砂卵石地層中泥水盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)方案分析

姚 藝

砂卵石地層中泥水盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)方案分析

姚 藝

（上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司，200060，上海//高級工程師）

盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中卡機(jī)是目前地下施工項目面臨的較大的危險源之一.以蘭州軌道交通1號線一期工程迎馬區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)機(jī)在砂卵石層中卡機(jī)故障為例，分析了在沙卵石地層推進(jìn)中盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)的原因，介紹了盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)方案，詳細(xì)闡述了該技術(shù)方案的實施步驟和相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)。

城市軌道交通；盾構(gòu)機(jī)；卡機(jī)；脫困

蘭州軌道交通1號線一期TJ I-5標(biāo)段迎馬區(qū)間總長1 906 m，雙洞雙線設(shè)計，其中過河段404 m。穿黃河隧洞最深覆土厚度42 m，采用加氣平衡式泥水盾構(gòu)機(jī)施工。整條隧道除始發(fā)與接收兩端位于2-10和3-11的卵石層交互復(fù)合層外，其他段均走行于3-11卵礫石層中。地層中卵礫石含量高達(dá)85%以上，地下水豐富并與黃河水貫通，滲透系數(shù)達(dá)60 m/d。地層中直徑20 cm以上的漂石含量較豐富。卵石中石英含量達(dá)77%，最大強(qiáng)度達(dá)到200 MPa。

本文僅針對泥水盾構(gòu)機(jī)在卵礫石層中卡機(jī)故障進(jìn)行分析和研究，并對卡機(jī)的處理措施進(jìn)行了探討。

1 工程概況及水文地質(zhì)

盾構(gòu)機(jī)卡轉(zhuǎn)位置里程為K13+388.647，距始發(fā)豎井230 m，距黃河453 m，距離風(fēng)井350 m，平面所處位置為銀安路輔道與人行道交叉口位置。

盾構(gòu)機(jī)臨時停機(jī)位置，刀盤斷面所處地質(zhì)為3-11卵石層，刀盤上方土體由雜填土（1.0 m）、2-10砂卵石地層（11.8 m）和3-11砂卵石地層（1.2 m）組成，刀盤頂部覆土總厚度約為14 m。根據(jù)地勘報告，刀盤頂部覆水高度為7.2 m。此處地下水位距地面8 m左右，主要是潛水和黃河補(bǔ)給水。

另根據(jù)施工日志，刀盤所處位置曾出現(xiàn)地面冒漿和坑洞，先后進(jìn)行了3次回填，回填骨料分別為：砂卵石及雜填土20 m3，C15混凝土17 m3，C10砂漿48 m3。

2 盾構(gòu)卡機(jī)原因分析

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時掌子面上方出現(xiàn)空洞，泥漿迅速向外竄出，開挖倉內(nèi)掌子面突然失壓，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤上方塌方，使得卵石堆積在刀盤部位，將盾構(gòu)卡機(jī)。分析原因如下：

（1）刀盤卡住處為舊有采砂區(qū)，不排除采砂回填區(qū)有銀灘大橋和周邊樓房建設(shè)時的建筑垃圾回填。實際調(diào)查過程中，周邊房建施工時反應(yīng)有基礎(chǔ)注漿流失現(xiàn)象。

（2）舊有地質(zhì)勘探孔進(jìn)入到隧道施工區(qū)域，因探孔處對土體形成擾動，導(dǎo)致地層松散，形成空洞。

3 盾構(gòu)脫困技術(shù)

為了使盾構(gòu)機(jī)早日脫困，必須打開安全門，人工進(jìn)入開挖倉和工作倉清理堆積在倉里面的沙卵石和刀盤外沿上的巖石，使盾構(gòu)刀盤與切削面減少磨察力，使泥漿管路能正常循環(huán)。此處地下水含量豐富，刀盤前方的土體已經(jīng)過擾動，土體非常松散，如果人工進(jìn)倉，掌子面容易坍塌，因此必須降水和加固掌子面。具體方法是：從倉內(nèi)對刀盤頂部土體進(jìn)行注聚氨酯加固，同時在刀盤上部施作一個豎井，井底靠刀盤前方施作一排挖孔樁，對掌子面進(jìn)行支護(hù)，在刀盤的頂部和前方為清倉創(chuàng)造一個保護(hù)殼。再從倉內(nèi)清除堆積物，恢復(fù)刀盤轉(zhuǎn)動。以下為具體實施的盾構(gòu)機(jī)脫困技術(shù)方案，該方案獲得了成功。

3.1 施作降水井

區(qū)域施作降水井（10 m×19 m范圍內(nèi)）（見圖1），進(jìn)行降水處理。根據(jù)計算，本次施作了4口降水井，井深29 m，將水位降低至22 m以下。

圖1 降水井平面布置圖

3.2 聚氨酯加固

3.2.1 漿液配制

（1） 漿液配比 ∶A ∶B=10∶1（質(zhì)量比），即 A 組分聚氨酯10 kg，B組分催化劑1 kg。如在實際使用中發(fā)現(xiàn)固化速度過快，則適量減少催化劑用量即可延長固化時間。

（2）灌漿前先將確定用量的催化劑加入聚氨酯漿液中，攪拌均勻，待用；帶有催化劑的漿液不會反應(yīng)，直到接觸水才會開始反應(yīng)。

（3）由于聚氨酯混合液遇水即開始反應(yīng)發(fā)泡，因此在未使用前，混合液應(yīng)避免接觸水。

3.2.2 注酯范圍

根據(jù)實際開倉檢查情況，刀盤中心以下區(qū)域的卵石堆積非常密實，不需要進(jìn)行加固，僅需對刀盤中心以上部分進(jìn)行局部加固，圖2為注酯范圍示意圖。具體加固范圍為刀盤直徑外1.5 m范圍內(nèi)的上半圓，注酯寬度為刀盤面板正前方1.5 m，盾體切口后0.5 m。（目前聚氨酯的擴(kuò)散半徑尚無計算公式或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，實際的擴(kuò)散半徑由現(xiàn)場根據(jù)壓力及注入量判斷，同時可輔以注酯試驗。）

圖2 注酯范圍示意圖

3.2.3 注酯步驟

（1）確定需加固的區(qū)域，并在加固區(qū)域埋設(shè)直徑25 mm，長度1.5 m的PVC（聚氯乙烯）或PPR（無規(guī)共聚聚丙烯）注酯管（見圖3）。管壁上設(shè)置直徑5 mm的注酯孔。注酯孔的數(shù)量根據(jù)實際情況設(shè)定，一般不應(yīng)少于3排。埋設(shè)注酯管時，可使用鋼套管或使用鉆孔機(jī)在降水的條件下進(jìn)行布設(shè)。也可使用鋼性注酯管，但鋼性注酯管必須在注入完畢后，漿液上強(qiáng)度前拔出，以免妨礙盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)工作。

圖3 注酯管

（2）將聚氨酯泵連接到注漿管，通過注漿管加注聚氨酯。

（3）在泵口壓力達(dá)到設(shè)定值后，更換另一根注漿管。如此往復(fù)注入，直至達(dá)到要求為止。

（4）注聚氨酯完畢后，關(guān)閉倉門4 h。

（5）聚氨酯注入完畢4 h后，打開倉門通風(fēng)2 h，至倉內(nèi)基本無氣味為止。

（6）人員進(jìn)入開挖倉，通過鑿子、手電鉆等工具檢查聚氨酯的實際注入效果。

（7）硬化效果達(dá)到要求則進(jìn)行下一步工作，如部分區(qū)域效果不佳則對注入效果不佳處補(bǔ)充注酯。如此循環(huán)，直至加固區(qū)滿足要求為止。

（8）注酯孔的間距一般為20～50 cm，可視實際工況擴(kuò)大或縮小注酯孔間距。一般注酯孔的孔距不宜超過1.5 m。

（9）注酯過程中，如注酯口滲漏，則可用快速緊固密封的孔口裝置或高強(qiáng)快凝材料來封堵灌漿管口。

（10）聚氨酯混合液固化后，去除灌漿管，用堵漏王或HK-EQ環(huán)氧膠泥進(jìn)行封閉。

3.2.4 注酯效果檢查

（1）注酯完畢4 h后，打開倉門通風(fēng)2 h，至艙內(nèi)基本無氣味為止；再用氣體檢測儀進(jìn)行監(jiān)測，檢測合格后，人員方可進(jìn)倉。

（2）檢查方法主要是通過鑿子或手電鉆等工具對加固區(qū)域進(jìn)行檢查；對空間允許的部位可采用取芯法，將“芯”送到有資質(zhì)的檢測單位進(jìn)行強(qiáng)度檢測，要求無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8～1.2 MPa。

（3）在加固體上打眼，并通過眼位進(jìn)行注水，通過水流的分散情況判斷加固體的整體性。對斷裂帶可進(jìn)行補(bǔ)注酯。

3.3 豎井+挖孔樁

圖4、圖5分別為豎井與樁的平面圖和立面圖。豎井開挖尺寸為4 100 mm×8 000 mm，深度15.6 m。頂部設(shè)置C30鋼筋混凝土鎖口圈梁（斷面尺寸為1 000 mm×1 000 mm）?；觽?cè)壁支護(hù)采用φ22砂漿錨桿+鋼筋格柵+300 mm厚C25噴射混凝土，其中砂漿錨桿長2 m，豎向間距0.5 m，環(huán)向間距1 m；鋼筋格柵采用φ18主筋、φ16蹬筋、φ6.5外箍筋；豎向設(shè)置內(nèi)外兩排φ18連接筋，環(huán)向間距1 m。豎井設(shè)置橫向支撐，采用工20 b工字鋼，水平間距2.5 m，豎向間距3 m。

人工挖孔樁直徑1.4 m，深8 m。護(hù)壁采用100 mm厚模筑C30混凝土，隨挖隨支護(hù)，成孔后灌注C10混凝土。

豎井底板封閉采用1 000 mm厚C30鋼筋混凝土，雙層φ18鋼筋網(wǎng)（200 mm×200 mm）。

4 刀盤恢復(fù)轉(zhuǎn)動施工步驟

4.1 清理刀盤步驟

加固支護(hù)完成并檢查合格后，即可進(jìn)行刀盤清理工作。根據(jù)前期的檢查情況，本次刀盤清理按如下步驟進(jìn)行：

（1）清理開挖倉。

（2）從刀盤底部開始清理刀盤開口處。開口處卵石清理出來后，第一時間使用預(yù)裝好的沙袋或膨潤土袋進(jìn)行堆疊封堵。

（3）對于刀盤正前方無法清理的部位，可通過拆除相鄰部位刀具進(jìn)行清理。同時可對刀具進(jìn)行檢查。

（4）刀盤四周必須清理至無卵石堆積。在清理過程中如遇較松散部位，可通過注酯進(jìn)行加固防護(hù)，或通過換填沙袋防護(hù)。

圖4 豎井與樁平面布置圖

圖5 豎井與樁立面圖

（5）刀盤自下至上一直清理至刀盤頂部，直至整個刀盤與前方土體脫空。

（6）所有清空的部位均應(yīng)使用沙袋堆壘，防止渣土掉落。

4.2 試轉(zhuǎn)刀盤步驟

刀盤清理完畢后，進(jìn)行轉(zhuǎn)動刀盤試驗。轉(zhuǎn)動刀盤時，技術(shù)人員在氣壓艙內(nèi)進(jìn)行觀察，如有渣土掉落情況應(yīng)及時與司機(jī)溝通停止試轉(zhuǎn)并上報，采取進(jìn)一步的處理措施。如試轉(zhuǎn)成功，則關(guān)閉前艙門，恢復(fù)掘進(jìn)。圖6為刀盤轉(zhuǎn)動試驗步驟。

圖6 刀盤轉(zhuǎn)動試驗步驟

4.3 恢復(fù)掘進(jìn)步驟

圖7為恢復(fù)掘進(jìn)步驟。

5 結(jié)語

蘭州軌道交通1號線迎馬區(qū)間右線盾構(gòu)機(jī)被困后，打設(shè)降水井，進(jìn)行降水施工，地下水位4天之內(nèi)下降了26 m左右；開始施做豎井同時進(jìn)行洞內(nèi)注入聚安酯施工作業(yè)；待掌子面穩(wěn)定后，人工進(jìn)倉清理工作倉、開挖倉和刀盤前沿的卵石；清倉完畢后，建立泥漿循環(huán)并試轉(zhuǎn)刀盤，刀盤轉(zhuǎn)動試驗成功后，恢復(fù)掘進(jìn)。本文介紹的技術(shù)方案的成功實施表明：降水加豎井同時結(jié)合聚氨酯注漿的方法，在沙卵石地層中加固土體，能使掌子面穩(wěn)定，能夠保證在保障進(jìn)倉人員安全的前提下完成倉內(nèi)清理，能夠使刀盤轉(zhuǎn)動，使盾構(gòu)機(jī)脫困。此方法可以在其他沙卵石地層中盾構(gòu)機(jī)脫困加以推廣應(yīng)用。

圖7 恢復(fù)掘進(jìn)步驟

［1］ 張鳳祥，朱合華.盾構(gòu)隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004：192.

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Analysis of Shield Machine Breakaway Technology in Sandy Pebble Formation

YAO Yi

One of the major hazards in underground construction project is the seizing-up of shield machine in sandy pebble formation.Based on seizing-up troubles of the slurry balance shield machine in the Yingma Section on Lanzhou rail transit Line 1，the major reasons for machine seizing-up problem are analyzed.Then，a breakaway technology for the slurry balance shield machine is introduced，concrete implementation procedures and related technical details are elaborated.

urban rail transit； shield machine； seizing-up；breakaway

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.10.021

Author′s address Shanghai 3D Engineering Construction Consulting Co.，Ltd.，200060，Shanghai，China

2016-12-07）