頭加固方式和化學(xué)灌漿加固等加固措施解決盾構(gòu)被困問題； 劉凱等[16]則研究了旋噴樁技術(shù)在地鐵盾構(gòu)脫困中的應(yīng)用，提出了利用旋噴加固技術(shù)解決盾構(gòu)始發(fā)被困問題。

以上文獻(xiàn)中盾構(gòu)被困的主要原因大多是孤石或加固異物、刀具磨損致使開挖面縮小以及地質(zhì)突變導(dǎo)致，且多數(shù)是發(fā)生在盾構(gòu)始發(fā)及中途過程中。與以上研究不同，本文主要針對(duì)盾構(gòu)過接收井強(qiáng)加固區(qū)時(shí)被困情況進(jìn)行研究，以天津地鐵3號(hào)線和平路站—解放橋站盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)接收被困為例，共提出3種脫困方案：常壓開艙后鉆減阻孔、增加外置泵站及油缸、盾尾與中前體分開脫困，并通過施工方案驗(yàn)證，結(jié)合施工過程分析了以上各方案的適用范圍及局限性。

1 工程概況及盾構(gòu)被困情況

天津地鐵3號(hào)線和平路站—解放橋站盾構(gòu)區(qū)間接收端地面為新華信托銀行大廈及解放北路。由于接收端富水類型主要為第四系孔隙潛水、微承壓水，接收井距離地面新華信托銀行和津?yàn)硰V場(chǎng)等景區(qū)地標(biāo)建筑較近，且之前津?yàn)硰V場(chǎng)有其他項(xiàng)目施工時(shí)發(fā)生過嚴(yán)重的盾構(gòu)事故，本項(xiàng)目在對(duì)接收端進(jìn)行加固時(shí)采用注漿加固與水平冷凍加固相結(jié)合的方式，并在洞門鋼環(huán)外做接收明洞，確保把施工風(fēng)險(xiǎn)降至最低。

在接收端采用注漿加固后，于盾構(gòu)出洞前的3個(gè)月內(nèi)持續(xù)對(duì)接收端進(jìn)行水平冷凍二次加固。在出洞前15 d內(nèi)拔除冷凍管，只留最外圈持續(xù)冷凍，盾構(gòu)停在加固區(qū)外全面檢修，確保在后續(xù)出洞接收期間不因故障而停機(jī)。同時(shí)，在洞門鋼環(huán)以外做明洞結(jié)構(gòu)并回填砂漿，待砂漿凝固后用于盾構(gòu)接收，進(jìn)一步防止盾構(gòu)接收時(shí)漏水。

隨著盾體全部進(jìn)入冷凍區(qū)后阻力變大，推進(jìn)速度下降較大，最終總推力達(dá)到最大29 890 kN，掘進(jìn)速度為3 mm/min。由于盾構(gòu)姿態(tài)正常，盾構(gòu)被困的主要原因可能是盾殼漿液包裹及冷凍固結(jié)。在這種情況下，盾構(gòu)內(nèi)部推進(jìn)油缸推力小于土體與盾殼的阻力，最終導(dǎo)致盾構(gòu)有推力無速度，盾構(gòu)被困。

2 盾構(gòu)被困原因分析

2.1 端頭總體加固方案

端頭加固采用水平注漿與水平凍結(jié)法相結(jié)合的加固方案。

水平注漿采用全斷面分層注漿，縱向加固長(zhǎng)度為11 m(地連墻外側(cè))，徑向加固范圍為隧道開挖工作面及開挖輪廓線以外4 m，注漿材料為水泥-水玻璃雙液漿，填充地層間隙。

水平凍結(jié)最外圈加固長(zhǎng)度為11 m，內(nèi)層強(qiáng)冷凍加固體厚度為5.5 m，盾構(gòu)洞門鋼環(huán)外圍凍結(jié)厚度為1.5 m(即凍結(jié)直徑為φ9.2 m)。水平凍結(jié)孔分3圈布置，合計(jì)59個(gè)凍結(jié)孔。凍結(jié)管選用φ89×8 mm規(guī)格的20#低碳鋼無縫鋼管，采用絲扣連接。經(jīng)水平注漿及水平冷凍加固后，在洞門內(nèi)布置探孔數(shù)量為9個(gè)，鉆孔深度為2.5 m，孔徑為φ70 mm，無漏水。

2.2 接收明洞

解放橋站接收端盾構(gòu)隧道位于第1層和第2層承壓水之間，隧道頂部為天津市重要保護(hù)建筑物新華信托銀行大樓，頂部覆土厚度為21 m。盾構(gòu)接收采取安全可靠的施工措施，洞門破除前于盾構(gòu)井內(nèi)制作接收明洞，內(nèi)圈凍結(jié)管拔出后及時(shí)回填，盾構(gòu)于明洞內(nèi)接收，同時(shí)對(duì)外圈繼續(xù)冷凍，確保進(jìn)洞不漏水。盾構(gòu)接收明洞結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 脫困方案選擇及實(shí)施要點(diǎn)

在盾構(gòu)自身推力一定的情況下，使盾構(gòu)脫困的方法主要有: 一是增加外置油缸泵站，進(jìn)一步增大盾構(gòu)推力，使總推力大于盾殼與土體之間的摩擦力；二是減小盾殼與土體之間的摩擦力，使之小于盾構(gòu)推力；三是綜合使用以上2種方法。

(a)

(b)

Fig. 1 Open-cut tunnel for shield receiving

根據(jù)先簡(jiǎn)單后復(fù)雜的原則，首先采用增加外置油缸法嘗試脫困，但是效果不明顯。根據(jù)之前做過的探孔測(cè)試加固效果，經(jīng)過討論，最終決定采用常壓開艙開挖掌子面后對(duì)盾殼外部土體鉆孔取芯開一圈減阻孔、中盾和尾盾分開脫困的方法減小外部阻力，同時(shí)增加外置輔助油缸增大推力的施工措施，操作要點(diǎn)如下。

3.1 常壓開艙實(shí)施要點(diǎn)

1)開艙前準(zhǔn)備工作。為保證盾尾進(jìn)入明洞后能夠快速封堵洞門，在盾尾后部成型隧道內(nèi)進(jìn)行二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，確保對(duì)管片壁后建筑空隙完全填充及流水通道進(jìn)行封堵。后部二次補(bǔ)強(qiáng)注漿總注入量為水泥19 t，形成漿液約34 m3。經(jīng)開孔檢查，封堵流水通道效果比較明顯，沒有形成通往刀盤的水流通道。

2)開艙施工。①開艙前對(duì)盾尾止水效果進(jìn)行確認(rèn)，務(wù)必保證盾體周邊沒有通往刀盤的水流通道。②待上述工作確認(rèn)完成后進(jìn)行出渣，并判斷土艙內(nèi)渣土標(biāo)高，保證渣土位于人艙門以下。③待土艙與人艙壓力平衡后進(jìn)行開艙(土艙內(nèi)壓力為0)，開艙時(shí)必須緩慢開啟艙門，開艙人員隨時(shí)做好準(zhǔn)備，若有異常立刻關(guān)閉艙門。艙門打開后，首先由工程部安排專人檢查掌子面穩(wěn)定情況，確認(rèn)安全后人員再進(jìn)入，進(jìn)行艙內(nèi)剩余渣土清理。④待土艙清理完畢，開始從刀盤開孔處對(duì)掌子面進(jìn)行開挖。開挖時(shí)自上而下開挖，開挖深度為800 mm，開挖直徑超出刀盤外徑150 mm；待第1次開挖結(jié)束，刀盤緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)45°，進(jìn)行第2次開挖，開挖要求相同。

待刀盤前砂漿開挖完成，對(duì)盾構(gòu)頂部砂漿進(jìn)行破除, 形成1個(gè)通道。開挖破除范圍為盾構(gòu)中心以上砂漿，截面為1 200 mm×1 200 mm(可根據(jù)實(shí)際開挖情況適當(dāng)調(diào)整)，開挖長(zhǎng)度為掌子面到結(jié)構(gòu)端墻直接距離，如圖2所示。頂部通道開挖接近結(jié)構(gòu)端墻時(shí),開挖范圍沿盾殼向兩邊擴(kuò)大,成180°，為之后的減阻孔施工提供空間。開挖時(shí)先人工開挖，若砂漿強(qiáng)度較高，掌子面穩(wěn)定性好，可用風(fēng)鎬等機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開挖。

(a)

(b)

Fig. 2 Channel excavated on shield top

3.2 減阻孔施工實(shí)施要點(diǎn)

1)減阻孔施工理論依據(jù)。通過間距打孔取芯，與盾體接觸處土體產(chǎn)生松動(dòng)，盾構(gòu)推進(jìn)阻力系數(shù)、土體與盾構(gòu)接觸面積均會(huì)有較大程度減小，減阻效果比較明顯。

2)減阻孔施工。減阻孔施工范圍為盾殼中上部180°范圍內(nèi)土體，共計(jì)鉆孔取芯48～51個(gè)，孔間距200 mm，孔深3 900 mm，與盾尾邊緣保證有500 mm的距離，防止開孔太深造成地下水涌入。采用工程水鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔取芯。鉆機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)A440205，電機(jī)功率為2.8 kW，鉆頭直徑為100 mm。因鉆孔取芯深度大，間距小，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制開孔角度。減阻孔分布如圖3所示。

3.3 增加外置輔助油缸實(shí)施要點(diǎn)

由于盾構(gòu)掘進(jìn)推力增加到最大，約29 890 kN時(shí)，掘進(jìn)仍無速度，而50個(gè)減阻孔只能減少約2 832 kN的阻力，故不能明確判斷在進(jìn)行減阻孔施工后能確保順利推進(jìn)。鑒于以上原因，在進(jìn)行減阻孔施工的同時(shí)考慮增加外置輔助油缸和泵站，以確保推進(jìn)順利。

由于盾殼上半部開有減阻孔，頂部阻力最小，底部阻力最大，故采用輔助油缸時(shí)，頂部采用2 000 kN推力油缸，中部采用3 000 kN推力油缸，底部采用5 000 kN推力油缸。輔助泵站及油缸的具體型號(hào)：DBS2.0/2 kW泵站1臺(tái)及QF200/200液壓千斤頂2臺(tái)，用于頂部輔助頂推；BZ50-4.47泵站、QYS500 t-200液壓千斤頂各2臺(tái)，用于底部輔助頂推；BZ30-16泵站、QYS300 t-200液壓千斤頂各2臺(tái)，用于中部輔助頂推。同時(shí)焊接6個(gè)大頂升座(300 mm×300 mm×600 mm)，6個(gè)小頂升座(300 mm×300 mm×200 mm)以增加外置油缸行程。輔助油缸使用時(shí)，一端頂在管片上，另一端頂在鉸接油缸底座上；同時(shí)，為了防止頂推過程中油缸或頂升座脫落對(duì)人員和設(shè)備造成損害，應(yīng)采用鐵絲固定頂升座，用葫蘆及吊帶固定油缸。

(a)

(b)

Fig. 3 Layout of drag-reduction holes

增加輔助油缸如圖4所示，中部輔助油缸安裝實(shí)物照片見圖5。

圖4 輔助油缸布置

Fig. 4 Layout of auxiliary cylinders

圖5 中部輔助油缸實(shí)物照片

Fig. 5 Photo of central auxiliary cylinder

3.4 盾尾與中前體分開脫困實(shí)施要點(diǎn)

盾尾與中前體分開脫困是另外一個(gè)重要的備用脫困方案。為了防止減阻孔太深而導(dǎo)致涌水涌砂，減阻孔與盾尾尾部尚有500 mm的距離，故盾尾的摩擦力相對(duì)于中前體較大，所以在開始推進(jìn)之前把中體與盾尾連接的鉸接銷取下，推進(jìn)時(shí)中前體不帶動(dòng)盾尾前進(jìn)，盾尾部分的阻力為0，可以增大脫困的概率，從而實(shí)現(xiàn)中前體先脫困。在前盾和中盾推進(jìn)約50 mm(視情況定，若脫開鉸接油缸前，油缸行程較短，可以將此值適當(dāng)減小；反之亦然)時(shí)，連接鉸接油缸，保持推進(jìn)油缸頂緊盾構(gòu)后，利用外置油缸頂推盾尾鉸接座，實(shí)現(xiàn)盾尾脫困。盾尾脫困后，先不拆除鉸接油缸，而是持續(xù)頂推盾構(gòu)，若能推動(dòng)則表明盾構(gòu)已實(shí)現(xiàn)脫困；若仍不能推動(dòng)，則拆除鉸接油缸后重復(fù)以上步驟，直至盾構(gòu)脫困。

4 脫困過程及效果

4.1 方案實(shí)施過程

盾構(gòu)在被困的第一時(shí)間采取增加外置油缸方案，盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力未見明顯減小，但盾構(gòu)整機(jī)未有明顯的位移，故考慮增加盾尾與中前體分開脫困的方法嘗試脫困。當(dāng)采用外置油缸+盾尾與中前體分開脫困的方法后，盾構(gòu)推進(jìn)油缸及外置油缸泵站壓力均維持在滿荷狀態(tài)，中前體推進(jìn)速度不明顯，證明盾構(gòu)阻力過大，當(dāng)掛上盾尾后推不動(dòng)的可能性極大，故考慮進(jìn)行減阻孔施工。當(dāng)減阻孔施工完成，外置油缸未增加時(shí)，頂部油缸壓力明顯減小，且頂部油缸位移有增加，證明減阻孔施工有效。未采用盾尾與中前體分開脫困前，增加外置油缸，盾構(gòu)推進(jìn)油缸壓力未見明顯減小，但盾構(gòu)整機(jī)有緩慢的位移變化，推進(jìn)速度較慢，證明外置油缸具有一定效果。收回外置油缸及推進(jìn)油缸后拆除鉸接油缸，采用盾尾與中前體分開脫困(因外置油缸是頂在盾尾鉸接座上，此時(shí)無法再利用外置油缸)，頂推推進(jìn)油缸，中前體順利脫困；連接鉸接油缸，并同時(shí)利用推進(jìn)油缸與外置油缸頂推，盾尾也順利脫困。

4.2 脫困效果

本次脫困處置方法得當(dāng)，盾構(gòu)最終成功完成脫困，但期間人力、物力投入較多，整個(gè)脫困持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)設(shè)備造成一定程度的損害，具體如表1所示。

表1 脫困期間人、機(jī)、材投入及時(shí)間消耗情況

5 結(jié)論與討論

由本次研究可知，減阻孔施工法、外置輔助油缸泵站法和盾尾與中前體分開脫困法3種施工方法針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)通過接收井強(qiáng)加固區(qū)被困問題均是有效的、可行的。其中，減阻孔施工效果最明顯，但是施工難度較高、時(shí)間較長(zhǎng)，故實(shí)際運(yùn)用局限性較大，主要用在超大阻力下的盾構(gòu)脫困；外置輔助油缸泵站法、盾尾與中前體分開脫困法實(shí)施簡(jiǎn)單，針對(duì)一般情況下的盾構(gòu)脫困效果明顯，能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)快速脫困，故其應(yīng)用較廣。根據(jù)施工實(shí)際情況，合理的綜合運(yùn)用以上措施能起到更快速的脫困效果。

根據(jù)本文工程實(shí)例，對(duì)接收端采用注漿加固、水平冷凍加固相結(jié)合和做接收明洞的措施，造成接收端加固強(qiáng)度過高導(dǎo)致盾構(gòu)被困，是不經(jīng)濟(jì)的、保守的方案。根據(jù)過往盾構(gòu)接收實(shí)例，采用其中任意一項(xiàng)加固措施即可滿足盾構(gòu)出洞要求，同時(shí)采用3種加固方式是不科學(xué)的，也是對(duì)資源的浪費(fèi)，實(shí)際施工中應(yīng)引以為戒。

雖然本文根據(jù)施工情況總結(jié)分析了以上各方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用范圍，但仍存在以下未解決的問題: 一是減阻孔施工工藝簡(jiǎn)化方法，二是以上各方法在泥水平衡盾構(gòu)中的適用情況及改進(jìn)方案。下一步研究的方向是如何簡(jiǎn)化減阻孔施工工藝，使其具有普適性，以及方案對(duì)其他類型盾構(gòu)的適用性驗(yàn)證等。

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Jam Releasing Technologies for Earth Pressure Balance Shield in Shield Receiving Shaft

LI Hai1,2, ZHU Changsong1,2，*, ZHAO Dapeng1,2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

The jam releasing technologies for earth pressure balance (EPB) shield in shield receiving shaft applied to Tianjin Metro Line No.3 are introduced. The jam releasing technologies include drag reduction hole drilling after chamber opening under atmospheric pressure, thrusting force increaing by setting external pump station and cylinder and using separating jam releasing method. The advantages and disadvantages of above-mentioned technologies and their applicable fields are analyzed. Good effects have been achieved. The results can provide reference for jam releasing of shield of similar projects in the future.

Tianjin Metro; shield receiving; jam releasing; chamber opening under atmospheric pressure; external pump station; separating jam releasing method

2015-12-28；

2016-06-14

李海(1982—)，男，甘肅蘭州人，2007年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工業(yè)工程專業(yè)，本科，工程師，從事隧道及地下工程施工建設(shè)及設(shè)備管理工作。E-mail: 240269146@qq.com。*通訊作者：朱長(zhǎng)松， E-mail: zcs767@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.017

U 455.43

B

1672-741X(2016)07-0872-05