軟土地層中盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引發(fā)問(wèn)題的處理技術(shù)

常喜軍

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

1 引言

盾構(gòu)法施工中盾構(gòu)可能因某些外部因素導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，為此，許多專家學(xué)者對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。梁榮柱[1]等以杭州軟土地層某地鐵區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的2 次較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)事故為背景，對(duì)軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)停機(jī)進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，分析表明，在盾構(gòu)停機(jī)過(guò)程中，沉降影響范圍超過(guò)5倍盾構(gòu)直徑，遠(yuǎn)大于正常掘進(jìn)情況下3倍盾構(gòu)直徑的影響范圍，盾構(gòu)前方土體呈現(xiàn)整體沉降的規(guī)律；譚黎明[2]研究了寧波市軟土地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)及針對(duì)性的技術(shù)措施，盾構(gòu)停機(jī)前適當(dāng)提高正面土壓力0.02～0.05 MPa，有利于控制停機(jī)后土壓力下降趨勢(shì)及前方土體沉降；林存剛[3]等對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)速度及非正常停機(jī)對(duì)地面沉降的影響進(jìn)行分析，分析表明，盾構(gòu)掘進(jìn)速度及停機(jī)時(shí)間會(huì)對(duì)隧道施工引起的地面沉降產(chǎn)生顯著影響，在其他施工條件相同的前提下，提高盾構(gòu)掘進(jìn)速度和減少停機(jī)時(shí)間有利于減少地面沉降；張平[4]等對(duì)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)需要注意的問(wèn)題和措施進(jìn)行闡述，停機(jī)位置的參數(shù)（包括土壓、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等）應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)信息確定，不能一成不變。本文主要對(duì)西安地鐵5號(hào)線某區(qū)間軟土地質(zhì)盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引發(fā)的問(wèn)題及控制技術(shù)進(jìn)行分析研究。

2 工程概況

西安地鐵5號(hào)線某盾構(gòu)施工區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)2 816 m，隧道最大埋深22.05 m，最小平曲線半徑500 m，最大縱坡22.1‰。隧道主要穿越粉質(zhì)黏土、黃土狀土、粗砂，同步注漿采用惰性漿液。區(qū)間隧道外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度30 cm，環(huán)寬1.5 m，每環(huán)由6塊管片拼裝而成。

盾構(gòu)由阿房宮站—西窯頭站方向推進(jìn)，此區(qū)間共計(jì)996環(huán)，因西窯頭站施工滯后不具備盾構(gòu)接收條件，盾構(gòu)機(jī)擬定在964環(huán)停機(jī)等待68天。盾構(gòu)停機(jī)處埋深15.9 m，豎曲線從21‰到-2‰轉(zhuǎn)變，導(dǎo)向系統(tǒng)坡度顯示為8.31‰，平曲線R= 3 000 m。隧道范圍內(nèi)地質(zhì)為2-2粉質(zhì)黏土，3-4粉質(zhì)黏土，3-8粗砂，地下水潛水位埋深約16 m。

3 長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引發(fā)的問(wèn)題及控制

3.1 盾體沉陷及控制

盾構(gòu)停機(jī)期間，盾構(gòu)操作手定期通過(guò)注入膨潤(rùn)土方式進(jìn)行保壓，由于膨潤(rùn)土未發(fā)酵膨化，即拌即用，保壓實(shí)效較短，增加了保壓頻率，等同于向土倉(cāng)內(nèi)加了很多水，刀盤區(qū)域范圍內(nèi)的地層經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間浸泡，變得軟糯。盾構(gòu)復(fù)推時(shí)，盾體整體沉陷，垂直姿態(tài)向下的趨勢(shì)越來(lái)越大，難以控制。盾構(gòu)區(qū)間所用盾構(gòu)機(jī)型號(hào)為ZTE6250，其推進(jìn)系統(tǒng)共有30個(gè)油缸，分成A、B、C、D 4組共20個(gè)號(hào)位，單號(hào)位布置1個(gè)油缸，雙號(hào)位布置2個(gè)油缸，其中2號(hào)、7號(hào)、12號(hào)、17號(hào)油缸內(nèi)置行程傳感器。推進(jìn)系統(tǒng)油缸排布如圖1所示。盾體沉陷控制如下。

圖1 推進(jìn)系統(tǒng)油缸排布圖

（1）盾構(gòu)復(fù)推過(guò)程中，為避免垂直姿態(tài)向下的趨勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大，先采用屏蔽少數(shù)推進(jìn)油缸的方法進(jìn)行控制。從第965環(huán)開(kāi)始，通過(guò)屏蔽20號(hào)推進(jìn)油缸的方法調(diào)整垂直姿態(tài)，未起作用。第966環(huán)～第968環(huán)推進(jìn)時(shí)屏蔽19號(hào)、20號(hào)、1號(hào)推進(jìn)油缸，仍無(wú)明顯效果，豎直姿態(tài)向下的趨勢(shì)依然難以控制。第964環(huán)～第968環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)變化及控制方式如表1所示。

表1 第964環(huán)～第968環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)變化及控制方式

（2）由于盾構(gòu)向下的趨勢(shì)已經(jīng)形成，而且相對(duì)較大，從第969環(huán)～第972環(huán)開(kāi)始，采取屏蔽A組全部推進(jìn)油缸，即屏蔽18號(hào)、19號(hào)、20號(hào)、1號(hào)、2號(hào)推進(jìn)油缸，同時(shí)減小B組、D組推進(jìn)油缸的推力，此處平曲線R= 3 000 m，水平姿態(tài)只進(jìn)行微調(diào)；推進(jìn)速度控制在40～50 mm/min，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)；土倉(cāng)壓力不宜過(guò)高，頂壓控制在0.8～0.9 bar，以降低總推力。另外，第969環(huán)拼裝左轉(zhuǎn)環(huán)，F(xiàn)塊在5號(hào)油缸位置，用成型隧道來(lái)輔助盾體形成向上的趨勢(shì)；同步注漿以底部管路為主，避免盾體上部承受額外的壓力，同時(shí)要把鉸接行程收到正常范圍內(nèi)，此時(shí)盾構(gòu)垂直姿態(tài)向下的趨勢(shì)基本控制住，逐漸形成了向上的趨勢(shì)。

（3）從第973環(huán)開(kāi)始，只屏蔽20號(hào)推進(jìn)油缸進(jìn)行推進(jìn)，同時(shí)使土倉(cāng)內(nèi)多蓄些土，提升土倉(cāng)壓力至1.3～1.4 bar，第976環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)已基本控制在正常狀態(tài)。在第977環(huán)～第978環(huán)，即采用正常的推進(jìn)方式，只對(duì)垂直姿態(tài)稍加控制，至此，盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)已基本控制在正常狀態(tài)，直至第978環(huán)。第969環(huán)～第978環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)變化及控制方式如表2所示。

表2 第969環(huán)～第978環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)變化及控制方式

3.2 鉸接油缸縮回困難及控制

ZTE6250型盾構(gòu)機(jī)屬于被動(dòng)鉸接形式，其鉸接系統(tǒng)共有14個(gè)油缸和14個(gè)號(hào)位，其中2號(hào)、5號(hào)、10號(hào)、13號(hào)油缸帶行程傳感器。盾構(gòu)機(jī)利用推進(jìn)油缸頂住前盾向前推進(jìn)，利用鉸接油缸牽引盾尾，其彎曲角度無(wú)法任意設(shè)定，盾構(gòu)機(jī)的方向控制只有通過(guò)設(shè)置推進(jìn)油缸的數(shù)量和推力來(lái)實(shí)現(xiàn)，盾尾受阻力大的時(shí)候，油缸行程會(huì)被拖長(zhǎng)，鉸接系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)共用一個(gè)動(dòng)力來(lái)源。鉸接系統(tǒng)油缸排布如圖2所示。

圖2 鉸接系統(tǒng)油缸排布圖

盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后復(fù)推時(shí)，鉸接油缸行程易被拖長(zhǎng)，而且不易縮回。在第964環(huán)～第966環(huán)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)操作手嘗試縮回鉸接行程，但鉸接行程仍被逐漸拖長(zhǎng)，第966環(huán)推進(jìn)完成后鉸接行程界面顯示值為，A（2 號(hào)位油缸）112 mm，B（5號(hào)位油缸）140 mm，C （10號(hào)位油缸）145 mm，D（13號(hào)位油缸）125 mm，已經(jīng)超過(guò)臨界值140 mm，推進(jìn)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

為此對(duì)鉸接油缸縮回控制如下。從工控機(jī)上設(shè)定鉸接系統(tǒng)處于旁通狀態(tài)，在推進(jìn)過(guò)程中提升液壓推進(jìn)壓力，使液壓推進(jìn)和輔助電機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行，可使鉸接收縮的壓力升高，同時(shí)頻繁長(zhǎng)按鉸接收縮按鈕；另外，提高推進(jìn)速度到45 mm/min以上，并降低注漿壓力，以防漿液裹住盾尾，這樣可抵消鉸接收縮壓力。經(jīng)過(guò)第967環(huán)、第968環(huán)的連續(xù)調(diào)整，鉸接行程逐漸收縮到正常范圍，A（2號(hào)位油缸）81 mm，B（5 號(hào)位油缸）96 mm，C（10號(hào)位油缸）103 mm，D（13號(hào)位油缸）83 mm。

3.3 推進(jìn)壓力過(guò)大及控制

盾構(gòu)停機(jī)之前，第963環(huán)推力為 8 000～9 500 kN，復(fù)推時(shí)第964環(huán)的推力達(dá)到16 500 kN，推力過(guò)大，容易導(dǎo)致成型管片破損，而且盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)不易控制。

復(fù)推時(shí)的推力控制如下。提升各組推進(jìn)油缸推力，同時(shí)應(yīng)避免各組推進(jìn)油缸有過(guò)大的推力差，使成型隧道環(huán)面受力均衡，防止管片出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象；適當(dāng)降低土倉(cāng)壓力，提升推進(jìn)速度至45 mm/min以上；通過(guò)盾尾同步注漿管路先注入2～3 m3膨潤(rùn)土，然后再注砂漿，注漿壓力不宜過(guò)高，以防同步注漿裹住盾尾，使推力增大。第964環(huán)推進(jìn)結(jié)束時(shí)，推力降至10 000 kN以內(nèi)，屬正常范圍。

3.4 長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)引發(fā)問(wèn)題預(yù)防措施

（1）盾構(gòu)準(zhǔn)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，應(yīng)從地質(zhì)、地面附著物等方面進(jìn)行綜合考慮。停機(jī)前，垂直姿態(tài)稍向上抬一些，以補(bǔ)償恢復(fù)推進(jìn)時(shí)的姿態(tài)下沉；停機(jī)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)多蓄些渣土，并充分?jǐn)嚢韪牧?，同時(shí)螺旋內(nèi)的渣土也應(yīng)反旋到土倉(cāng)內(nèi)；另外，多注些盾尾油脂，保證盾尾密封的良好效果，以防土倉(cāng)內(nèi)的氣、液泄漏出來(lái)，造成土倉(cāng)內(nèi)壓力快速降低；停機(jī)期間需要保壓時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用發(fā)酵好的膨潤(rùn)土。

（2）停機(jī)8 h后，同步注漿漿液已凝固，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)再向前推進(jìn)20～30 cm，同時(shí)準(zhǔn)備3～4 m3發(fā)酵好的膨潤(rùn)土，通過(guò)注漿系統(tǒng)注入，以防盾尾被漿液粘連或盾體被土體裹住，有利盾尾脫困。必要時(shí)通過(guò)盾體上的超前注漿孔和預(yù)留孔在盾體周邊注入發(fā)酵好的膨潤(rùn)土，這樣既可保持地層穩(wěn)定，又可有效降低復(fù)推時(shí)的推力。

（3）停機(jī)期間，應(yīng)制定相應(yīng)的設(shè)備保養(yǎng)維護(hù)措施，對(duì)機(jī)械、電氣、液壓、流體、油脂等系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行全面維護(hù)檢查。譬如，對(duì)皮帶機(jī)架下積土進(jìn)行徹底清理，更換損壞的托輥，盾尾油脂泵送半桶潤(rùn)滑鋰基脂防止管內(nèi)油脂硬化，清理同步注漿泵及管路，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)，更換損壞部件；對(duì)電氣元器件干燥除塵，對(duì)接線端子松緊度進(jìn)行檢查；對(duì)相關(guān)設(shè)備定期進(jìn)行空載運(yùn)行，手動(dòng)、氣動(dòng)閥門定期啟閉，這樣可有效降低設(shè)備故障率。

（4）復(fù)推時(shí)，盡量采用土壓平衡模式推進(jìn)，并時(shí)刻注意鉸接油缸行程差、推進(jìn)油缸行程差、垂直姿態(tài)及趨勢(shì)的變化；姿態(tài)難以控制且需要屏蔽推進(jìn)油缸時(shí)，管片螺栓應(yīng)多復(fù)緊幾次，以防推力差過(guò)大而造成管片錯(cuò)臺(tái)；對(duì)于拌合站主機(jī)、儲(chǔ)漿罐、蓄電池牽引車抽漿泵、盾構(gòu)機(jī)同步注漿泵、管路等，需先用清水或拌制好的膨潤(rùn)土試運(yùn)行，以潤(rùn)滑泵體、管路內(nèi)壁，這樣可有效預(yù)防泵體故障、管路堵塞等問(wèn)題發(fā)生。

（5）盾構(gòu)機(jī)日常維護(hù)中要定期檢查鉸接系統(tǒng)，查驗(yàn)液壓管路有無(wú)泄漏，確保其處在完好狀態(tài)；鉸接密封處定期注入潤(rùn)滑油脂，防止?jié){液進(jìn)入中盾與尾盾間的縫隙卡住盾尾，造成鉸接縮回困難。

4 結(jié)論及建議

（1）盾構(gòu)機(jī)在軟土地層中長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)造成盾體沉陷后，采取屏蔽局部推進(jìn)油缸以利于調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)；加大推力、提高推進(jìn)速度并輔助調(diào)節(jié)鉸接油缸行程，以保證成型隧道管片姿態(tài)、拼裝質(zhì)量滿足盾構(gòu)隧道的質(zhì)量要求；盾構(gòu)復(fù)推時(shí)應(yīng)仔細(xì)觀察各種參數(shù)的變化，若有異常馬上采取相應(yīng)措施，可使施工作業(yè)高效進(jìn)行。

（2）盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)，應(yīng)從多方面進(jìn)行綜合考慮，包括人員、設(shè)備、安全、地面測(cè)量、盾構(gòu)機(jī)沉陷等保障措施；停機(jī)位置應(yīng)選擇較穩(wěn)定地層；停機(jī)期間，安排專人在盾構(gòu)機(jī)值班，詳細(xì)記錄土倉(cāng)壓力變化，并制定全面的設(shè)備維修保養(yǎng)計(jì)劃，定期空載運(yùn)行，使設(shè)備處于良好狀態(tài)；加強(qiáng)對(duì)停機(jī)位置地面的測(cè)量，及時(shí)反映地層的變形情況。