盾構(gòu)始發(fā)施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控關(guān)鍵技術(shù)研究

郭小青（上海汀瀅環(huán)保科技有限公司，上海 201707）

1 工程概況

1.1 工程概況及地質(zhì)情況

某軌道交通快線地下車站與既有軌道交通 2 號(hào)線車站實(shí)現(xiàn)通道換乘。車站長約為 182 m，頂板覆土約 4.0 m；標(biāo)準(zhǔn)段寬為 23.7 m、深為 25.63 m；端頭井寬 28.3 m、深為27.04 m；車站主體結(jié)構(gòu)南側(cè)采用半蓋挖法施工、北側(cè)為明挖法施工。車站大、小里程均為盾構(gòu)雙始發(fā)工作井，本文所述為小里程端右線盾構(gòu)始發(fā)在車站南側(cè)，為半蓋挖施工，蓋板施工完成后開放交通，車站北側(cè)為車站主要施工場地。盾構(gòu)始發(fā)涉及 ⑤2、⑥2、⑦1層土層，具體土層性質(zhì)如下。

⑤2粉質(zhì)黏土夾粉土?；尹S色、軟可塑、含少量氧化鐵質(zhì)，夾薄層粉土，工程性能較差；

⑥2淤泥質(zhì)黏土。灰色、流塑、局部變相為軟塑，含有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)，夾薄層粉土，為高壓縮性土，工程性能差。

⑦1層粉質(zhì)黏土?；尹S、褐黃色、硬可塑，厚層狀，含鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，工程性能較好。

⑦ 夾層粉砂?；疑?、飽和、稍密～中密，局部夾粉土，工程性能一般。

1.2 始發(fā)端頭井加固情況

車站右線小里程端頭井采用 MJS 工法進(jìn)行地基加固施工，加固范圍長度為 7.5 m，小里程端頭井靠地下連續(xù)墻外側(cè) 2.5 m 范圍內(nèi)，加固高度為 14.9 m（隧道上方 5 m，隧道下方 3 m），寬度為 12.9 m（隧道兩側(cè)各 3 m），其他部位寬、高為 12.9 m（隧道周圍 3 m 區(qū)域）。MJS 工法樁設(shè)計(jì)樁徑為 2.5 m，樁間距為 1.75 m，共布置 30 根樁（含 2 根管線影響補(bǔ)樁），其中 14.9 m 樁長的 MJS 工法樁共計(jì) 7 根（第一排），12.9 m 樁長的 MJS 工法樁共計(jì) 23 根。MJS工法樁水泥參量 ≥700 kg/m3，水灰比為 0.8 ～ 1.3，加固體 28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 1.2 MPa，注漿壓力 40 MPa（±2 MPa）。

1.3 周邊環(huán)境

右線盾構(gòu)上方為市政道路，道路下方埋設(shè)有多種市政管線，分別為弱電綜合管廊、DN 200 燃?xì)夤芫€，盾構(gòu)上方為Φ1 200 給水管，右上方為 10 kV 電纜。

2 盾構(gòu)始發(fā)情況

2.1 盾構(gòu)進(jìn)出洞加固施工

車站右線小里程 MJS 地基加固共施工 36 d，根據(jù)管線交底，車站右線小里程端頭井加固范圍內(nèi)存在燃?xì)?、電力、弱電管線。施工過程中采用人工探挖發(fā)現(xiàn)加固區(qū)存在DN 400 燃?xì)夤艿溃? 根，后經(jīng)燃?xì)鈫挝缓藢?shí)為廢棄管）、DN 219 燃?xì)夤艿馈?0 kV 電力管線以及弱電管溝，管線較多致使現(xiàn)場樁位無法全部按照設(shè)計(jì)樁位進(jìn)行施工。因 WZ 3、WZ 4 樁施工較早，探挖發(fā)現(xiàn) WZ 4 樁位下有 DN 400 燃?xì)夤艿?，?jīng)咨詢?cè)O(shè)計(jì)意見后現(xiàn)場將 WZ 4 樁向南側(cè)調(diào)整 30 cm；因 DN 219 燃?xì)夤艿兰叭蹼姽軠嫌绊?，?WZ 19、WZ 20 向西側(cè)調(diào)整，WZ 10、WZ 8 向東側(cè)調(diào)整，為彌補(bǔ)樁位移動(dòng)后工法樁之間空隙，現(xiàn)場增加 2 根樁徑 1 m 的補(bǔ)樁（BZ 1、BZ 2）?，F(xiàn)場 MJS 施工參數(shù)為：MJS 工法樁水泥參量為 700 kg/m3，水灰比 1∶1，注漿壓力 40 MPa（± 2 MPa）。

2.2 盾構(gòu)進(jìn)出洞加固效果

加固完成后，分別組織對(duì) WZ 28 與 WZ 15 咬合部位、WZ 17 與 WZ 26 咬合部位進(jìn)行垂直取芯，現(xiàn)場取出芯樣完整；根據(jù)芯樣檢測(cè)報(bào)告 WZ 28 與 WZ 15 咬合部位樁身強(qiáng)度為 1.38 MPa， WZ 17 與 WZ 26 咬合部樁身強(qiáng)度為 1.36 MPa，均大于設(shè)計(jì)要求 1.2 MPa，滿足要求（詳見 MJS 工法樁取芯報(bào)告）。

2.3 水平探孔打設(shè)

盾構(gòu)始發(fā)前，在洞門范圍內(nèi)按米字型共打設(shè) 9 個(gè)深度為3.5 m 的水平探孔，孔內(nèi)未見滲漏水流出。

2.4 洞門鑿除情況

（1）車站地下連續(xù)墻厚度為 1 200 mm，第一次鑿除車站內(nèi)側(cè) 800 mm 厚地下連續(xù)墻，于 6 月 6 日開始至 6 月 14日完成，第二次鑿除剩余 400 mm 厚地下連續(xù)墻，于 6 月16 日開始至 6 月 22 日完成。第二次洞門鑿除前在洞門上鉆孔，圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體后無滲漏水情況。

（2） 6 月 22 日凌晨割除洞門地下連續(xù)墻外層鋼筋時(shí)發(fā)現(xiàn)洞門上部1點(diǎn)鐘方向有小塊土體塌落、掌子面松動(dòng)，為防止掌子面土體繼續(xù)滑移，在確保安全的前提下，在洞門圈內(nèi)留設(shè)4根腳手架鋼管支撐掌子面土體，繼續(xù)割除掌子面鋼筋及工字鋼。

（3）6 月 22 日 7 時(shí)左右，掌子面鋼筋、工字鋼及大部分腳手架（剩余 2 根立桿）割除完成后，發(fā)現(xiàn)掌子面潮濕，頂部土體塌落有增大趨勢(shì)，加之早高峰期間車流量大，地面擾動(dòng)強(qiáng)烈，為防止地層坍塌至具有流塑性的 ④2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，造成地表突然下陷，立即將盾構(gòu)機(jī)向掌子面頂進(jìn)。

（4）6 月 22 日 9 時(shí)，刀盤頂進(jìn)至距離掌子面約 100 cm且進(jìn)入洞門鋼圈內(nèi)導(dǎo)向軌上方后停止推進(jìn)。項(xiàng)目部召開現(xiàn)場分析會(huì)，研究決定采用慢速、降低刀盤轉(zhuǎn)速的方式推進(jìn)，減少預(yù)留鋼管對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤的影響；盾構(gòu)頂進(jìn)至距掌子面約60 cm 時(shí)，刀盤已通過導(dǎo)向軌后隨即啟動(dòng)刀盤，此時(shí)刀盤被卡且無法啟動(dòng)。經(jīng)開倉檢查掌子面及土倉內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)鋼管侵入刀盤內(nèi)，土倉內(nèi)有部分土體且掌子面較穩(wěn)定，決定開倉進(jìn)入土倉內(nèi)對(duì)鋼管進(jìn)行割除、清理。

（5）6 月 23 日凌晨 5 點(diǎn)，進(jìn)倉人員作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)上方土體有繼續(xù)塌落之趨勢(shì)，且刀盤尚未頂住掌子面，經(jīng)分析認(rèn)為存在較大的土方塌落涌入土倉內(nèi)造成人員傷亡的安全隱患，現(xiàn)場立即將土倉內(nèi)作業(yè)人員全部撤離并封閉倉門。隨后再次將盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn) 10 cm 后嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，但刀盤仍被卡住且無法轉(zhuǎn)動(dòng)。塌落區(qū)域位于洞門中心線左側(cè)，塌落形成一個(gè)自洞門圈向上約 3.5 m，上部直徑約 40 cm，下部直徑約70 cm 的空洞。為防止掌子面暴露時(shí)間過長造成坍塌孔繼續(xù)擴(kuò)大影響地面安全，決定立即向掌子面充填膨潤土并注同步注漿漿液填滿土倉，確保掌子面穩(wěn)定。

盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)后位置及塌落范圍如圖 1 所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)頂進(jìn)后位置及塌落范圍示意圖

2.5 原因分析

（1）因始發(fā)場地不足，暫不滿足始發(fā)條件，因此洞門分兩次進(jìn)行破除，第一次破除內(nèi)層 80 cm 地下連續(xù)墻，具備始發(fā)條件后再破除外層 40 cm 地下連續(xù)墻；同時(shí)洞門破除期間時(shí)至中高考，夜間無法施工，洞門鑿除時(shí)間較長，導(dǎo)致洞門暴露時(shí)間過長。

（2）根據(jù)現(xiàn)場觀測(cè)并與加固樁位進(jìn)行對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，洞門圈上部塌落土體部位位于端頭井進(jìn)出洞加固 MJS 樁基WZ 3 與 WZ 4 之間，地基加固時(shí)因燃?xì)夤芫€影響將 WZ 4 樁位微調(diào)，可能造成部分夾心層未咬合到位，導(dǎo)致上部土體受擾動(dòng)塌落。

（3）右線始發(fā)端位于地面機(jī)動(dòng)車道下，車流量大，洞門暴露時(shí)間長，地面車輛荷載對(duì)土體產(chǎn)生持續(xù)擾動(dòng)，造成土體松散、塌落。

（4）應(yīng)急預(yù)案制定尚欠針對(duì)性的搶險(xiǎn)措施，現(xiàn)場僅儲(chǔ)備常規(guī)、簡單的搶險(xiǎn)物資和設(shè)備，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)措施有待改進(jìn)，配備的搶險(xiǎn)設(shè)備功率不足。

3 針對(duì)性處置措施

3.1 初步建立土壓

盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)及刀盤前方充填膨潤土并注入同步注漿漿液，初步建立土壓并確保掌子面土體穩(wěn)定。根據(jù)計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)土倉至掌子面理論方量為 105.1 m3，按要求已注入同步漿液 105 m3，土倉壓力建立情況為：左下 25 kPa、右下27 kPa、左中 17 kPa、右中 18 kPa、左上 9 kPa、右上 7 kPa。

3.2 注漿填充

在洞門上方中樓板向上 50 cm 位置打孔注 5 m3雙液漿，注滿后封孔；在中樓板向上 1.7 m 位置打孔注入 1 m3雙液漿，土倉壓力有明顯升高后停止注漿；在中樓板向上2.7 m 位置鉆 2.4 m 深，穿過地下連續(xù)墻芯樣為原狀土，開孔后有清水流出，下部注入雙液漿有漿液流出，停止注漿后無滲漏；在中樓板向上 3.5 m 位置鉆孔 2.8 m 深，穿過地連墻芯樣為原狀土，開孔后有清水流出，注入雙液漿時(shí)有漿液流出，停止注漿后無滲漏，由以上可判斷塌落空腔已注漿填滿。

3.3 道路管養(yǎng)

與交警對(duì)接，夜間封路進(jìn)行地面打孔注漿填充道路下空隙部位。在道路上鋪設(shè) 3 塊厚鋼板，減小車輛集中荷載對(duì)下方土體的擾動(dòng)。

3.4 探測(cè)與監(jiān)測(cè)

每天 2 次對(duì)地面持續(xù)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描探測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。持續(xù)加強(qiáng)地表監(jiān)測(cè)，每小時(shí)監(jiān)測(cè)一次并立即反饋?zhàn)兓闆r，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均正常。

3.5 棚架實(shí)施

在塌落孔洞及兩側(cè)各 1 m 范圍盾構(gòu)機(jī)頂部、中樓板下40 cm 部位打設(shè)一排 17 根鋼花管并注漿填充，在頂部形成棚架以支撐上部土體。鋼花管直徑 48 mm，壁厚 3.5 mm，長度 6 m，間距 30 cm 布置。鋼花管內(nèi)插入φ25 螺紋鋼筋并注 1∶1 水泥漿、水玻璃填充。

3.6 檢查土倉內(nèi)注漿漿液強(qiáng)度，清理刀盤、盾殼頂部外側(cè)土體

從刀盤注水孔用沖擊鉆探測(cè)土倉內(nèi)漿液已凝固并已具備強(qiáng)度后，打開人倉門，鑿除砂漿固結(jié)體進(jìn)入土倉內(nèi)由上至下鑿除，人倉口以上部位清理完成后，由刀盤面板開口處向掌子面掏洞滿足一人作業(yè)空間進(jìn)入即可。掏洞完成后掌子面布置需采用方木或木板進(jìn)行臨時(shí)支撐，確保掌子面土體穩(wěn)定。支護(hù)完成后人員進(jìn)入刀盤外側(cè)孔洞將刀盤、盾殼上部土體全部鑿除。

3.7 架設(shè)頂部臨時(shí)木拱架

（1）刀盤、盾殼頂部土體清理完成后，向掌子面方向掏20 cm 高孔洞，深度伸入可靠的加固樁體 ≥30 cm。

（2）采用 10 cm × 10 cm 方木作為木拱架，方木一端下部墊 5 cm × 5 cm 方木，放置在盾殼上，確保方木高度高于刀具高度；方木另一端直接插入加固樁體內(nèi)，木拱架間距30 cm，上部鋪設(shè)的木板與方木固定，形成臨時(shí)拱架，防止土體塌落；隨挖隨架木拱架，架設(shè)木拱架處將掌子面土體開挖成鋸齒狀，開挖一塊立即支護(hù)一塊，確保上部土體穩(wěn)定。

3.8 清理土倉及掌子面土體

（1）頂部木拱架架設(shè)完成后即開始由上至下分層清理掌子面及土倉內(nèi)砂漿，分層厚度 ≤1 m，清理的渣土采用編織袋裝渣外運(yùn)。

（2）清理過程中在倉內(nèi)放置有害氣體檢測(cè)儀并保持倉內(nèi)通風(fēng)。清理過程中注意保護(hù)盾構(gòu)壓力傳感器，防止被破壞，影響后續(xù)使用。

（3）掌子面暴露后，在掌子面上和刀盤上設(shè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)至刀盤的距離初始值，清理過程中安排專人每小時(shí)測(cè)量一次觀測(cè)點(diǎn)到刀盤的距離，觀察掌子面是否有位移。在掌子面上、中、下部共設(shè)置 3 個(gè)斷面，每個(gè)斷面設(shè) 3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)掌握掌子面土體穩(wěn)定情況。

（4）掌子面砂漿鑿除后必須及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，每鑿除一段立即采用尺寸合適的膠合板和 5 cm × 5 cm 方木進(jìn)行支撐，方木尾端支撐在刀盤面板上并固定牢靠。

圖2 土倉及掌子面清理及支護(hù)示意圖

3.9 清理異物和刀盤

（1）異物清理。將土倉內(nèi)及掌子面全部清空后，先將土倉及刀盤內(nèi)的鋼管、混凝土塊全部清理完，再將底部塌落的淤泥清理完，最后清理掌子面鋼管、鋼筋、混凝土。

（2）刀具清理。采用高壓水槍沖洗，將滾刀刀箱及超挖刀內(nèi)全部清理干凈，確保刀具能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

（3）孔口清理。采用高壓水槍清理刀盤上泡沫口、膨潤土口等設(shè)備改良孔，確保所有孔洞通暢，以利于后續(xù)盾構(gòu)施工。

3.10 檢查傳感器和密封裝置

土倉、刀盤清理過程中，由上至下檢查各部位壓力傳感器和軸承密封是否完好，若有異常，請(qǐng)廠家及時(shí)進(jìn)行維修或更換，確保傳感器和軸承密封完好。

3.11 人員撤離、關(guān)閉倉門

土倉、刀盤及掌子面鋼管、鋼筋及混凝土塊全部清理完成后，人員、設(shè)備、工具、材料等全部由人倉口撤出，關(guān)閉倉門。

3.12 試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤

確認(rèn)所有人員、設(shè)備、材料全部撤出后，開始試轉(zhuǎn)刀盤，若能轉(zhuǎn)動(dòng)且無異常情況，立即將刀盤頂至掌子面，檢查所有設(shè)備、系統(tǒng)后，開始正常掘進(jìn)施工。

經(jīng)過 15 d 開倉清理作業(yè)，將卡住刀盤的異物清理完畢，盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過試運(yùn)轉(zhuǎn)后各系統(tǒng)均正常，恢復(fù)正常掘進(jìn)。

4 結(jié) 語

盾構(gòu)始發(fā)過程的施工工藝比較成熟，但是由于地質(zhì)、交通、技術(shù)、管理等人為因素的影響，始發(fā)過程中會(huì)出現(xiàn)各種預(yù)料不到的情況。本文通過某地鐵車站盾構(gòu)始發(fā)過程中，由于端頭加固存在缺陷，導(dǎo)致始發(fā)過程中出現(xiàn)險(xiǎn)情，經(jīng)過原因分析、制定詳細(xì)的方案，通過注漿加固、常壓開倉、管棚花管注漿等針對(duì)性措施，最終盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。對(duì)于今后盾構(gòu)始發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)管控具有重要意義。