軟土地層盾構開倉方案比選與案例分析

涂智溢，陳丹錫

（浙江數智交院科技股份有限公司，杭州 310030）

1 盾構機在掘進過程的開倉情形

盾構機在掘進過程中，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、凍結法等輔助措施[1]。

按照開倉作業環境，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雜，要求地層氣密性較好，可實現保壓，土體不用加固、費用較少，工期較短，適用性較強。軟土地層2 種盾構開倉方案比較見表1。

表1 盾構開倉方案比較

雖然開倉風險較大，但2 種開倉方式均有不少成功的案例，采用何種開倉方式，需要根據地質條件、隧道埋深、地面條件、工期、費用、開倉作業需求等因素綜合考慮。某城際鐵路工程盾構因清除障礙物和排除機械故障需要開倉，經綜合比選，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

某區間隧道采用φ6 960 mm 的土壓平衡盾構，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，侵入盾構掘進范圍，刀盤將管道攪入土倉、堵塞螺旋機，導致盾構機無法出土。需開倉進行徹底清理土倉及螺旋內PE 管后方可恢復正常掘進。對此，可采取的措施有3 項：

1）盾構停機處覆土約10 m，開挖面全斷面位于流塑狀淤泥質黏性土，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）根據盾構機所處地層性質，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機外緣左、右各4 m，加固深度為地面至盾構機底部以下4 m[2，3]。

3）由于盾構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。排樁成孔后盾構空推，將盾構上部孔洞采用M10 砂漿回填。為避免砂漿回填填充至刀盤內造成堵塞，盾構上部1 m 范圍內先回填黏性土形成隔離層。待砂漿強度達標后再進行下一循環取土及盾構推進，直至盾構推進至加固體6 m，以達到常壓開倉清障條件。

現場施工效果表明，攪拌樁加固效果良好，盾構機空推至加固區后在常壓條件下開倉，清除障礙物后恢復掘進。

3 常壓開倉加固體強度驗算

常規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，在外側水土壓力作用下，求得板支座處的最大彎曲應力σmax和最大剪切應力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 為盾構機直徑，m；t 為開挖面前方加固體厚度，m；p 為盾構機中心處的側向水土壓力，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；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，在外側水土壓力的作用下，求得板支座處的最大彎曲應力σmax、最大剪切應力τmax和側向水土壓力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 為盾構機下部的側向水土壓力，MPa，而土壓力按靜止土壓力考慮；K 為安全系數，取1.5；fcs為加固體軸心抗壓強度，取1 MPa；K0為安全系數，取0.7；γ 為土體重度，取18 kN/m3；H 為盾構機埋深，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

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

盾構開挖面位于淤泥質黏土、黏質粉土，覆土厚度約17 m。盾構正上方布設有給水、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 項措施創造開倉環境：

1）加大同步注漿量，同時做好二次雙液注漿、在盾尾形成2 道止水環箍；

2）對盾構機外側采用注入聚氨酯，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。

根據準備開倉作業位置的地質和水文條件，并利用理論工作壓力進行現場試驗。對此，如能保證開挖面穩定，則可確定為工作壓力。通常來說，帶壓開倉作業的設定壓力應略高于工作壓力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

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

5 結語

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 點結論：

1）工程2 處盾構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先采用。帶壓開倉施工工藝較為復雜，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，需要根據地質條件、隧道埋深、地面條件、工期、費用、開倉作業需求等因素綜合考慮。

2）軟土地層常壓開倉的關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。加固體應進行強度驗算，并結合工程經驗確定加固范圍和強度要求。