清華園隧道大直徑泥水盾構停機因素與防護措施分析

盾構停機是盾構法隧道施工過程中常見的現象，現有研究表明長時間停機是盾構掘進過程中影響地表沉降、土體變形、盾殼摩阻力和掌子面失穩等問題的重要因素之一。基于京張高鐵清華園隧道大直徑泥水平衡盾構工程，綜合考慮盾構施工各工序時間，對盾構停機時間進行統計分析，總結停機時間的變化規律和影響因素。最終，提出了選擇合適的停機位置、保持盾構機與外界接觸部位的防水效果以及保證盾構隨時恢復掘進是停機防護的關鍵措施。

盾構隧道施工； 盾構停機； 統計分析； 停機防護

U455.43 A

［定稿日期］2022-07-05

［基金項目］中國鐵建2018年科技開發資助項目（項目編號：2018-B06）

［作者簡介］婁瑞（1990—），男，碩士，工程師，研究方向為大直徑盾構隧道技術研發與管理。

盾構法以其對地層和環境擾動小、自動化程度高、施工快捷高效和安全等優點，被廣泛運用在隧道施工中。而盾構停機是盾構隧道施工中的常見現象，并且眾多的研究表明停機會對隧道的沉降控制、掘進參數和施工組織等產生較大的影響。

國內外大量學者對停機引發風險的原因進行了研究，朱合華［1］、梁榮柱等［2］分別基于模型試驗法和實測數據分析法研究了土壓平衡盾構在粉砂、軟土地層中停機后土體與盾構之間的摩擦力變化規律，提出盾構停機后動態摩阻力隨時間逐漸增大，復推后又會產生附加摩阻力。孫飛祥等［3］通過泥水平衡盾構的盾殼摩阻力理論值與實測值對比，說明停機時長是影響其變化特征的因素之一，并且呈現出明顯的時間特性。張亞洲等［4-5］基于硬塑性黏土的浸水崩解和軟化試驗，闡述了停機引起地表沉降塌陷的機制。在停機與地表沉降關系的研究中，林存剛等［6］利用理論計算和實測數據說明停機時間對地面沉降產生了顯著影響，李志軍等［7］在此基礎上，通過結合地表與深層沉降規律分析，進一步提出在富水圓礫地層中盾構停機對前方鄰近深層土體的擾動影響更大。郭幪［8］、何彥辰等［9］通過有限元分析法構建逐環推進模型對盾構停機進行模擬，結合理論計算和實測數據，提出新建盾構隧道在下穿既有隧道時的停機過程對周邊地層豎向位移具有明顯附加影響。

但是上述研究主要集中在對停機引發風險的機理分析，針對實際工程中盾構停機的因素分析和可行性防護措施總結較少。本文依托京張高鐵清華園隧道工程，對盾構施工各工序時間進行統計分析，探究盾構停機影響因素和發生規律，總結工程中有效的停機防護經驗，為類似地層條件的大直徑盾構工程提供參考。

1 工程概況

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區，全長6 020 m，其中采用盾構機進行施工的區段長度為4 448.5 m，采用2臺12.64 m的大直徑泥水平衡盾構。清華園隧道下穿多條重要城市道路、重要市政管線和運營地鐵線路，沿線地表部分建筑物較為老舊，地面風險源復雜眾多，累計穿越3處特級風險源和80處一級風險源，是當時城市核心區隧道施工中最復雜的單洞雙線大直徑盾構工程。

2 停機因素分析

盾構停機情況可分為正常停機和非正常停機2類。其中由于按施工計劃進行倒班、遵循正常工序的銜接和必要的檢修保養造成的盾構停機屬于正常停機。而由于施工組織不合理（如渣土運輸、管片供應和材料供應等）、設備故障和其他不可控的客觀因素（如地質因素、政策因素和天氣原因等）造成停機超過6 h即認為是非正常停機。

造成盾構非正常停機的因素眾多，其中主要包括事故性停機、非正常檢修性停機、政策性停機、惡劣天氣性停機等。以清華園隧道為例，闡述和總結施工過程中出現的非正常停機因素和現象：

（1）事故性停機。清華園隧道2#～1#盾構區間，當盾構掘進到知春路附近時（圖1，①），發現盾尾處底部殼體上拱嚴重，為了保證施工安全，項目部不得不做出了停機檢查、解決事故問題的決定。

（2）非正常檢修性停機，是盾構機掘進過程中最常見的停機情況之一。清華園隧道盾構機在到達計劃的檢修期限前，由于刀盤刀具的異常磨損和部分設備的故障，對刀盤刀具檢修、泥漿環流系統檢修、盾構機檢修等，造成盾構機計劃外的停機。

（3）政策性停機，主要指國家會議或重大活動期間，實施的盾構停機活動。北京兩會期間、一帶一路會議期間、中高考期間、中非合作論壇期間等（圖1，②），清華園隧道項目部配合國家政策進行停機。

（4）惡劣天氣性停機，是指因惡劣天氣影響，造成盾構機不能正常掘進施工，屬于不可抗因素。清華園隧道接到北京市環保局發布在2018年1月13日至1月15日（圖1，③），空氣重污染橙色預警的應急信息，在此期間，不允許建筑垃圾、渣土、砂石運輸車輛路上工作；并且要求暫停室外護坡噴漿噴涂、建筑拆除、切割、土石方等施工作業。受此影響，清華園隧道盾構段暫停施工。

3 停機統計分析

選取2#～1#盾構區間段的0～1 200號管片環，結合開挖完成后得到的盾構每環掘進時間、拼裝時間以及總時間，對盾構停機時間進行時程和頻數分析，探究其中的變化規律。

3.1 時程分析

由圖1可知，停機時間在砂卵石地層與黏土地層沒有明顯的區別，整體在0～1 500 min內變化，波動范圍較大，這是與造成停機的影響因素是有關的，例如故障停機、政策性停機等，這些因素造成的停機時間是不可控的、不確定的，所以停機時間差異較大。

圖2顯示當盾構機掘進264環附近后，每環停機時間較其它區段變長，這是因為盾構掘進至知春路地鐵站，需要下穿知春路地鐵站及知春路，同時施工隧道與地鐵12號線暗挖區間隧道凈距為5.43 m，因此盾構掘進速度趨緩，地層擾動控制要求高，需要適當停機檢查各項監控量測指標，嚴格控制施工參數，針對盾構停機制定完備的計劃，減少對盾構掘進造成的不利影響。

3.2 頻數分析

將圖1中的時程數據進行擬合，繪制相應的頻數分布如圖3所示。盾構每環停機時間采用對數正態分布進行擬合，效果較好，說明停機的產生因素不確定性較大。

盾構每環掘進總時間包括每環掘進時間、拼裝時間以及停機時間，其分布范圍也比較廣（圖4），這在很大程度上是由于拼裝時間和停機時間較長造成的。圖5顯示盾構停機時間占盾構掘進總時間的43%，而由于盾構的掘進和拼裝工序受到施工參數等多方面影響［10］，與施工質量密切相關，因此在施工效率控制上可通過優化盾構停機時間。

利用頻數分布的規律，可以科學合理地給盾構每環停機時間的均值和分布范圍，用以輔助施工安排，控制施工進度。

4 防護措施

為了減小多次、持續的盾構停機對密封漏漿、地表沉降和后續復推的影響，保證盾構機在停機過程中功能的完整性和狀態的可恢復性，需要制定完備的停機處置方案，關鍵在于：盾構停機地層具有良好的承載能力、圍巖穩定不易發生坍塌，以及密封處理長期有效［11］。

4.1 停機位置的確定

選擇合適的停機位置，有利于盾構機自身以及周邊地表的穩定，主要考慮的指標為安全距離與安全地層。

設定合適的距離時主要考慮盾構、隧道尺寸和地表構筑物。研究表明，大直徑盾構停機對地表沉降具有明顯影響的范圍比正常掘進時廣，大約在5倍盾構直徑左右。同時，盾構停機對地表建構筑物的影響隨著隧道埋深的減小而增大，相應的要求越嚴格［12］。

合適的地層應當具備較大的承載能力。此工程主要穿越的地層有砂卵石地層、粉質黏土層和粉細砂層，在每一個停機階段均根據這幾種地層的承載能力和透水系數綜合比較。

4.2 盾體與周邊環境接觸部位的防水措施

4.2.1 鉸接密封處的防水防砂措施

為保證鉸接部位的密封性，不發生漏水漏砂，在停機前需要將鉸接千斤頂回縮收回，使得盾體與鉸接之間緊密接觸后，及時注入潤滑油脂填充鉸接縫隙，使得鉸接腔中充滿黃油，并且具有一定的壓力。

4.2.2 盾尾縫隙封堵措施

利用防水嵌縫材料對停機前后最后一環管片與盾尾之間的間隙進行封堵，填滿盾尾間隙與盾尾整圈的所有縫隙，能夠有效地防止地層中的水、砂滲入盾體。在填塞的過程中，避免回縮油缸，防止管片下沉。同時可以利用聚氨酯封堵對盾尾縫隙發生滲漏水的部位進行補救。

4.2.3 主軸承密封部位的防水防砂措施

在主軸承密封式盾構機中，其主軸承密封部位是指泥水倉內泥漿與用于盾構機刀盤驅動的主軸承之間的封閉面。通過該臨界面，顆粒雜質容易進入盾構機的主軸承中，從而對軸承齒輪油造成污染，降低使用期限。因此，需要加注EPI油脂對主軸承密封處進行進一步密封，同時為防止泥砂突破油脂進入主軸承內，在加注油脂時注入壓力應高于泥水倉中的泥水壓力。

4.3 盾構機復推的安全保障措施

停機過程中應防止設備故障、管路系統堵塞等問題對盾構正常運行產生影響，使盾構機能夠隨時恢復掘進，需要做好對設備的定期檢查和維修保養。

4.3.1 防止刀盤及環流系統堵塞的措施

長時間的停機會引起土體性質發生改變，主要體現在：刀盤內外部的土體，由于產生塑性變形，逐漸地連接在一起形成一塊完整的土體，造成刀盤處堵塞；在刀盤與環流系統腔體中的渣土泥漿，隨時水分的蒸發，整體逐漸喪失流塑性，在盾構復推時引起扭矩增加，阻礙正常啟動。

具體解決措施：從即將停機前環開始，排出土倉內的渣土，并同步倒入高濃度膨潤土，能夠減少刀盤與環流系統中渣土的水分流失，使渣土保持良好的流塑狀態。并且定期利用刀盤旋轉，帶動刀盤的攪拌棒對土體進行攪拌，阻止刀盤內外土體連接成整體。

4.3.2 防止土體粘附盾構機的措施

在盾構停止掘進后，及時通過中盾周圍徑向注漿孔向盾體周圍注入濃膨潤土漿液，能夠有效防止盾外黏土固結在盾體上，并且能夠對刀盤超挖空隙起到填充作用，具有盾體周圍止水和控制盾體沉降的多重效果。

4.3.3 防止同步注漿管路堵塞措施

在盾構接近停機位置附近時，用高濃度膨潤土漿液代替同步注漿漿液，防止盾體被漿液整體或者局部包裹。同時為防止漿液反流至盾體和同步注漿管路中，導致尾被堵塞，應提高注入壓力，將漿液填滿盾尾和注漿管路。

5 總結

本文通過總結清華園隧道大直徑泥水盾構工程停機情況和防護措施，對停機關鍵時間進行統計分析，研究其變化規律，得出幾點結論：

（1）盾構停機時間具有不確定性，需要結合各風險源、節假日、季節和國家政策等因素，提前制定完備的停機處置方案，減小停機的影響。

（2）在頻數分析中，盾構每環停機時間符合對數正態分布，盾構停機時間是盾構施工總時間的重要組成部分，有較大的優化空間。通過統計分析，可以得到各工序時間的分布范圍，用以指導施工組織安排，控制隧道施工進度。

（3）為了保證盾構長時間停機后能夠正常恢復掘進，并且減少對正常掘進的影響，可采取的防護措施包括：確定合適的停機位置、加強盾構機與外部接觸部位的防水處理和確保盾構機能夠正常啟動等。

參考文獻

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