盾構始發冷凍區中盾構機刀盤凍結脫困技術探究

馮屾

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

1 引言

隨著地下城市空間建設的發展，盾構法施工應用越來越多，然而由于地質條件以及施工工法存在差異，在盾構施工過程中會有不同的困難。鹽水凍結加固具有均勻性好、隔水效果好、污染小、凍結強度高等特點，但當冷凍機組停止工作的情況下，由于冰析效應會產生較大的膨脹量，從而導致刀盤被凍住，盾體抱死。

2 工程簡介

2.1 區間概況

某工程的盾構區間為一條單線隧道，且左右線各一條盾構隧道。區間線路盾構穿越段建構筑物密集，存在有大量多層磚混結構淺基礎住宅，以及1 層住宅和1～2 層辦公用房，都建于20 世紀80 年代至90 年代。下穿大量5～6 層磚混結構淺基礎住宅，區間右線起止里程為DK26+933.399～DK28+322.364，區間長1 388.965 m；左線起止里程為DK26+933.399～DK28+322.364，短鏈14.498 m，區間長度1 374.467 m。區間平面共設半徑R=300 m、800 m、700 m、1 200 m 四處曲線，區間左右線線間距13～17 m。線路縱斷面大致呈“V”形，最大縱坡24‰，最小縱坡2‰。

2.2 地質條件

區間穿越地層為⑥4 粉質黏土、⑦1 粉質黏土、⑧1 粉質黏土、⑧2 黏質粉土、⑨1 粉質黏土、⑨2 黏質粉土、⑩1 粉質黏土。區間場地土類別為Ⅲ類，場地土類型為中軟場地土。

2.3 水文條件

區間線路場地淺層地下水主要以第四系孔隙潛水為主，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。本段地下水埋深1.05～1.70 m。

根據地勘資料可知，該地段在勘察深度范圍內的地下水有潛水、第一承壓水、第二承壓水；地下靜止水位埋深為1.05～1.70 m，主要存在于人工填土、黏性土和粉質土中；含水層的水平向滲透性與豎向滲透性差異較大；該地段地下水在枯水期與豐水期變化明顯，年平均變化值為0.8 m[1]。

第一承壓水主要賦存于⑧2、⑧23、⑧24、⑨2、⑨23、⑨24粉土、粉砂層中；第二承壓水主要賦存于?2、?23、?24、?25、?4、?43、?44、?45 粉土、粉砂層中，其中夾有多層相對隔水層的黏性土。承壓水的滲透補給與潛水水力聯系緊密，以相對含水層中的徑流形式排泄為主，同時以滲透方式補給深層地下水。第一承壓含水層水頭標高為-1.854～-1.941 m；第二承壓含水層水頭標高為-2.803～-2.911 m。

2.4 冷凍設計

采用注漿+水平凍結加固的方式，加固區為杯形，杯底厚度4 m，杯壁厚2 m，杯壁長11 m（見圖1）。凍結壁設計平均溫度＜-12 ℃，凍結壁與地連墻交界面設計平均溫度＜-5 ℃，經加固的土體無側限抗壓強度不小于3.6 MPa，抗拉強度不小于2.0 MPa，抗彎強度不小于1.5 MPa（平均溫度-10 ℃）。根據凍結壁厚度布設凍結管，洞門圈內布設3 圈，鉆孔間距約1.073 m；洞門圈外布設1 圈，鉆孔間距約0.779 m；單洞凍結管共58 根，測溫管8 根，總計66 根；單洞總長度約641.8 m（見圖2）。

圖1 冷凍管平面布置圖

圖2 冷凍加固立面圖

2.5 周邊建筑物、管線情況

本工程施工區域內下（側）穿居民樓，區間正穿多層建筑，分別是磚混結構片筏基礎、2 棟6 層職工宿舍（磚混結構片筏基礎），基礎埋深1.2 m。此范圍區間覆土厚度19 m，距建筑物基礎豎向距離在17 m 以上。盾構始發洞門區域內地面無重要管線。

3 刀盤脫困

3.1 盾構機主要參數

盾構機為海瑞克S757，刀盤開挖直徑為φ6 440 mm，盾體直徑為φ6 410 mm(前盾)/φ6 400 mm（中盾）/φ6 390 mm（尾盾），刀盤開口率為37%，脫困扭矩為6 619 kN·m，最大推力為43 426.5 kN（4 342.65t）。

3.2 刀盤受困經過

冷凍管拔除作業完成后，盾構機開始推進，推進至-3 環時，刀盤補油泵出現跳停，無法啟動，導致刀盤無法啟動。經過現場搶修，1.7 h 后補油泵修理完成，隨后立即啟動刀盤，發現刀盤出現受阻卡頓，即采取左右轉動刀盤、收回交接油缸、伸縮刀盤等措施，均未能有效解決。

此時盾構機刀盤進入冷凍體93 cm，停機位置距房屋28 m（見圖3）。

圖3 盾構機停機位置平面圖

3.3 受困原因分析

經過分析，主要受困原因如下：始發端采用杯式冷凍加固，受裝機調試時間延誤影響，冷凍時間超出設計凍結時間20 d；盾構機停機所處地層上部為⑧24 粉砂，下部為⑨1 粉質黏土，且上部處于承壓水地層中；測溫孔的平均溫度均不高于-10 ℃，加固區杯底、杯壁的厚度都有不同程度的加厚，停機位置凍結壁溫度達到-15 ℃左右；且掘進過程中向刀盤前注入泡沫及水，停機維修故障期間，刀盤無法進行轉動，刀盤下部的泡沫、水、已切削土體結塊形成整體，造成刀盤卡死[2]。

3.4 解決措施

3.4.1 地面措施

1）注漿加固

盾構機停機位置距離樓房28 m，在脫困過程中，必須保證地面不發生沉降。盾構機位置進入冷凍體93 cm，尚不具備同步注漿條件。考慮到脫困解凍過程中冷凍體融沉，為保證解凍過程中刀盤前方土體不發生流失從而導致地面塌陷，需進行地面深層注漿，控制加固體地層穩定。同時，通過地面雷達對始發加固體地面掃描，探究地層是否有空洞，判斷是否會出現較大沉降，提前進行地面注漿。

2）加強監測

盾構機停機過程中，應安排專人進行地面監測；解凍過程中，應增加監測頻率，根據現場實際情況增設監測點，明確掌握地表變化情況。

3.4.2 洞內措施

當盾構在冷凍區進行掘進作業時，發生刀盤或盾體被凍結的現象，可以采取以下措施進行處理。

1）通過刀盤正反轉

每15 min 啟動1 次刀盤，通過刀盤正反轉使刀盤突破土體，試圖脫困。但由于正反轉過程中，刀盤扭矩已達到設定極限值，此方案并未達到理想效果。

2）對掌子面進行升溫解凍處理

通過土倉下部隔板閥門向土倉內注入熱鹽水（70 ℃左右），從上部隔板閥門處放出，使土倉內形成鹽水循環。同時利用蒸汽機加熱土倉隔板，通過熱傳導原理，提高土倉溫度。

解凍的同時保證土倉壓力，一旦冷凍體失效，土體融化進入土倉，要逐漸開始建立土倉壓力進行保壓。同時，根據監測情況及時調整，通過螺旋機進行排渣，安排專人對渣溫進行測試，并形成記錄[3]。

3）臨時混凝土洞門環梁

停機位置刀盤上方⑧24 地質中存在承壓水，土體解凍盾構機脫困后，在承壓水的滲透下冷凍可能完全失效。盾構機脫困后，洞門密封僅依靠短套筒的止水裝置，為保障盾構機的安全掘進，防止洞門發生滲漏，對鋼箱外圈設置混凝土環梁加固。混凝土環梁內配筋，同時向側墻植筋錨入混凝土環梁。

4）加設弧形鋼板

盾構脫困脫出0 環后，采用2 mm 弧形鋼板，將鋼箱與0環管片密封，并增加注漿球閥，保證土體解凍后洞門密封的安全性。當出現滲漏時，通過球閥進行水泥-水玻璃雙液漿壓注。

3.5 冷凍加固區掘進的注意事項

根據現場實際刀盤受困至脫困的具體情況，相應注意事項措施如下。

1）始發前，應對盾構機進行系統性的全面調試與檢修，備足相應的易損件。在盾構機調試完成至頂進冷凍體之前48 h，應反復多次進行空載運行，安排專人跟進始發籌備措施，確保盾構機的正常運行。

2）將刀盤系統與盾構機的其他系統解鎖，保證盾構機在刀盤驅動以外的其他系統出現故障時，在冷凍區仍可以繼續保持轉動而不被凍住。

3）提前調試相關解凍設備（鹽水加熱及蒸汽機），刀盤一旦出現冷凍受困，立即啟動應急解凍措施。

4）在盾構機臺車上的膨潤土箱內備滿防凍液，在掘進冷凍加固區的過程中適當注入防凍液。

5）推進時，每5 min 測量1 次渣溫。低于-10 ℃時，間斷性地注入少量熱鹽水，提高土倉內渣土溫度，降低并及時排土，減少倉內凍土堆積。

4 結語

在盾構法施工過程中，冷凍法加固應用越來越廣泛，因此，防止盾構機在凍結土中凍住變得尤為重要。掘進前，必須做好對設備各方面的檢修及保養；掘進中，要控制好盾構機的掘進參數。