軟土地層盾構(gòu)開倉方案比選與案例分析

涂智溢，陳丹錫

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 盾構(gòu)機在掘進過程的開倉情形

盾構(gòu)機在掘進過程中，如因更換刀具、機械故障、清除障礙物等原因需要開倉，前提條件是開挖面必須穩(wěn)定。在軟土地層，由于開挖面土體不能自立，開倉需采用壓氣、降水、注漿、旋噴樁、攪拌樁、凍結(jié)法等輔助措施[1]。

按照開倉作業(yè)環(huán)境，可以分為常壓帶倉和帶壓開倉2 種方式，如土體加固后可采用常壓開倉，如采用壓氣法則需要帶壓開倉。常壓開倉施工工藝較為簡單，要求地面具備土體加固實施條件，加固費用較高，工期較長。帶壓開倉施工工藝較為復(fù)雜，要求地層氣密性較好，可實現(xiàn)保壓，土體不用加固、費用較少，工期較短，適用性較強。軟土地層2 種盾構(gòu)開倉方案比較見表1。

表1 盾構(gòu)開倉方案比較

雖然開倉風(fēng)險較大，但2 種開倉方式均有不少成功的案例，采用何種開倉方式，需要根據(jù)地質(zhì)條件、隧道埋深、地面條件、工期、費用、開倉作業(yè)需求等因素綜合考慮。某城際鐵路工程盾構(gòu)因清除障礙物和排除機械故障需要開倉，經(jīng)綜合比選，分別采用了常壓開倉和帶壓開倉2 種方案。

2 常壓開倉案例

某區(qū)間隧道采用φ6 960 mm 的土壓平衡盾構(gòu)，在掘進過程中，遇到1 根廢棄的PE 雨水管道，該管外徑560 mm，最大埋深約9.45 m，侵入盾構(gòu)掘進范圍，刀盤將管道攪入土倉、堵塞螺旋機，導(dǎo)致盾構(gòu)機無法出土。需開倉進行徹底清理土倉及螺旋內(nèi)PE 管后方可恢復(fù)正常掘進。對此，可采取的措施有3 項：

1）盾構(gòu)停機處覆土約10 m，開挖面全斷面位于流塑狀淤泥質(zhì)黏性土，地面為市政道路，具備進行地層加固的場地條件。因此，采用對開挖面前后土體進行攪拌樁加固處理后再常壓開倉的方案。

2）根據(jù)盾構(gòu)機所處地層性質(zhì)，采用φ850 mm@600 mm 三軸攪拌樁滿堂加固，縱向加固長度為刀盤前方12 m，后方4 m，橫向加固范圍為盾構(gòu)機外緣左、右各4 m，加固深度為地面至盾構(gòu)機底部以下4 m[2，3]。

3）由于盾構(gòu)機無法正常出土掘進，需在刀盤前方進行鉆孔取土以輔助盾構(gòu)推進，采用旋挖鉆機成孔，鉆孔孔徑為1 200 mm，孔距1 200 mm。排樁成孔后盾構(gòu)空推，將盾構(gòu)上部孔洞采用M10 砂漿回填。為避免砂漿回填填充至刀盤內(nèi)造成堵塞，盾構(gòu)上部1 m 范圍內(nèi)先回填黏性土形成隔離層。待砂漿強度達標(biāo)后再進行下一循環(huán)取土及盾構(gòu)推進，直至盾構(gòu)推進至加固體6 m，以達到常壓開倉清障條件。

現(xiàn)場施工效果表明，攪拌樁加固效果良好，盾構(gòu)機空推至加固區(qū)后在常壓條件下開倉，清除障礙物后恢復(fù)掘進。

3 常壓開倉加固體強度驗算

常規(guī)開倉加固體強度驗算工況1 見圖1。針對此，可將加固土體視為周邊固支的圓板，在外側(cè)水土壓力作用下，求得板支座處的最大彎曲應(yīng)力σmax和最大剪切應(yīng)力τmax。見式（1）和式（2）：

圖1 常壓開倉加固體強度驗算工況1

式（1）、式（2）中，D 為盾構(gòu)機直徑，m；t 為開挖面前方加固體厚度，m；p 為盾構(gòu)機中心處的側(cè)向水土壓力，MPa，而土壓力可按靜止土壓力考慮；μ 為加固體泊松比；K 為安全系數(shù)；fcs為加固體軸心抗壓強度，MPa。

工程采用了地面鉆孔取土工藝，加固體最不利工況為最后一排鉆孔取土完成、未回填砂漿時，加固體在取土一側(cè)形成臨空面。常壓開倉加固體強度驗算示意（工況2 剖面）見圖2，常壓開倉加固體強度驗算（工況2 平面）見圖3。將加固體視為兩端固支的單向板，在外側(cè)水土壓力的作用下，求得板支座處的最大彎曲應(yīng)力σmax、最大剪切應(yīng)力τmax和側(cè)向水土壓力p。見式（3）、式（4）和式（5）：

圖2 常壓開倉加固體強度驗算工況2 剖面圖

圖3 常壓開倉加固體強度驗算工況2 平面圖

式（3）、式（4）、式（5）中，D 為盾構(gòu)機直徑，取7 m；t 為開挖面前方加固體厚度，取6 m；p 為盾構(gòu)機下部的側(cè)向水土壓力，MPa，而土壓力按靜止土壓力考慮；K 為安全系數(shù)，取1.5；fcs為加固體軸心抗壓強度，取1 MPa；K0為安全系數(shù)，取0.7；γ 為土體重度，取18 kN/m3；H 為盾構(gòu)機埋深，取10 m。代入公式計算后可知，加固體強度滿足安全要求。

4 帶壓開倉案例

某區(qū)間隧道采用φ6 950 mm 的土壓平衡盾構(gòu)，在掘進過程中，出現(xiàn)上位刀盤旋轉(zhuǎn)動畫面不顯示的問題。根據(jù)現(xiàn)場情況判斷，原因為刀盤管路保護套掉落，連接管路斷裂，盾構(gòu)機需進行原位停機檢修。

盾構(gòu)開挖面位于淤泥質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，覆土厚度約17 m。盾構(gòu)正上方布設(shè)有給水、燃氣、通信、電力等地下管線，實施地面加固需臨時改遷較多地下管線，難度較大，且加固最大埋深達28 m，加固效果不易保證，而盾構(gòu)所處地層主要為黏性土層、氣密性較好，利于保壓，因此考慮采用帶壓開倉方案。

在帶壓開倉前，可采取5 項措施創(chuàng)造開倉環(huán)境：

1）加大同步注漿量，同時做好二次雙液注漿、在盾尾形成2 道止水環(huán)箍；

2）對盾構(gòu)機外側(cè)采用注入聚氨酯，封堵盾殼外壁可能的躥水通道，防止地下水進入土倉；

3）在開挖面施做泥膜；

4）封堵漏氣通道；

5）確定工作壓力，實施保壓實驗。

根據(jù)準(zhǔn)備開倉作業(yè)位置的地質(zhì)和水文條件，并利用理論工作壓力進行現(xiàn)場試驗。對此，如能保證開挖面穩(wěn)定，則可確定為工作壓力。通常來說，帶壓開倉作業(yè)的設(shè)定壓力應(yīng)略高于工作壓力10～20 kPa。開倉期間地表沉降變化見圖4。

圖4 開倉期間地表沉降變化

現(xiàn)場施工效果表明，通過采用適當(dāng)措施，土倉保壓效果良好，在土倉內(nèi)完成機械故障后恢復(fù)了正常掘進。開倉期間，地表沉降控制在-1～2 mm。

5 結(jié)語

通過對實際工程案例開倉方案比選和實施過程的探究，可得出2 點結(jié)論：

1）工程2 處盾構(gòu)開倉分別采用常壓和帶壓方式，均已成功實施。常壓開倉施工工藝較為簡單，安全性較高，在地面具備土體加固實施條件、工期允許的條件下宜優(yōu)先采用。帶壓開倉施工工藝較為復(fù)雜，但適用性較強、工期較短，不具備常壓開倉條件時可采用。采用何種開倉方式，需要根據(jù)地質(zhì)條件、隧道埋深、地面條件、工期、費用、開倉作業(yè)需求等因素綜合考慮。

2）軟土地層常壓開倉的關(guān)鍵是保證地層土體加固的強度和止水性能滿足地層土體自立要求。加固體應(yīng)進行強度驗算，并結(jié)合工程經(jīng)驗確定加固范圍和強度要求。