旋噴樁技術(shù)在鄭州地鐵盾構(gòu)脫困中的新應(yīng)用

劉 凱，王玉祥，陳 霞

(1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001;2.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000)

0 引言

盾構(gòu)隧道施工進入國內(nèi)多年，并在21世紀初得到廣泛應(yīng)用，但由于我國幅原遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，盾構(gòu)受困問題始終伴隨著盾構(gòu)施工，如何快速、安全、經(jīng)濟地實現(xiàn)盾構(gòu)脫困，一直是盾構(gòu)隧道施工研究探討的重要問題。林存剛等［1］以杭州沿江大道運河隧道工程泥水盾構(gòu)在粉砂地層掘進為例，介紹了因刀盤被砂土附著束縛而無法轉(zhuǎn)動，盾構(gòu)被迫停機15 d，采取在刀盤前方土體地面開槽，通過高壓噴射水流切割刀盤束縛的砂土使其脫落，以消除附著砂土產(chǎn)生的附加扭矩，從而使刀盤脫困。杜闖東等［2］以廣州5號線某區(qū)間盾構(gòu)工程為例，介紹了采用水平壓密注漿加固技術(shù)實現(xiàn)盾構(gòu)安全脫困。李輝等［3］以重慶6號線盾構(gòu)工程為例，介紹了爆破法盾構(gòu)脫困技術(shù)。趙毅［4］以引紅濟石輸水工程為例，介紹了雙護盾TBM超前化學(xué)灌漿脫困施工技術(shù)。宋曉業(yè)［5］以沈陽地鐵1號線盾構(gòu)區(qū)間工程為例，介紹了采用旋噴樁對刀盤周邊加固，然后進行開艙實現(xiàn)脫困。文獻［6－12］分別介紹了砂卵層袖閥管注漿盾構(gòu)脫困技術(shù)，刀盤改造與渣土改良脫困技術(shù)，爆破卡盾殼脫困技術(shù)，啟用超挖刀并增加輔助油缸脫困技術(shù)，帶壓換刀脫困技術(shù)等。上述研究均未涉及采用惰性漿液旋噴樁技術(shù)對地層進行改良，對膨潤土旋噴樁用于盾構(gòu)脫困的更是未提及。

本文以鄭州地鐵2號線北環(huán)路站—東風(fēng)路站區(qū)間，右線隧道在富水粉細砂層掘進施工時，因長時間停機，出現(xiàn)盾構(gòu)刀盤被砂土沉積附著造成刀盤被卡受困為實例，提出在地面上通過將旋噴樁漿液調(diào)整為惰性膨潤土漿，采用地面非開挖方式，用高壓漿切割刀盤束縛的砂土的同時，填充改良周邊地層減緩粉細砂沉積速度，使盾構(gòu)刀盤附著的沉積砂土與膨潤土漿液混合，增大砂粒間孔隙，減小周邊地層對刀盤的束縛力，從而使盾構(gòu)刀盤脫困。

1 工程概況

北環(huán)路站—東風(fēng)路站區(qū)間盾構(gòu)依次穿越東風(fēng)路下穿隧道(規(guī)劃中)、東風(fēng)渠、側(cè)穿東風(fēng)渠橋樁、河南省水利學(xué)校1#和3#學(xué)生公寓以及汽車北站過街天橋，到達北環(huán)路站，拆機、吊出。區(qū)間線路全長825.27雙線延米(YDK14+135.100 ～ +960.370)，設(shè)3組平面曲線，半徑為1 200、800、1 000 m，線間距為13～15.5 m，線路縱坡設(shè)計為“V”型坡度，最大坡度為28‰，最小坡度為2‰，區(qū)間最大埋深為19 m，最小埋深為10 m。本區(qū)間掘進施工采用中鐵X號土壓平衡盾構(gòu)，刀盤直徑為6 280 mm，盾殼直徑為6 250 mm，額定扭矩為4 377 kN·m，脫困扭矩為5 225 kN·m，最大推力為31 650 kN，鉸接采用主動式鉸接，總拉力為7 340 kN。

本區(qū)間隧道主要穿越〈4－3〉細砂層，局部〈3－1〉粉土層及〈4－1〉粉土層，粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂層，穩(wěn)定性差;第四系沖積至洪積砂層及粉土層為主要潛水含水層，富水程度中等。水位埋深為3.5～7.8 m。盾構(gòu)區(qū)間車站端地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

2 盾構(gòu)受困經(jīng)過與原因分析

2.1 盾構(gòu)受困經(jīng)過

2014年4月4日進行北環(huán)路站—東風(fēng)路站區(qū)間右線盾構(gòu)始發(fā)。4月6日，盾構(gòu)在安裝完成第+3環(huán)(刀盤已出端頭加固區(qū)1.5 m)管片后，停機注漿封堵洞門，停機注漿共12 h。完成洞門封堵注漿后，4月7日5:30恢復(fù)掘進，發(fā)現(xiàn)刀盤被卡無法轉(zhuǎn)動，隨后啟動脫困扭矩，但仍無法脫困。立即組織相關(guān)人員討論，結(jié)合以往經(jīng)驗及現(xiàn)場盾構(gòu)實際情況制定出以下方案:首先采取螺旋輸送機出渣降低土艙壓力，并用脫困扭矩連續(xù)正反轉(zhuǎn)擺動刀盤，擺動幅度始終在1°以內(nèi)，無法增大刀盤擺動幅度;后又嘗試在土艙注入膨潤土置換出渣，并通過膨潤土孔在刀盤前方壓入膨潤土，同時用脫困扭矩連續(xù)正反轉(zhuǎn)擺動刀盤，始終無法脫困。通過長時間多次嘗試，依靠盾構(gòu)自身仍無法脫困，必須采取其他輔助措施進行脫困。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間車站端地質(zhì)縱斷面圖(單位:m)Fig.1 Geological profile of running tunnel close to Metro station(m)

2.2 受困原因分析

2.2.1 刀盤前方出現(xiàn)異物卡刀刀盤前方出現(xiàn)異物卡刀盤，是盾構(gòu)掘進受困常見原因。針對本次情況，通過查詢掘進記錄，停機前刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩正常，停機期間間歇轉(zhuǎn)動刀盤3次，刀盤轉(zhuǎn)動正常，可排除刀盤前方出現(xiàn)異物卡刀。

2.2.2 土艙竄入漿液固結(jié)刀盤盾構(gòu)始發(fā)掘進，盾殼全部進入土體后，區(qū)間管片尚有2環(huán)在盾殼內(nèi)，需掘至第3環(huán)時，第1環(huán)管片才脫出盾殼與周邊土體接觸，此時要停機注漿，對管片與洞門及周邊土體進行封堵與填充，才能保證后續(xù)掘進正常保壓。在停機注漿期間，有部分漿液竄入土艙將刀盤固結(jié)，存在極大可能性。通過查詢掘進記錄，注漿壓力控制在0.3 MPa內(nèi)，且注漿期間土艙與刀盤前土壓未出現(xiàn)增高現(xiàn)象;停機前刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩正常，停機期間間歇轉(zhuǎn)動刀盤3次，刀盤轉(zhuǎn)動正常;采取螺旋輸送機出渣降低土艙壓力時，渣樣未見有漿體固結(jié)土塊。因此，判定土艙竄入漿液固結(jié)刀盤卡刀可能性較小。

2.2.3 刀盤周邊砂層沉積固結(jié)束縛刀盤從地質(zhì)勘查資料地質(zhì)縱斷面圖可以看到，卡刀處刀盤中部以下全部位于〈4－3〉細砂層，掘進時刀盤前方會連續(xù)加入水、泡沫、膨潤土等渣土改良材料，刀盤轉(zhuǎn)動對砂層進行攪拌，砂層處于運動狀態(tài)，大大增加砂層的孔隙率，砂層較為疏松，對刀盤的束縛力較小。停機注漿期間，刀盤處于間歇性轉(zhuǎn)動狀態(tài)，且渣土改良材料加入量也較少，砂層較長時間處于靜止狀態(tài)，逐漸失水沉積固結(jié)在刀盤周邊，隨著時間增加沉積量加大，砂層孔隙率逐漸減小，地層對刀盤的束縛力逐漸增大，最終導(dǎo)致刀盤啟動所受約束力總和大于盾構(gòu)設(shè)計脫困扭矩，盾構(gòu)刀盤卡刀無法正常轉(zhuǎn)動。

綜合以上因素，最終可以判定:盾構(gòu)刀盤周邊砂層沉積固結(jié)加大了刀盤束縛力，這是盾構(gòu)受困卡刀的最主要因素。

3 盾構(gòu)脫困方案

由上述分析可知，要使盾構(gòu)脫困，必須采取措施減小盾構(gòu)刀盤周邊砂層對刀盤的束縛力。按照常規(guī)方法需人工清艙及人工清除刀盤周邊附著砂土，常見的可選擇方案有:帶壓進艙人工清除、在刀盤前方開槽或施作豎井開挖清除等。以上常規(guī)方案成功案例與成熟經(jīng)驗較多，但施工工期均需15 d以上，且施工費用高，并存在較大的安全風(fēng)險。而該區(qū)間須在6月底前完成，工期緊張，常規(guī)方案無法滿足。

3.1 方案確定

常規(guī)方案無法滿足工期需要，必須采用一種地面非開挖方案實現(xiàn)盾構(gòu)脫困。通過查找國內(nèi)相關(guān)工程案例，各方咨詢，最終制定出如下方案:在刀盤前方打孔，然后通過旋噴機下鉆，噴射高壓膨潤土漿液，切割刀盤束縛的砂土的同時，使膨潤土漿液對砂層(土體)進行置換與融合，減緩粉細砂沉積速度，使盾構(gòu)刀盤附著的沉積砂土形成懸浮狀態(tài)，增大砂粒間孔隙，從而使盾構(gòu)刀盤脫困。

3.2 孔位布置

三管旋噴樁，成樁樁徑可達0.8～1.0 m，盾構(gòu)刀盤直徑6 280 mm，在刀盤前40～50 cm處，沿刀盤橫斷面布置6個孔位，中間中心刀處(該刀伸出刀盤面板0.45 m)注意實測位置，避免引孔時鉆到刀盤。在中心刀兩側(cè)各布3個孔，中心刀兩側(cè)兩孔間距為1.5 m，其余孔間距為1.0 m。膨潤土施噴孔位布置示意如圖2所示。

3.3 漿液配置

膨潤土制備嚴格按照配合比進行，每m3膨潤土漿液內(nèi)，膨潤土∶水∶CMC∶純堿(質(zhì)量比)=200∶900∶1∶2，制備完成的膨潤土需不間斷通氣并膨化12 h以上，使?jié){液充分膨化。

3.4 膨潤土漿液旋噴

實際測算刀盤位置，按照布孔方案在地面放樣孔位，鉆機就位成孔，鉆孔深度至刀盤最底部50～80 cm為宜，鉆進到位后開始提升噴射膨化后膨潤土漿液，提升速度為10～12 cm為宜，噴射至刀盤頂部50～80 cm即可。施工時應(yīng)跳孔施工，一序施工完成后，開始進行試擺刀盤脫困，邊二序施工邊擺刀盤，可在最短時間內(nèi)脫困。實際施工按圖2編號順序(即1#—6#)進行跳孔施工，在施工完成第4孔(即4#)膨潤土旋噴后，啟動脫困扭矩順利脫困，刀盤恢復(fù)轉(zhuǎn)動。2014年4月9日，北環(huán)路站—東風(fēng)路站區(qū)間右線盾構(gòu)開始恢復(fù)掘進。膨潤土旋噴樁地面非開挖盾構(gòu)脫困技術(shù)，在本案例中得到成功實施印證。

圖2 膨潤土旋噴孔位布置示意圖Fig.2 Layout of jet grouting holes

3.5 后期地面沉降情況

根據(jù)2—9環(huán)地表監(jiān)測情況，盾構(gòu)通過后最終最大沉降為 －7.17 mm，最大日沉降為 －4.73 mm，該工藝對盾構(gòu)后期掘進施工安全影響較小。

3.6 經(jīng)濟分析

在該案例中，盾構(gòu)脫困歷時2 d，共施工4根膨潤土旋噴樁，鉆孔17×4=68 m，實樁8×4=32 m，按目前市場旋噴樁價格，空樁50元/m，實樁300元/m，本次脫困所需費用為50元/m×(68－32)m+300元/m ×32 m=11 400元。與常規(guī)方案相比，不算常規(guī)方案實施的直接費用，僅因其工期長帶來的間接成本(若按工期15 d，正常盾構(gòu)項目日常工費、設(shè)備、水電等正常維持費用 2萬元/日來計算，15日 ×2萬元/日=30萬元)，就遠高于本方案。膨潤土旋噴樁地面非開挖盾構(gòu)脫困技術(shù)，存在良好的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論與建議

盾構(gòu)在施工過程中，存在較多不確定因素造成非正常停機，若不能及時修復(fù)掘進，在富水砂層中長時間停機，極易造成盾構(gòu)刀盤(甚至是盾體)被砂土沉積附著被困。結(jié)合本案例，可以看出膨潤土旋噴樁盾構(gòu)脫困技術(shù)，可通過地面非開挖方式，有效快速解決富水砂層盾構(gòu)脫困問題，具備較好的實用性，且功效快、安全性高、經(jīng)濟性好，該技術(shù)可在今后的富水砂層盾構(gòu)、大型頂管施工中進行推廣驗證。該技術(shù)在施工中存在以下問題:1)旋噴樁施工設(shè)備用電負荷較大，距項目較遠時，施工用電較為困難;2)在市內(nèi)道路、綠化等非項目場地施工時，文明施工難度大，必須做好防漿液竄冒措施;3)施工前應(yīng)對引孔區(qū)域地下管線進行充分調(diào)查，避免造成損壞，在噴漿過程要對周邊特別是雨水、污水、強弱電井排管進行巡查，防止高壓漿涌入造成堵塞、污染破壞。

在富水砂層盾構(gòu)施工中，應(yīng)在刀盤前加入足夠的膨潤土、泡沫劑等渣土改良材料，且要保證不超過40 min轉(zhuǎn)動刀盤一次，必要時盾殼四周也需注入膨潤土，這樣可有效防止盾構(gòu)被困。

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