不良地質條件下盾構機整體下沉處理技術
——基于凍結帷幕加固技術

艾零件

(福州市地鐵建設工程質量安全監督站 福建福州 350025)

0 引言

當前，城市軌道交通建設處于高速發展時期，面臨著難得的時代發展機遇，但同時也面臨著巨大的工程技術挑戰。其中最主要、最關鍵的一個原因是:城市軌道交通工程基本穿行于地下，許多工程地質、水文地質條件及周邊環境極其復雜，地下隱藏的風險因素多、風險大，且難以預測和掌控，稍不留意，就會導致事故發生，給工程施工造成諸多困難，甚至是人員傷亡和巨大的經濟損失、社會影響。事故發生后，為減少損失和降低影響，最重要的工作之一就是研究制定科學的處理方案，妥善處置意外事故，盡快恢復工程施工。

基于此，本文以某地鐵工程盾構機整體下沉的處理為案例，側重從設計、施工兩個方面對事故的處理技術進行介紹，為今后類似事故處理提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

福州地鐵6號線潘林(潘墩站～林浦站)盾構區間隧道，詳細平面布置如圖1所示。平面線路基本呈曲線布置，曲線半徑分別為590m、550m，左線全長682.244m，右線全長728.105m。采用一臺土壓平衡盾構機，先從林浦站始發掘進左線，待在潘墩站接收出洞后再將盾構機吊出，運至林浦站右線進行二次始發。隧頂埋深約15m，管片外徑6.2m，內徑5.5m，長1.2m。盾構接收端頭加固采用高壓旋噴樁+降水井(4口)+鋼套筒接收技術。地連墻結構洞門迎土側為玻璃纖維筋，背土側主筋為普通鋼筋。盾構接收前背土側鋼筋已鑿除，鑿除厚度10cm。

圖1 潘林區間平面布置

1.2 工程地質條件

盾構區間的主要工程地質分布為：淤泥、粉質黏土、含泥中細砂，其中接收端頭工程地質分布為：填石1-5、填砂1-4、淤泥2-4-1、(含泥)中細砂2-4-6、淤泥質土3-4-2。盾構區間和盾構接收端的工程地質情況如圖2～圖3所示。具體描述如下：

填石1-5：以條石、塊石、碎石回填為主，形狀不規則，粒徑大小不一，夾雜少量的砂質成分及粘性土，厚度為0.50m～6.00m。

填砂1-4：松散-稍密，以中粗砂為主，偶夾少量碎石，系人工回填，厚度為1.80m～7.40m，密實度、均勻性差異大，抗剪強度低，承載力低，工程性能較差。

淤泥2-4-1：流塑狀，以粘粒、粉粒為主，夾有少量砂質成分，含有少量腐殖質，屬欠固結土、高靈敏土，厚度為0.90m～14.30m，承載力低，工程性能差。

中細砂(含泥)2-4-6：以中密狀為主，局部為稍密狀，飽和，級配不良，以石英顆粒為主，泥質含量約15%～20%，局部粘粒成分含量較高，以細砂和中砂為主，含少量淤泥，海積成因，厚度為1.90m～25m，承載一般，工程性能一般。

淤泥質土3-4-2：軟塑狀，飽和，成分以粘粒、粉粒為主，土質均勻，含少量的腐殖質及少量的砂粒，干強度、韌性中等，無搖震反應，海積成因，厚度為1.50m～19.60m，承載力低，工程性能差。

圖2 盾構區間工程地質

圖3 接收端工程地質

1.3 水文地質條件

區間地下水豐富，主要分為上層滯水(埋深1.00～3.00m )、松散巖孔隙承壓水(水頭標高在2.00～4.00m )、風化巖層的孔隙裂隙承壓水(水頭標高在1.00～2.00m之間)3大類。地下水初見水位埋深1.20～5.40m，地下水混合穩定水位埋深1.00～5.00m，場地地下水與鄰近(約550m)閩江水具有較密切的水力聯系，與閩江水相互補給。

1.4 不良地質條件

(1)流塑狀淤泥地層

淤泥和淤泥質土具有觸變性，在機械振動的作用下會發生液化，土體結構受到破壞，強度降低；當荷載作用停止后，又重新恢復其結構和力學性質。因此，在流塑狀淤泥地層中掘進時，易出現盾構“磕頭”“沉降”等問題[1]，其結果是盾構姿態難以控制，進而造成管片的錯臺、開裂、破損等。

(2)富水含砂地層

該區間盾構機開挖斷面內大部分為中細砂，且砂層連續性好，地下水與閩江水連通。砂層在地下水的作用下極不穩定，在掘進施工中一旦出現土倉欠壓，就會造成過量的砂涌入土倉，容易在螺旋機出土時產生噴涌，造成地層損失，繼而引發地面沉陷。

2 盾構機整體下沉經過及原因分析

2.1 事故過程

盾構區間左線于2018年10月25日上午掘進558環，各項掘進參數均正常，中午掘進559環，在559環掘進至1162mm時，盾構機刀盤抵達地連墻。當油缸行程至776mm(起始行程為716)時，土倉壓力突然由1.0bar降至0.2bar，油缸行程至1036mm時，掘進困難，刀盤扭矩高達5692kN·m，渣溫60℃。開倉檢查刀具，同時為冷卻刀盤，潤滑刀具，向土倉內加注泡沫。

盾構機刀盤抵達地連墻時，盾構姿態前端-8mm，后端-50mm。因地連墻強度較高，在掘進地連墻過程中刀盤扭矩逐漸升高，掘進速度逐漸放緩。在11月2日12∶00左右，掘進560環至油缸行程1150mm時，盾構機前端垂直姿態下降至-49mm，仍在正常姿態范圍內，但在11月2日至5日期間，盾構姿態已逐漸下沉至前端-122mm，后端-147mm；11月6日23∶55，盾構機姿態突發下沉，前端姿態下降至-298mm，后端姿態下降至-228mm。期間造成地面累計沉降850mm。后經過地面注漿處理，盾構姿態穩定在前端姿態-360mm，后端姿態-360mm。盾構機與地連墻位置關系如圖4所示。

圖4 盾構機與地連墻位置關系

2.2 原因分析

根據盾構機掘進參數、姿態變化、土倉壓力及出渣量，結合工程地質、水文條件，分析判斷造成盾構機整體下沉的直接原因，主要有以下3個方面：

(1)長時間(10月25日至11月5日期間盾構機掘進有效時間73.33h)低速切削高強度地連墻(經試驗檢測試塊強度最高53MPa)，對軟弱不良地層擾動較大，可能造成開挖區域與其它水源貫通，在刀盤破除掌子面的瞬間形成涌水，螺旋機超排，引起水土大量流失。

(2)接收端盾構機下部地層為淤泥質土，長時間掘進振動，地層承載力下降，且該盾構主機重達430t，造成盾構機整體下沉。

(3)掘進振動時間較長，造成鋼套筒密封性失效，掌子面范圍內上部地連墻碎裂后，土倉與套筒之間也形成了通道，又加劇了水土流失。

3 設計處理方案

按照當時的盾構姿態，已不能滿足正常鋼套筒接收條件，須拆除鋼套筒，鑿除洞門鋼環及底部結構。拆除鋼套筒前須確保盾構機、管片及地層穩定。事故發生后，為防止盾構機整體繼續下沉，同時為盡快恢復盾構掘進施工(復推)和確保盾構機在端頭的順利接收，項目部研究提出了多個處理方案，并多方組織專家咨詢會審。通過對方案的反復篩選、優化和完善，最終確定盾構機接收方案采用凍結加固法。

3.1 凍結帷幕設計

凍結加固法的設計原則：保證凍土墻的厚度、強度及接收端的封水性應滿足盾構出洞時土體的穩定性要求[2]。為保證凍結加固效果及盾構復推安全，凍結帷幕設計采用垂直+水平孔的凍結方案。凍結帷幕設計如圖5～圖7所示。地面設計凍結孔53個(垂直孔39個，斜孔14個),盾殼內凍結孔7個，并在地面設置測溫孔8個(垂直孔5個，斜孔3個)，在盾殼內設置測溫孔2個，測溫孔采用鉆孔埋設，要求與凍結孔相同。凍結帷幕設計主要內容如下：

(1)凍結壁有效厚度：沿盾構接收方向布置凍結孔，凍結范圍為盾殼外側1.8m～3.0m，縱向長度3.0m。

(2)凍結壁設計平均溫度不高于-10℃。

(3)設計地面積極凍結時間為30d，盾殼內積極凍結時間為40d，實際積極凍結時間以凍結壁與盾殼和地連墻膠接情況而定。凍結孔單孔流量不小于5m3/h；積極凍結7d鹽水溫度降至-20℃以下；積極凍結15d鹽水溫度降至-25℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃；拆除鋼套筒時，鹽水溫度須降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。每米凍結管的設計散熱量不應小于100kcal/h。

(4)積極凍結期間對凍土影響范圍內的盾構機內表面進行保溫，保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質塑料泡沫軟板，厚度40mm，導熱系數不大于0.04W/Mk，吸水率不大于2%。鋪設范圍不小于凍土帷幕邊界1.0m以外。

(5)積極凍結期間，在凍結區附近200m范圍內不得采取降水措施。在凍結區內土層中不得有集中水流。

(6)遇施工中地層及環境條件異常時，及時修改凍結帷幕設計。

圖5 凍結帷幕平面設計圖

圖6 凍結帷幕橫剖面設計圖

圖7 凍結帷幕縱剖面設計圖

3.2 凍結設計主要參數

具體設計參數見表1～表4。

表1 地面垂直、傾斜凍結孔特征一覽表

表3 測溫孔特征一覽表

表4 凍結主要技術參數表

4 施工處理技術

4.1 施工總流程

施工總流程：鋼套筒先行修復并注入惰性漿液→(地面、盾尾內)鉆孔、布設冷凍管→積極凍結→探孔確認→待凍結帷幕達到設計要求，進行鋼套筒拆除，鑿除洞門鋼環及底部側墻，清除盾構機出洞障礙→根據盾構的姿態恢復洞門鋼環、安裝引軌、恢復鋼套筒→盾體與凍結壁交界面局部強制解凍→盾構機復推、出洞接收→地面自然解凍并融沉補償注漿。

4.2 凍結孔及測溫孔施工技術要求

凍結孔及測溫孔施工的具體技術要求如下：

(1)凍結孔有效深度(土體內凍結管循環鹽水段長度)不小于凍結孔設計深度，不大于設計凍結深度0.5m。不能循環鹽水的管頭長度不得大于300mm。

(2)地面凍結管采用20#(Q235B)φ127×5mm低碳無縫鋼管；盾殼內凍結管采用20#(Q235B)φ89×8mm低碳無縫鋼管。凍結管耐壓不低于0.8MPa，并且不低于凍結工作面鹽水壓力的1.5倍。凍結管接頭抗壓強度不低于母管75%。

(3)地面垂直凍結孔和測溫孔施工過程，每鉆進10m測斜一次，偏斜過大時及時糾偏，鉆孔最大偏斜值不大于200mm；水平鉆孔最大偏斜值不大于150mm；所有鉆孔均應進行終孔測斜，并繪制鉆孔偏斜圖和各鉆孔位置成孔圖，據此確定是否補孔及補孔位置。

(4)施工凍結孔時，土體流失量不大于凍結孔體積，否則，及時進行注漿控制地層沉降。

(5)凍結管下放長度不小于設計凍結深度，不大于設計凍結深度0.3m；鉆孔施工開孔誤差不大于50mm。

(6)凍結管下入地層后必須進行試壓。試驗壓力為凍結工作面鹽水壓力的2.0倍，經試壓30min壓力下降不超過0.05MPa，再延續15min壓力保持不變為合格。

(7)凍結期間，在凍結區附近200m范圍內不采取降水措施。在凍結區內土層中不能有集中水流。若附近有降水，應密切關注降水施工情況，加強測溫，根據降水影響情況采取有效措施。

(8)積極凍結期應對凍土影響范圍內的盾構機內表面進行保溫。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質塑料泡沫軟板，厚度40mm，導熱系數不大于0.04W/Mk，吸水率不大于2%。鋪設范圍不小于凍土帷幕邊界1.0m以外。

(9)當凍結壁達到設計要求時，在洞門上打若干探孔，探孔深入土體外深度不小于0.3m，且避免打孔對凍結管及凍結壁的影響，檢驗凍結壁形成狀況及與地連墻結構膠結情況，探孔應無泥水流出，溫度低于地層冰點以下。

4.3 積極凍結

地面積極凍結時間為30d,盾殼內積極凍結時間為40d。凍結孔單孔流量5～6m3/h；積極凍結7d鹽水溫度降至-18℃以下；積極凍結15天鹽水溫度降至-25℃以下，去、回路鹽水溫差控制在2℃以內。拆鋼套筒前鹽水溫度降至-28℃以下。

4.4 鋼套筒拆除

在積極凍結過程，根據實測溫度數據判斷凍土帷幕已形成并達到設計厚度和強度后，還應進行打探孔確認，當各項參數滿足設計要求后方可拆除鋼套筒。

鋼套筒拆除條件：

(1)在積極凍結期間，凍結系統不得超過連續24h以上的間斷；

(2)根據測溫孔溫度推算，所有凍結孔之間已全部交圈；

(3)凍結壁厚度、強度和平均溫度均符合設計要求；

(4)在凍結薄弱區打探孔進行溫度檢測，實際驗證凍結壁的厚度和強度已達到設計要求；

(5)在確認凍結壁的厚度和強度達到設計要求后，在洞門前方和盾殼內不同位置打探孔，進一步確認盾殼四周及盾構與地連墻交接處有無動水，若有動水，則需要對延長凍結時間；若探孔無流水，且凍土與地連墻界面溫度在-5℃以下，方可進行洞門開鑿施工。

4.5 強制解凍

在盾構準備復推前，需要對盾殼周圍進行強制解凍，同時必須防止融沉帶來的二次沉降。具體措施如下：

(1)割除盾尾內的水平冷凍管。

(2)地表的垂直、傾斜冷凍管繼續積極凍結，同時在盾體內部進行加熱。方法：在盾殼內上部和下部分別放入熱風機，對盾殼四周凍土進行強制解凍。

(3)通過盾構機徑向注漿孔監測盾體溫度。當盾殼四周溫度回升至20℃以上時，打開注漿孔，探測盾殼四周凍土解凍厚度。在強制解凍過程中，可慢速轉動刀盤，刀盤在轉動過程中會產生大量的熱能，用于輔助前部盾殼強制解凍。

4.6 盾構復推與接收

當盾殼四周凍土解凍厚度達50mm時，開始盾構機復推。在盾構復推前，對總推力設定明確的限定值[1]，復推時的推力不得大于限定值。復推時慢慢加大盾構推力；若復推力接近限定值，可繼續進行強制解凍，直至成功復推并接收。

4.7 融沉注漿施工

凍結孔拔除完成后，根據凍結區域凍土融化情況進行融沉注漿，控制地面沉降。融沉注漿以控制地面沉降變形為控制標準。融沉注漿應配合測溫孔測溫及隧道變形、地面變形監測進行。利用盾構隧道管片上的預留注漿孔和設計預埋注漿孔作為地層融沉注漿孔。注漿順序為：“隧道底板→隧道兩側→隧道頂板”。

融沉補償注漿材料以水泥-水玻璃雙液漿為主，單液水泥漿為輔。水泥-水玻璃雙液漿配比為：水泥和水玻璃的溶液體積比為1∶1，其中水泥漿水灰比為1∶1，水玻璃溶液采用B40水玻璃加1～2倍體積的水稀釋。注漿壓力不大于0.5MPa，注漿范圍為整個凍結區。當一天隧道沉降大于0.5mm，或累計隧道沉降大于1.0mm時，應進行融沉補償注漿；當隧道隆起達到2.0mm時，應暫停注漿。凍結壁已全部融化，且未注漿的情況下實測地層沉降持續半個月，每天不大于0.1mm，即可停止融沉補償注漿。

5 結語

該工程按上述設計方案和施工技術處理后，已成功進行了盾構復推和端頭接收。工程通過采用凍結加固處理技術將盾體、盾體周邊土體及接收端的地連墻冷凍膠結成一體，既提高了盾體周圍地層的承載力，也提高了掌子面和土倉的封水止水能力，不僅有效地防止了水土流失與盾構機整體繼續下沉問題，而且為后續拆除鋼套筒、清除盾構機出洞障礙、安裝引軌和進行盾構復推、端頭接收創造了條件[3]。從應用的效果來看，該技術安全可靠。該技術的成功應用，為今后類似工程事故的處理提供了極有價值的經驗和參考。