盾構(gòu)隧洞冷凍法施工難點(diǎn)分析

常孔磊

摘要：針對(duì)盾構(gòu)隧洞冷凍法施工出現(xiàn)的施工難點(diǎn)，為了解決盾構(gòu)刀盤和盾殼在盾構(gòu)始發(fā)、接收和掘進(jìn)過程中由于操作、設(shè)備故障、施工組織、人為因素等原因被凍結(jié)的問題，根據(jù)某城市地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)隧洞冷凍法施工經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)不同的凍結(jié)現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，查找盾構(gòu)隧洞冷凍法施工刀盤和盾殼被凍結(jié)的原因，并提出了蒸汽加熱、注射熱融鹽水等針對(duì)性的解決措施和穩(wěn)掘進(jìn)、保出渣、強(qiáng)設(shè)備、重管理、控生產(chǎn)等施工注意事項(xiàng)，以期為盾構(gòu)隧洞冷凍法施工提供一定的指導(dǎo)與借鑒。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu);冷凍法;施工難點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U455.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0264—03

0引言

近年來，隨著城市地下空間綜合利用的提升，越來越多的城市對(duì)地下空間進(jìn)行了綜合開發(fā)，其中以地鐵、城市綜合管廊、電力飲水隧洞為主要開發(fā)項(xiàng)目。而盾構(gòu)法施工以其施工干擾小、施工周期短、安全系數(shù)高等諸多優(yōu)點(diǎn)迅速被城市地下空間開發(fā)采用。我國(guó)盾構(gòu)法施工發(fā)展迅速，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)盾構(gòu)機(jī)保有量達(dá)到了3000臺(tái)以上，每年還以500臺(tái)左右的速度遞增，盾構(gòu)法施工已然成為我國(guó)城市地下空間開發(fā)的主要手段。

盾構(gòu)法隧洞施工過程中有兩個(gè)階段具有較大的安全隱患，即始發(fā)階段和接收階段，特別對(duì)于始發(fā)接收位置地質(zhì)情況復(fù)雜多變，各種土體交雜融合的情況，危險(xiǎn)系數(shù)更高。近年來在盾構(gòu)始發(fā)和接收的施工階段開發(fā)了冷凍法施工工法，其以安全系數(shù)高、施工效率好、操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)在盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中被迅速采用，但由于使用過程中施工人員技能參差不齊，各種施工組織和操作不規(guī)范等問題造成冷凍法施工問題頻發(fā)。為了解決盾構(gòu)隧洞冷凍法施工產(chǎn)生的問題，針對(duì)冷凍法施工的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出相關(guān)問題的解決方案，梳理施工過程中需要注意的事項(xiàng)，為盾構(gòu)隧洞冷凍法施工提供參考。

1洞門冷凍加固及注意事項(xiàng)

1.1冷凍法施工使用范圍及加固參數(shù)

盾構(gòu)始發(fā)和接收過程為了保持周圍土體的相關(guān)參數(shù)，保證盾構(gòu)施工過程中對(duì)土體的擾動(dòng)不對(duì)土體產(chǎn)生顛覆性危害，保證地面構(gòu)筑物及附著物的安全，在始發(fā)和接收過程中遇到地層條件復(fù)雜的情況下（特別是始發(fā)接收地層為粉砂、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、雜填土等地質(zhì)，或其幾種融合），需要采用冷凍法對(duì)始發(fā)和接收地帶進(jìn)行加固。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)加固區(qū)為杯形效果較好，加固杯體為杯底厚度3.5 m，杯壁厚度2m，杯長(zhǎng)8m。經(jīng)加固的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3.6MPa，抗拉強(qiáng)度不小于2MPa，凍結(jié)效果需保障至盾構(gòu)完全進(jìn)出站時(shí)間段。進(jìn)行冷凍法施工，冷凍孔位置布局分為外圈和內(nèi)圈，以開挖直徑6.25m盾構(gòu)為例，外圈凍結(jié)管布局直徑3.5m左右，冷凍管長(zhǎng)度不低于9m（進(jìn)入土體8m），中圈凍結(jié)管布局直徑2m左右，冷凍管長(zhǎng)度不低于6m（進(jìn)入土體5m），內(nèi)圈凍結(jié)管布局直徑1m左右，冷凍管長(zhǎng)度不低于4.5m（進(jìn)入土體3.5m），外圈凍結(jié)孔32個(gè)，中圈凍結(jié)孔16個(gè)，內(nèi)圈凍結(jié)孔8個(gè)，中心孔1個(gè)，共計(jì)57個(gè)冷凍孔。

1.2掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)及控制措施

在進(jìn)入或掘出冷凍區(qū)域時(shí)，存在刀盤或盾體被冷凍區(qū)凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，刀盤或盾體凍結(jié)后應(yīng)立即采取解凍措施，在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)采用蒸汽機(jī)加熱或向刀盤注入50～70℃熱鹽水，進(jìn)行解凍，鹽水比例為1：350（水：鹽），以解決刀盤或盾體被凍結(jié)的問題。在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)的過程中，還應(yīng)采取以下措施，以防止刀盤或盾體被凍結(jié)。

（1）進(jìn)入冷凍加固體時(shí)，刀盤持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，嚴(yán)禁停轉(zhuǎn)刀盤。

（2）在進(jìn)入凍結(jié)體（杯底）0～2.5 m采取空倉(cāng)掘進(jìn)模式，進(jìn)入凍結(jié)體（杯底）2.5～3.5 m時(shí)開始建壓。

（3）小推力掘進(jìn)，且掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制在10 mm/min以內(nèi)。

（4）確保盾構(gòu)施工雙電源，盾尾進(jìn)入簾布橡膠板后開始同步注漿作業(yè)。

2冷凍區(qū)刀盤被凍原因分析及解決措施

2.1原因分析

盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中發(fā)生刀盤被凍現(xiàn)象，其主要存在以下幾種現(xiàn)象及原因。

（1）低溫造成電氣元器件故障

盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)過程中，由于冷凍區(qū)土體溫度較低，基本維持在20℃以下，在與盾體鋼結(jié)構(gòu)接觸的電氣元-器件中，部分元件使用環(huán)境要求不能低于20℃，從而造成元器件失效，進(jìn)而發(fā)生故障，造成刀盤無(wú)法啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)間超過一定時(shí)限（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，停機(jī)時(shí)間不能超過30 min）會(huì)造成土體凍結(jié)刀盤或盾體，從而增大刀盤的扭矩，超過刀盤設(shè)計(jì)的脫困扭矩，造成被凍結(jié)現(xiàn)象。

（2）掘進(jìn)速度過快，出渣不及時(shí)

在冷凍區(qū)掘進(jìn)過程中，土倉(cāng)內(nèi)的渣土很少能夠改良成為理想的“牙膏狀”，在渣土改良不太理想的情況下，螺機(jī)出渣能力會(huì)相應(yīng)地降低，當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)速度過快，螺機(jī)無(wú)法及時(shí)將土倉(cāng)內(nèi)的渣土進(jìn)行排出，會(huì)造成土倉(cāng)內(nèi)的渣土逐步積多，在渣土積累到一定量之后（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)在冷凍法區(qū)域掘進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)渣土存量超過土倉(cāng)容量40%時(shí)易產(chǎn)生刀盤被卡現(xiàn)象）由于攪拌阻力增大，刀盤扭矩大于正常掘進(jìn)時(shí)的扭矩，會(huì)出現(xiàn)“跳到盤”現(xiàn)象，刀盤啟動(dòng)困難或直接被卡死。

（3）螺機(jī)被凍結(jié)

在冷凍法施工過程中，渣土改良受限，渣土改良質(zhì)量變差，在使用螺機(jī)進(jìn)行出渣的過程中，因?yàn)槔鋬鲋蟮脑烈状嬖诖箢w粒物質(zhì)，從而造成螺機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)扭矩較大，當(dāng)螺機(jī)出渣扭矩大于設(shè)計(jì)扭矩時(shí)，螺機(jī)會(huì)出現(xiàn)“跳停”現(xiàn)象，當(dāng)反向轉(zhuǎn)動(dòng)螺機(jī)不能解決螺機(jī)被卡現(xiàn)象時(shí)，盾構(gòu)會(huì)因螺機(jī)無(wú)法出渣而造成停機(jī)，當(dāng)盾構(gòu)停機(jī)超過一定時(shí)限時(shí)（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)掘進(jìn)過程中停機(jī)超過15 min，容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結(jié)現(xiàn)象），即刀盤或盾體就會(huì)被凍結(jié)。

（4）出渣不及時(shí)而造成停機(jī)

盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)施工過程中，要保持盾構(gòu)機(jī)持續(xù)掘進(jìn)，在施工過程中由于施工組織、出渣受限、設(shè)備故障等諸多問題而產(chǎn)生的出渣困難現(xiàn)象，造成盾構(gòu)機(jī)不得不停機(jī)，當(dāng)停機(jī)時(shí)間超過一定時(shí)限（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)掘進(jìn)過程中停機(jī)超過15 min，容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結(jié)現(xiàn)象），即易發(fā)生盾構(gòu)刀盤或盾體被凍結(jié)現(xiàn)象。

（5）刀盤開口率小

盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，當(dāng)?shù)侗P開口率較小時(shí)，由于渣土流塑性降低，且刀盤在掘進(jìn)過程中與冷凍土體接觸本身溫度較低，渣土容易在刀盤開口處發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而造成扭矩增大，刀盤被凍，發(fā)生刀盤被凍結(jié)現(xiàn)象。

（6）施工參數(shù)不合理

盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)施工過程中，刀具的貫入度大，刀盤轉(zhuǎn)速小，造成施工時(shí)刀盤扭矩增大，極易產(chǎn)生“跳刀盤”現(xiàn)象，當(dāng)產(chǎn)生“跳刀盤”現(xiàn)象時(shí)，若處理不及時(shí)，則極易演變?yōu)榈侗P凍結(jié)現(xiàn)象。

（7）其他原因

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程當(dāng)中，由于人為誤操作或設(shè)備故障等原因（誤觸碰急停開關(guān)、電瓶車溜車、液壓油管拉斷、通訊干擾等現(xiàn)象），產(chǎn)生盾構(gòu)停機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)停機(jī)時(shí)間超過一定時(shí)限（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)掘進(jìn)過程中停機(jī)超過15min，容易發(fā)生刀盤或盾體被凍結(jié)現(xiàn)象），即易發(fā)生盾構(gòu)刀盤或盾體被凍結(jié)現(xiàn)象。

2.2解決措施

當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)發(fā)生刀盤或盾體被凍結(jié)的現(xiàn)象，可以采取以下措施進(jìn)行處理。

（1）使用蒸汽機(jī)通過土倉(cāng)隔板左右兩邊預(yù)留孔向土倉(cāng)內(nèi)加注蒸汽。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，蒸汽機(jī)的總功率應(yīng)大于100 kW。

（2）使用膨潤(rùn)土擠壓泵，通過刀盤噴孔向掌子面注入50～70℃熱鹽水進(jìn)行解凍，鹽水比例為1：350（水：鹽），通過降低冷凍溫度和提高凍結(jié)溫度點(diǎn)對(duì)刀盤、土倉(cāng)進(jìn)行解凍。

（3）在盾體兩側(cè)焊接防扭塊，使盾體與周圍土體固定，左右換向轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，直至刀盤正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）若通過注入蒸汽和熱鹽水左右轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，刀盤還是沒有啟動(dòng)，可以采用3根100 t油缸使主機(jī)后退15 cm左右，同時(shí)注入蒸汽和熱鹽水，刀盤正常啟動(dòng)，扭矩降至合理區(qū)間，對(duì)損壞的盾尾刷進(jìn)行更換，完成尾刷更換繼續(xù)掘進(jìn)。

2.3冷凍區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)注意事項(xiàng)

冷凍區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)注意事項(xiàng)如下。

（1）盾構(gòu)在冷凍區(qū)施工前應(yīng)詳細(xì)檢查設(shè)備狀況，保證設(shè)備處于較優(yōu)的狀態(tài)，盡量避免在掘進(jìn)過程中因設(shè)備故障而造成停機(jī)。

（2）盾構(gòu)在冷凍區(qū)施工前應(yīng)做好相關(guān)施工設(shè)計(jì)，外界條件應(yīng)能保證盾構(gòu)持續(xù)施工。

（3）盾構(gòu)在冷凍區(qū)施工過程中，應(yīng)該保持連續(xù)的、低速的掘進(jìn)，盡量降低刀盤切削扭矩，土倉(cāng)內(nèi)渣土保持在較低水平。

（4）當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)施工過程中停機(jī)時(shí)，應(yīng)及時(shí)向土倉(cāng)內(nèi)注入熱鹽水，并保持盾體內(nèi)溫度水平在電氣元器件工作水平。

掘進(jìn)參數(shù)控制如表1所示。

3結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)盾構(gòu)隧洞冷凍法施工產(chǎn)生的故障現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，并提出了相應(yīng)的解決措施。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，提出冷凍法盾構(gòu)隧洞施工的注意事項(xiàng)和相關(guān)的應(yīng)對(duì)措施，為盾構(gòu)隧洞冷凍法施工提供相關(guān)參考。