砂卵石地層中泥水盾構機脫困技術方案分析

姚 藝

砂卵石地層中泥水盾構機脫困技術方案分析

姚 藝

（上海三維工程建設咨詢有限公司，200060，上海//高級工程師）

盾構機在砂卵石地層中卡機是目前地下施工項目面臨的較大的危險源之一.以蘭州軌道交通1號線一期工程迎馬區間泥水平衡盾構機在砂卵石層中卡機故障為例，分析了在沙卵石地層推進中盾構機卡機的原因，介紹了盾構機脫困技術方案，詳細闡述了該技術方案的實施步驟和相關技術細節。

城市軌道交通；盾構機；卡機；脫困

蘭州軌道交通1號線一期TJ I-5標段迎馬區間總長1 906 m，雙洞雙線設計，其中過河段404 m。穿黃河隧洞最深覆土厚度42 m，采用加氣平衡式泥水盾構機施工。整條隧道除始發與接收兩端位于2-10和3-11的卵石層交互復合層外，其他段均走行于3-11卵礫石層中。地層中卵礫石含量高達85%以上，地下水豐富并與黃河水貫通，滲透系數達60 m/d。地層中直徑20 cm以上的漂石含量較豐富。卵石中石英含量達77%，最大強度達到200 MPa。

本文僅針對泥水盾構機在卵礫石層中卡機故障進行分析和研究，并對卡機的處理措施進行了探討。

1 工程概況及水文地質

盾構機卡轉位置里程為K13+388.647，距始發豎井230 m，距黃河453 m，距離風井350 m，平面所處位置為銀安路輔道與人行道交叉口位置。

盾構機臨時停機位置，刀盤斷面所處地質為3-11卵石層，刀盤上方土體由雜填土（1.0 m）、2-10砂卵石地層（11.8 m）和3-11砂卵石地層（1.2 m）組成，刀盤頂部覆土總厚度約為14 m。根據地勘報告，刀盤頂部覆水高度為7.2 m。此處地下水位距地面8 m左右，主要是潛水和黃河補給水。

另根據施工日志，刀盤所處位置曾出現地面冒漿和坑洞，先后進行了3次回填，回填骨料分別為：砂卵石及雜填土20 m3，C15混凝土17 m3，C10砂漿48 m3。

2 盾構卡機原因分析

盾構機掘進時掌子面上方出現空洞，泥漿迅速向外竄出，開挖倉內掌子面突然失壓，進而導致刀盤上方塌方，使得卵石堆積在刀盤部位，將盾構卡機。分析原因如下：

（1）刀盤卡住處為舊有采砂區，不排除采砂回填區有銀灘大橋和周邊樓房建設時的建筑垃圾回填。實際調查過程中，周邊房建施工時反應有基礎注漿流失現象。

（2）舊有地質勘探孔進入到隧道施工區域，因探孔處對土體形成擾動，導致地層松散，形成空洞。

3 盾構脫困技術

為了使盾構機早日脫困，必須打開安全門，人工進入開挖倉和工作倉清理堆積在倉里面的沙卵石和刀盤外沿上的巖石，使盾構刀盤與切削面減少磨察力，使泥漿管路能正常循環。此處地下水含量豐富，刀盤前方的土體已經過擾動，土體非常松散，如果人工進倉，掌子面容易坍塌，因此必須降水和加固掌子面。具體方法是：從倉內對刀盤頂部土體進行注聚氨酯加固，同時在刀盤上部施作一個豎井，井底靠刀盤前方施作一排挖孔樁，對掌子面進行支護，在刀盤的頂部和前方為清倉創造一個保護殼。再從倉內清除堆積物，恢復刀盤轉動。以下為具體實施的盾構機脫困技術方案，該方案獲得了成功。

3.1 施作降水井

區域施作降水井（10 m×19 m范圍內）（見圖1），進行降水處理。根據計算，本次施作了4口降水井，井深29 m，將水位降低至22 m以下。

圖1 降水井平面布置圖

3.2 聚氨酯加固

3.2.1 漿液配制

（1） 漿液配比 ∶A ∶B=10∶1（質量比），即 A 組分聚氨酯10 kg，B組分催化劑1 kg。如在實際使用中發現固化速度過快，則適量減少催化劑用量即可延長固化時間。

（2）灌漿前先將確定用量的催化劑加入聚氨酯漿液中，攪拌均勻，待用；帶有催化劑的漿液不會反應，直到接觸水才會開始反應。

（3）由于聚氨酯混合液遇水即開始反應發泡，因此在未使用前，混合液應避免接觸水。

3.2.2 注酯范圍

根據實際開倉檢查情況，刀盤中心以下區域的卵石堆積非常密實，不需要進行加固，僅需對刀盤中心以上部分進行局部加固，圖2為注酯范圍示意圖。具體加固范圍為刀盤直徑外1.5 m范圍內的上半圓，注酯寬度為刀盤面板正前方1.5 m，盾體切口后0.5 m。（目前聚氨酯的擴散半徑尚無計算公式或經驗數據，實際的擴散半徑由現場根據壓力及注入量判斷，同時可輔以注酯試驗。）

圖2 注酯范圍示意圖

3.2.3 注酯步驟

（1）確定需加固的區域，并在加固區域埋設直徑25 mm，長度1.5 m的PVC（聚氯乙烯）或PPR（無規共聚聚丙烯）注酯管（見圖3）。管壁上設置直徑5 mm的注酯孔。注酯孔的數量根據實際情況設定，一般不應少于3排。埋設注酯管時，可使用鋼套管或使用鉆孔機在降水的條件下進行布設。也可使用鋼性注酯管，但鋼性注酯管必須在注入完畢后，漿液上強度前拔出，以免妨礙盾構機恢復工作。

圖3 注酯管

（2）將聚氨酯泵連接到注漿管，通過注漿管加注聚氨酯。

（3）在泵口壓力達到設定值后，更換另一根注漿管。如此往復注入，直至達到要求為止。

（4）注聚氨酯完畢后，關閉倉門4 h。

（5）聚氨酯注入完畢4 h后，打開倉門通風2 h，至倉內基本無氣味為止。

（6）人員進入開挖倉，通過鑿子、手電鉆等工具檢查聚氨酯的實際注入效果。

（7）硬化效果達到要求則進行下一步工作，如部分區域效果不佳則對注入效果不佳處補充注酯。如此循環，直至加固區滿足要求為止。

（8）注酯孔的間距一般為20～50 cm，可視實際工況擴大或縮小注酯孔間距。一般注酯孔的孔距不宜超過1.5 m。

（9）注酯過程中，如注酯口滲漏，則可用快速緊固密封的孔口裝置或高強快凝材料來封堵灌漿管口。

（10）聚氨酯混合液固化后，去除灌漿管，用堵漏王或HK-EQ環氧膠泥進行封閉。

3.2.4 注酯效果檢查

（1）注酯完畢4 h后，打開倉門通風2 h，至艙內基本無氣味為止；再用氣體檢測儀進行監測，檢測合格后，人員方可進倉。

（2）檢查方法主要是通過鑿子或手電鉆等工具對加固區域進行檢查；對空間允許的部位可采用取芯法，將“芯”送到有資質的檢測單位進行強度檢測，要求無側限抗壓強度達到0.8～1.2 MPa。

（3）在加固體上打眼，并通過眼位進行注水，通過水流的分散情況判斷加固體的整體性。對斷裂帶可進行補注酯。

3.3 豎井+挖孔樁

圖4、圖5分別為豎井與樁的平面圖和立面圖。豎井開挖尺寸為4 100 mm×8 000 mm，深度15.6 m。頂部設置C30鋼筋混凝土鎖口圈梁（斷面尺寸為1 000 mm×1 000 mm）。基坑側壁支護采用φ22砂漿錨桿+鋼筋格柵+300 mm厚C25噴射混凝土，其中砂漿錨桿長2 m，豎向間距0.5 m，環向間距1 m；鋼筋格柵采用φ18主筋、φ16蹬筋、φ6.5外箍筋；豎向設置內外兩排φ18連接筋，環向間距1 m。豎井設置橫向支撐，采用工20 b工字鋼，水平間距2.5 m，豎向間距3 m。

人工挖孔樁直徑1.4 m，深8 m。護壁采用100 mm厚模筑C30混凝土，隨挖隨支護，成孔后灌注C10混凝土。

豎井底板封閉采用1 000 mm厚C30鋼筋混凝土，雙層φ18鋼筋網（200 mm×200 mm）。

4 刀盤恢復轉動施工步驟

4.1 清理刀盤步驟

加固支護完成并檢查合格后，即可進行刀盤清理工作。根據前期的檢查情況，本次刀盤清理按如下步驟進行：

（1）清理開挖倉。

（2）從刀盤底部開始清理刀盤開口處。開口處卵石清理出來后，第一時間使用預裝好的沙袋或膨潤土袋進行堆疊封堵。

（3）對于刀盤正前方無法清理的部位，可通過拆除相鄰部位刀具進行清理。同時可對刀具進行檢查。

（4）刀盤四周必須清理至無卵石堆積。在清理過程中如遇較松散部位，可通過注酯進行加固防護，或通過換填沙袋防護。

圖4 豎井與樁平面布置圖

圖5 豎井與樁立面圖

（5）刀盤自下至上一直清理至刀盤頂部，直至整個刀盤與前方土體脫空。

（6）所有清空的部位均應使用沙袋堆壘，防止渣土掉落。

4.2 試轉刀盤步驟

刀盤清理完畢后，進行轉動刀盤試驗。轉動刀盤時，技術人員在氣壓艙內進行觀察，如有渣土掉落情況應及時與司機溝通停止試轉并上報，采取進一步的處理措施。如試轉成功，則關閉前艙門，恢復掘進。圖6為刀盤轉動試驗步驟。

圖6 刀盤轉動試驗步驟

4.3 恢復掘進步驟

圖7為恢復掘進步驟。

5 結語

蘭州軌道交通1號線迎馬區間右線盾構機被困后，打設降水井，進行降水施工，地下水位4天之內下降了26 m左右；開始施做豎井同時進行洞內注入聚安酯施工作業；待掌子面穩定后，人工進倉清理工作倉、開挖倉和刀盤前沿的卵石；清倉完畢后，建立泥漿循環并試轉刀盤，刀盤轉動試驗成功后，恢復掘進。本文介紹的技術方案的成功實施表明：降水加豎井同時結合聚氨酯注漿的方法，在沙卵石地層中加固土體，能使掌子面穩定，能夠保證在保障進倉人員安全的前提下完成倉內清理，能夠使刀盤轉動，使盾構機脫困。此方法可以在其他沙卵石地層中盾構機脫困加以推廣應用。

圖7 恢復掘進步驟

［1］ 張鳳祥，朱合華.盾構隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004：192.

［2］ 蘇斌，蘇義.北京典型地層盾構適應性對比與施工關鍵技術［M］.北京：人民交通出版社，2013：43-64.

［3］ 王博.富水弱膠結大粒徑砂卵石地層盾構施工技術［J］.都市快軌交通，2014，27（2）：70-73.

［4］ 張鳳龍.復雜條件下鐵路大直徑泥水盾構施工綜合技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2015：131-134.

Analysis of Shield Machine Breakaway Technology in Sandy Pebble Formation

YAO Yi

One of the major hazards in underground construction project is the seizing-up of shield machine in sandy pebble formation.Based on seizing-up troubles of the slurry balance shield machine in the Yingma Section on Lanzhou rail transit Line 1，the major reasons for machine seizing-up problem are analyzed.Then，a breakaway technology for the slurry balance shield machine is introduced，concrete implementation procedures and related technical details are elaborated.

urban rail transit； shield machine； seizing-up；breakaway

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.10.021

Author′s address Shanghai 3D Engineering Construction Consulting Co.，Ltd.，200060，Shanghai，China

2016-12-07）