土壓平衡盾構(gòu)機長時間停機及復(fù)推安全控制措施

黃飛，徐程，宋樹桐，季志威，張鋒

（中建鐵路投資建設(shè)集團有限公司，北京 100000）

1 引言

目前，我國城市地鐵隧道區(qū)間建設(shè)大多會使用到盾構(gòu)機進行施工。然而，在市區(qū)使用盾構(gòu)機施工時，難免會遇到材料供應(yīng)不足、工作井不具備接收條件、征拆協(xié)調(diào)困難等問題，導(dǎo)致盾構(gòu)機經(jīng)常性長時間停機。不僅如此，若在此期間無法對盾構(gòu)連續(xù)長時間停機及復(fù)推采取安全控制措施，容易發(fā)生停機區(qū)域地面塌陷、盾尾砂漿包裹、盾構(gòu)復(fù)推困難、復(fù)推姿態(tài)不受控等施工風險?；诖?，對盾構(gòu)機長時間停機后復(fù)推的安全管控措施進行系統(tǒng)性分析及經(jīng)驗總結(jié)，符合現(xiàn)階段施工需求。

2 工程概況

以某地鐵隧道區(qū)間為例，該區(qū)間施工采用土壓平衡盾構(gòu)機。由于受征拆問題影響，土壓平衡盾構(gòu)機在始發(fā)后無法按原計劃繼續(xù)掘進，需長時間停機（停機時間大于6 個月）。針對此，項目部通過采取一系列長時間停機后復(fù)推的安全管控措施，確保了整個過程安全可控。工程具體情況如下：

1）右線土壓平衡盾構(gòu)機在始發(fā)掘進約358 m 后開始下穿村莊范圍，下穿長度約466 m；左線土壓平衡盾構(gòu)機掘進約362 m 后開始下穿村莊范圍，下穿長度約446 m。

2）該區(qū)間呈西北到東南向斜穿村莊，由于地鐵隧道拱頂埋深深度為17.6～26.4 m，因此，土壓平衡盾構(gòu)機需逐漸加深掘進。鑒于該段地鐵隧道施工范圍內(nèi)中粗砂層分布較廣、地質(zhì)情況較差，決定對居民進行臨時遷移；但因臨時遷移涉及的居民較多，征拆協(xié)調(diào)周期較長，所以，右線土壓平衡盾構(gòu)機在掘進完成195 環(huán)后，進入了＞6 個月的長時間停機狀態(tài)。

3）該盾構(gòu)機停機位置位于農(nóng)田下。此處隧道拱頂埋深約15.92 m，線路縱斷面處于28‰下坡段，平面處于左轉(zhuǎn)彎900 m曲線段上。

3 土壓平衡盾構(gòu)長時間停機處理措施

針對本工程盾構(gòu)機長時間停機的施工風險，項目部主要從停機前準備、停機過程控制、復(fù)推安全控制3 個階段進行安全管控。

3.1 停機前準備

3.1.1 停機位置選取

在考慮土壓平衡盾構(gòu)停機對地面環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，要盡量避開建構(gòu)筑物、交通要道、河流等敏感區(qū)域。此外，根據(jù)本工程區(qū)間詳勘、補勘報告及掘進情況，決定選取掌子面自穩(wěn)性強、地質(zhì)情況好的位置進行停機。

3.1.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

在土壓平衡盾構(gòu)機停機前，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定合適的停機盾構(gòu)姿態(tài)：

1）在軟土地層，盾構(gòu)機宜總體保持實際軸線比設(shè)計軸線略高的盾構(gòu)姿態(tài)，同時設(shè)備機頭部比尾部姿態(tài)略高，并保持向上抬頭趨勢；此外，在停止掘進前10 環(huán)，設(shè)備切口環(huán)高程宜控制在+10～+20 mm，盾尾高程控制在-20～+0 mm。

2）在上軟下硬或下部巖層較硬地層，可適當保持盾構(gòu)機低頭趨勢，以防止復(fù)推后盾構(gòu)姿態(tài)上飄。

3.1.3 土壓控制

在土壓平衡盾構(gòu)機停機前1 環(huán)的掘進過程中，應(yīng)減少泡沫劑注入量與出土量：（1）調(diào)整提高泡沫劑原液比例以降低發(fā)泡率；（2）通過減小泡沫及注入流量來整體控制注入氣泡倉內(nèi)的氣量，從而增加土倉內(nèi)實土體積。

掘進完成后，在反轉(zhuǎn)螺旋機后將其機內(nèi)土體反壓入土倉，以防止因長時間停機而出現(xiàn)螺旋機內(nèi)土體固結(jié)現(xiàn)象，進而加大后期復(fù)推難度。另外，在長時間停機期間，土壓平衡盾構(gòu)機頂部土倉壓力宜比理論壓力高0.02～0.03 MPa。

需注意的是，在剛停機時，土壓平衡盾構(gòu)機掘進壓力宜比正常掘進壓力高0.03 MPa。

3.1.4 同步注漿控制

為防止在土壓平衡盾構(gòu)機長時間停機后出現(xiàn)漿液前流而引起漿液裹住盾體，應(yīng)在盾構(gòu)機到達停機位置前最后2 環(huán)的范圍選用不含水泥的盾構(gòu)機惰性漿液進行填充。

3.1.5 膨潤土漿液注入

注入膨潤土漿液時，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土；拌制時，采用膨潤土∶水=1∶7 的比例。一般來說，注入膨潤土漿液時分為3 步進行，第1 步注入盾尾后方，第2 步注入盾體周邊，第3 步注入土倉內(nèi)。

1）在土壓平衡盾構(gòu)機停機掘進完成后，先通過注漿管注入1 m3膨潤土漿液并關(guān)閉盾尾，以防止?jié){液回流堵管；同時，要單獨將漿液分別注入每根注漿管，且確保每根注漿管均能清洗干凈。

2）通過土壓平衡盾構(gòu)機盾體的盾殼潤滑系統(tǒng)，將2～3 m3的膨潤土漿液從盾體預(yù)留徑向注漿孔注入盾體周邊，并設(shè)定注漿終壓為0.3 MPa，要確保膨潤土漿液可充分填充盾體周邊間隙，從而在有效防止?jié){液前竄包裹住盾體的同時，還能避免土體收斂與盾體發(fā)生固結(jié)。為了避免盾構(gòu)機恢復(fù)推時與土體摩擦力過大而導(dǎo)致推力過高、鉸接被很快全部脫出，應(yīng)在土壓平衡盾構(gòu)機停機時將鉸接收至約70 mm。

3）向土壓平衡盾構(gòu)機刀盤前方、土倉內(nèi)注入膨潤土漿液，并利用刀盤旋轉(zhuǎn)裝置與土倉攪拌裝置的攪拌功能使膨潤土漿液能夠與倉內(nèi)渣土混合均勻。此外，應(yīng)一邊旋轉(zhuǎn)刀盤一邊注入漿液，直至土倉壓力達到設(shè)定值后，方可停止。如土倉壓力下降，則需向土倉內(nèi)注入膨潤土泥漿并旋轉(zhuǎn)刀盤，從而緩慢升高土倉壓力至設(shè)定值。

3.1.6 二次注漿

在盾尾、盾體周邊、土倉注滿膨潤土漿液后，即可開始對盾尾后第3～5 環(huán)位置安裝全環(huán)止水環(huán)，用于阻隔土壓平衡盾構(gòu)機后方地下水。二次注漿采用水泥漿和水泥水玻璃雙液漿。

在壓漿環(huán)節(jié)，要安排專人負責，并詳細記錄壓入位置、壓入量、壓力值，同時，根據(jù)檢測到的地層變形信息來及時進行調(diào)整，以確保二次注漿的施工質(zhì)量。

3.1.7 盾尾與鉸接的密封管理

在土壓平衡盾構(gòu)機停機前5 環(huán)，其盾尾油脂注入量應(yīng)大于50 kg（以6 m 外徑管片為例）；此外，在停機后還要額外注入盾尾油脂，且必須足量、均勻，待盾尾油脂溢出尾刷后方可終止；同時，為了停機時能夠保證盾尾密封效果，需嚴格關(guān)注盾尾密封壓力，并確保每路盾尾油脂腔靜時壓力應(yīng)大于0.3 MPa。

在進行二次注漿前，應(yīng)將盾尾油脂管或黃油管轉(zhuǎn)接至鉸接密封附近管路，并手動注入黃油或盾尾油脂來提前保護鉸接部位，以防止鉸接部位被包裹。

3.1.8 監(jiān)測點布設(shè)

在本工程中，待土壓平衡盾構(gòu)機停機后，需在刀盤、刀盤前5 m、刀盤前15 m、盾尾、盾尾后10 m 處共布置5 個監(jiān)測點，而監(jiān)測點在布置完成后，應(yīng)及時采集初始值，并在停機期間每天監(jiān)測一次，待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可根據(jù)監(jiān)測要求適當調(diào)整檢測頻率。

3.2 停機過程控制

3.2.1 人員安排

在人員安排方面，需注意的事項有：

1）在停機期間，地鐵隧道區(qū)間一般不斷電，以保障排水、通風及照明工作；若需進行斷電，則應(yīng)封鎖入口，禁止任何人員進入；如工作人員需斷電后進入隧道，要提前2 h 通風，待隧道內(nèi)氣體檢測合格后方可進入。

2）加強監(jiān)測土倉壓力，在停機前3 d，每隔3 h 就要記錄1次土倉及盾尾密封后壓力情況，相關(guān)數(shù)值穩(wěn)定后則可調(diào)整為每隔12 h 記錄1 次；若土倉壓力下降，則要及時向土倉內(nèi)注入膨潤土漿液并旋轉(zhuǎn)刀盤，讓其可緩慢增加至設(shè)定值。

3）值班人員每天都要巡視管片變形、管片間滲漏水、隧道涌水、盾尾漏漿、鉸接滲漏等狀況，并及時安排施工人員抽排地鐵隧道內(nèi)部與井口的積水。

4）在停機前5 d，每天要旋轉(zhuǎn)1 次刀盤及螺旋機。若啟動刀盤時其扭矩不大且能順利啟動，則可延長刀盤旋轉(zhuǎn)頻次，間隔時間通常為每5 d 旋轉(zhuǎn)1 次刀盤。

5）如預(yù)計停機時間小于2 個月，則可在確保安全前提下穿插進行地鐵隧道關(guān)于堵漏、洞門環(huán)梁等方面施工。如預(yù)計停機時間大于2 個月，且左右線位置都具備聯(lián)絡(luò)通道施工條件，則可考慮穿插進行聯(lián)絡(luò)通道施工，同時讓施工人員和值班人員兼做應(yīng)急人員。

3.2.2 設(shè)備保養(yǎng)

為了更好地保養(yǎng)設(shè)備，需注意的事項有：

1）在停機期間，維保人員應(yīng)定期檢查和保養(yǎng)設(shè)備并做好相關(guān)記錄。其中，要重點檢查盾尾油脂密封系統(tǒng)是否正常運行。前期每2 d 要加注1 次盾尾油脂及各部位潤滑油脂，后期調(diào)整為每7 d 加注1 次，確保盾尾油脂和各部位潤滑油脂能夠始終處于飽滿狀態(tài)。另外，要對螺旋機、主驅(qū)動、皮帶等各個地方加注黃油，并以注入口溢出黃油為標準。

2）停機期間要用夾軌器鎖死龍門吊等設(shè)備，并做好防風措施以確保設(shè)備已被妥善安置。

3.2.3 安全巡視

為了進一步保障土壓平衡盾構(gòu)機在停機期間的安全控制，可適當安排人員進行巡視：

1）在土壓平衡盾構(gòu)機正上方地面設(shè)置警示標志及標注相關(guān)施工人員聯(lián)系方式，并安排專職安全人員每日巡視停機位置地面周邊環(huán)境，以避免在這一區(qū)域未經(jīng)確認便進行挖掘、鉆孔、堆載、降水等施工[1]。

2）為妥善處理停機期間土壓平衡盾構(gòu)機可能出現(xiàn)的安全風險，應(yīng)提前準備好應(yīng)急搶險物資以備急用。

3.3 復(fù)推安全控制

3.3.1 盾構(gòu)機復(fù)推前期準備措施

1）機電部門組織維保人員在對照盾構(gòu)機調(diào)試驗收大綱基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)機各系統(tǒng)功能進行一次全方位驗收，以確保各系統(tǒng)運行正常。其中，要重點確保超挖刀系統(tǒng)功能正常。

2）測量部門對盾構(gòu)機導(dǎo)向系統(tǒng)進行全面檢查，并復(fù)核測量控制點、洞內(nèi)控制點、檢查監(jiān)測點，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性。

3）檢查部門應(yīng)對注漿管及油脂管進行全面檢查，并額外注入10 kg 盾尾油脂，以確認各管路的通暢。需特別關(guān)注的是，要保證泡沫管、注漿管、油脂管、預(yù)留管的通暢性。

3.3.2 盾構(gòu)機復(fù)推過程采取的安全控制措

1）如地層自穩(wěn)性較好，且地面無建構(gòu)筑物影響時，復(fù)推第一環(huán)則開始同步注漿漿液，此時可采用高濃度膨潤土漿液作為同步注漿漿液。

2)盾構(gòu)機掘進時，可同步利用盾殼軟化系統(tǒng)向盾體周邊注入膨潤土漿液，并利用膨潤土的潤滑作用來降低盾體周邊摩擦力，從而減小盾構(gòu)機復(fù)推阻力。此外，后續(xù)在注入膨潤土漿液位置要進行二次注漿來補充。

3）考慮到復(fù)推時盾構(gòu)機盾體周邊會因被不同程度的包裹，而導(dǎo)致復(fù)推阻力較大、鉸接壓力較高，因此，在盾構(gòu)機掘進過程中可在鉸接壓力較高或向外拉時主動收起鉸接，并給鉸接輔助力，以防止鉸接被完全拉出。

4）如果鉸接壓力已達到最大值而導(dǎo)致鉸接被全部拉出，且此時盾構(gòu)機復(fù)推阻力依然很大，那么可將此判斷為屬于盾體被包裹較嚴重情況。因此，為了避免鉸接油缸斷裂而產(chǎn)生安全風險，應(yīng)停止盾構(gòu)機掘進。針對這一情況，可在盾構(gòu)機盾尾與鉸接連接位置焊接3 cm 鋼板，從而將盾尾與中盾固定成整體，從而讓盾構(gòu)機恢復(fù)掘進。待阻力下降、盾體脫困后，即可取掉鋼板，并逐步收回鉸接。

5）復(fù)推前2 環(huán)應(yīng)嚴格控制掘進速度。這是因為，復(fù)推后盾構(gòu)姿態(tài)往往難以控制，所以，此時應(yīng)將推進速度應(yīng)控制在20～30 mm/min，即慢速、勻速地掘進。

4 結(jié)語

土壓平衡盾構(gòu)機的長時間停機，會在一定程度上造成盾體周邊被包裹、盾體與土體間隙縮小等問題，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機復(fù)推時因盾構(gòu)姿態(tài)不受控制，出現(xiàn)上飄或栽頭現(xiàn)象，所以，必須要對其進行安全控制。盾構(gòu)機復(fù)推時，在提高刀盤旋轉(zhuǎn)速度、增大擴挖能力的同時，更有利于控制盾構(gòu)姿態(tài)?？偠灾?，為了確保土壓平衡盾構(gòu)機在長時間停機后復(fù)推的安全性，必須要采取對應(yīng)的安全措施。