泥水平衡盾構機刀盤受困處理對策

張虎 于興國

1中國建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000 2中鐵十六局集團有限公司 北京 100018

0 引言

由于我國幅員遼闊，地質情況復雜多變，盾構受困問題始終伴隨著盾構施工，如何快速、安全、經濟地事先盾構脫困，一直是盾構隧道施工研究探討的重要問題。以軌道交通區間盾構隧道為例，經常發生臨近端頭加固區發生盾構機刀盤扭矩過大、發生跳停，刀具磨損嚴重，急需進行換刀作業現象。特別是在地質環境復雜，地下水豐富的區域，給換刀作業帶來極大風險，嚴重影響作業人員的人身安全。黃平華針對泥水平衡盾構機在掘進過程中發生地質突變，刀盤被黏土糊住，通過帶壓開倉進行清理方式解決。賈璐等人通過理論計算得出盾構脫困所需的最小阻力，并在盾體超前注漿和盾體外注入優質膨潤土方式解決盾構機脫困問題。但并沒有在周邊地下環境復雜的地方脫困的案例，本文針對南寧軌道交通1號線白蒼嶺站～火車站區間泥水盾構機在臨近端頭切削地連墻時發生刀盤跳停，掘進速度幾乎為零現象，從而造成盾構機被迫停機一個月，著重從設備、地質及地下周邊環境和爆破脫困等方面介紹了脫困技術。

1 工程概況

南寧軌道交通1號線白蒼嶺站～火車站區間長度為1200m，沿途下穿南寧老城區密集老舊建構筑物、南寧鐵路14條股道及站房。根據區間地質勘查報告，火車站盾構到達端頭地質從上至下為素填土、粉質粘土、粉土、卵石、圓礫、泥巖等地層，隧道斷面上部為粉細砂地層，下部為圓礫透水層。地下水主要賦存于圓礫、卵石及砂土層中，屬孔隙松散巖類水，水量豐富。

隧道埋深約16m，脫困處頂部存在人防工程，人防工程結構頂板厚度為500mm，覆土厚度1200m，盾構機接收采用鋼套筒密閉接收。

盾構機在推進至切口里程ZSK15+555.392，對應刀盤里程ZSK15+556.172（此時盾構機推進802環，油缸伸長量550mm，刀盤刀具已嵌入車站連續墻300mm）處時，刀盤扭矩增大至5MNm，速度為1mm/min以內，連續推進4日，平均每班推進僅為10mm左右。盾構機被迫停機。停機處連續墻設計采用標號C35混凝土，現場實測混凝土為46MPa。連續墻厚1000mm，安裝接收鋼套筒前將連續墻洞門鑿除約300mm，剩余連續墻厚度約700mm靠盾構刀盤磨通，目前盾構刀盤已磨掉300mm，剩余約400mm。連續墻的另外一側已經安裝接收鋼套筒，并填滿水和砂，進行了密閉實驗，均達到設計和規范的要求。平縱面位置見下圖：

圖1 盾構機刀盤與連續墻位置關系圖

2 原因分析

由于該區間存在半數以上里程盾構機穿越區域為泥巖地層，勢必對盾構機刀具造成一定的磨損。此前其他標段事先發生類似現象，現場技術人員的根據掘進參數及經驗判斷，部分刀具磨損嚴重功能失效，特別是線速度大的周邊刀具，決定開倉檢查和更換刀具。

3 開倉方案

為檢修及更換受損刀具，使盾構機能夠順利出洞接收，綜合考慮開倉點掌子面情況、地質條件、地面施工場地限制及工期要求，決定采取開倉檢查換刀。

3.1 方案推薦

考慮到盾構機所在位置上方存在人防工程，該人防工程室內凈高3.9m頂板厚500mm，底板厚400mm，實際調查過程中揭露地板厚度大于400mm，甚至達到1500mm。給降水井的施工帶來很大施工難度，同時降水井周邊環境較為復雜，緊鄰南寧火車站及多處老舊建構筑物，采用降水施工可能會產生建筑物沉降產生開裂，從而致使施工工期較長。

綜合考慮采用帶壓開倉方案。

3.2 帶壓開倉風險分析

由于已經嵌入接收端頭連續墻300mm，前方掌子面相對比較安全，主要風險位置是前盾切口環與刀盤剩余部分（未嵌入連續墻部分）形成的與外界土體直接接觸的環形區域。根據地質資料顯示，此位置地層穩定性較差，透水性強，開倉后存在一定的危險。主要風險有如下幾點：

1）切口環及刀盤側面產生涌水涌砂導致土體坍塌風險

2）泥膜護壁失效，造成倉內失壓

3.3 開倉風險應對措施

1）采用優質泥漿分批次建立有效的泥膜，并進行保壓試驗，保壓時間符合規范要求，確保盾構機上方土體穩定，不發生涌水涌砂現象。

2）有效的建立泥膜，同時采用無油空壓機往倉內輸送空氣，確保開挖倉氣壓穩定。

3）在793～799環通過同步注漿系統補充注漿，在盾尾795～799環范圍內通過管片注漿孔二次補漿，保證填充密實，確保隧道后方的的水不再流向開挖倉內。

4）人員進入倉內先對刀盤上方環形區域內進行臨時封堵，確保掉落的渣土不會直接接觸到倉內作業人員身體。

4 刀具檢查及換刀

4.1 刀具布置

刀盤刀具由16把單刃滾刀、24把撕裂刀、46把刮刀（含8把邊緣刮刀）、16把焊接撕裂刀組成。

4.2 刀具檢查

進倉對盾構機刀盤刀具進行了全面的檢查發現：刀盤周圈約30cm寬區域內的刀具及刀座磨損嚴重，刀具更換困難，主要集中在#28～#32滾刀軌跡上。

同時，在此部位的連續墻上形成了半圓柱狀環向混凝土凸起，寬約300mm，高約200mm。其中一刮刀具磨損如下圖所示：

圖2 ：邊刮刀磨損情況

圖3 刀盤與連續墻平面位置關系圖（凸起為混凝土半圓柱）

5 對突起混凝土處理措施

5.1 鉆孔

作業人員進入開挖倉后，在不轉動刀盤的情況下，采用風鉆在-1m液位以上刀盤幅臂空擋的混凝土凸起上鉆孔，先鉆腰部部分，再鉆頂部部分。

5.2 布孔形式

鉆孔形式：孔徑42mm，沿凸起部位環向布置兩排鉆孔，孔間距200mm，排距為1/3柱寬，孔深300mm，里外兩排孔呈梅花形布置。

5.3 鉆孔中塞入膨脹劑進行爆破

配制好膨脹劑，預先在倉外模擬試驗，將膨脹時間控制在8～10小時。全部鉆孔完成后，將膨脹劑裝入防水條狀塑料袋，之后將裝有膨脹劑的塑料袋，由腰部至上端逐條塞入鉆孔。

6 結論與建議

1）泥水盾構機在切削地下連續墻的過程中，主要是由于邊緣刮刀形成凹槽，在地下連續墻上形成凸起，造成盾構機其余刀具進行空轉，無法向前推進。建議停機檢查刀具并進行更換。

2）刀盤已經嵌入地連墻300mm，盾構機頂部存在人防工程，且臨近南寧火車站站房，周邊環境較為復雜，采用降水施工加常壓開倉難度較大，且周期較長。建議采用帶壓開倉。

3）凸起混凝土的處理采用鑿除的方法在有限空間內操作難度大，建議采用膨脹劑爆破的方式。

4）通過帶壓開倉，在更換邊刮刀的同時，也更換了8把滾刀、2把撕裂刀，按照低扭矩及低轉速，慢速掘進。