大直徑泥水盾構(gòu)刀盤(pán)脫困施工技術(shù)

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司 設(shè)備分公司，廣東 廣州 511458）

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用，大直徑泥水盾構(gòu)施工具有施工速度快、隧道空間利用率大、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為城市地下公路、鐵路、地鐵隧道建設(shè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。

大直徑泥水盾構(gòu)施工具有一定的難度、技術(shù)要求高，掘進(jìn)施工發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率大。本文以某盾構(gòu)在全斷面砂層停機(jī)期間發(fā)生掌子面坍塌、刀盤(pán)被埋后成功脫困事件為例，介紹盾構(gòu)脫困過(guò)程采取的一些措施、技術(shù)等，為后續(xù)類似情況提供一定的施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程項(xiàng)目和盾構(gòu)介紹

1.1 工程概況

該項(xiàng)目為過(guò)江單洞雙線地鐵隧道工程，采用1 臺(tái)11m 級(jí)泥水平衡盾構(gòu)施工，隧道全長(zhǎng)2 962m，管片外徑11.3m，內(nèi)徑10.3m，壁厚500mm，環(huán)寬2m，隧道頂部設(shè)置現(xiàn)澆風(fēng)道板，中間設(shè)置現(xiàn)澆中隔墻，底部設(shè)置預(yù)制口字件；主要穿越地層主要為：粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、含砂粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、黏土地層。

1.2 設(shè)備概況

本工程采用1 臺(tái)開(kāi)挖直徑為11m 級(jí)氣墊式泥水平衡盾構(gòu)，刀盤(pán)采用8 輻條+8 面板的結(jié)構(gòu)形式，開(kāi)口率32%；主機(jī)總長(zhǎng)約為12.3m，整機(jī)總長(zhǎng)57m，主機(jī)重約1 020t，后配套拖車重約226t；刀盤(pán)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為0～3.2rpm，最大額定扭矩為13 900kNm，脫困扭矩為18 070kNm。

2 盾構(gòu)刀盤(pán)脫困處理

2.1 問(wèn)題描述

N04 號(hào)盾構(gòu)在掘進(jìn)1 213 環(huán)時(shí)主驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器故障報(bào)警，刀盤(pán)無(wú)法旋轉(zhuǎn)，在停機(jī)維修期間，利用上部沖刷管路上的備用分支管路（2寸），接入膨潤(rùn)土進(jìn)行保壓，備用分支管路手動(dòng)球閥后端接三通，分兩路使用注漿泵往泥水倉(cāng)同時(shí)注入膨潤(rùn)土，由于壓力過(guò)大，導(dǎo)致手動(dòng)球閥與分支管路連接處斷裂、球閥脫落、漏漿，引起泥水倉(cāng)失壓、掌子面坍塌、地面沉降，造成刀盤(pán)被困50 余天。

2.2 原因分析

第一，該備用分支管路在上部沖刷管路VG19板閥、VG18 球閥之間，VG19 板閥此前已存在磨損，一直處于常開(kāi)狀態(tài)；所以在管路斷裂、球閥脫落后，VG19 不能實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)閉、切斷泥水倉(cāng)來(lái)漿通道的功能。

第二，目前盾構(gòu)掘進(jìn)地層為全斷面粉細(xì)砂，地層穩(wěn)定性差，在泥水壓力較低時(shí)極容易發(fā)生掌子面坍塌。

綜上所述：管路斷裂、球閥脫落后，泥水倉(cāng)漿液不斷從管口漏出，引起泥水倉(cāng)失壓，不足以克服掌子面地層土壓力和水壓力，造成掌子面坍塌；掌子面粉細(xì)砂在地層水土壓力的作用下流入泥水倉(cāng)，造成刀盤(pán)被埋、泥漿管道堵塞，泥水倉(cāng)無(wú)法建壓，刀盤(pán)無(wú)法旋轉(zhuǎn)。

2.3 脫困處理

盾構(gòu)脫困由3 個(gè)階段組成：地面注漿密封地層、泥水環(huán)流疏通管道和旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)恢復(fù)掘進(jìn)。

2.3.1 地面注漿密封地層

為使盾構(gòu)脫困，需先對(duì)盾構(gòu)上部地層進(jìn)行密封，給盾構(gòu)提供建壓條件，然后疏通管道，實(shí)現(xiàn)脫困復(fù)推。具體方案如下。

1）密封范圍 根據(jù)砂性地層內(nèi)摩擦角確認(rèn)盾構(gòu)上部地層擾動(dòng)范圍，以掘進(jìn)方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，密封范圍為：寬22m×長(zhǎng)16m，即刀盤(pán)斷面方向22m，軸線方向16m（刀盤(pán)前方11m，后方5m）。

2）布孔數(shù)量 根據(jù)加密封圍布置注漿孔，設(shè)置8 排11 列，間距2m，共計(jì)88 個(gè)孔位。

3）注漿方式 盾構(gòu)停機(jī)處埋深24m，地面為電梯廠房，此次注漿密封地層共分為兩道進(jìn)行。第一道注入克泥效+水玻璃雙液漿，從刀盤(pán)頂部3m 位置開(kāi)始注漿，高度為3m，即地層埋深區(qū)域?yàn)?1～18m，其目的主要是對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)頂部周圍地層進(jìn)行填充密封和保護(hù)，防止第二道雙液漿加固凝固刀盤(pán)和盾體。第二道注入水泥+水玻璃雙液漿，加固高度為3m，即地層埋深區(qū)域?yàn)?8～15m，其目的主要是對(duì)坍塌區(qū)域地層進(jìn)行填充加固，防止泥漿逃逸，確保可正常建壓。

4）施工過(guò)程 施工前先將廠房設(shè)備搬離，注漿設(shè)備、注漿材料到位后開(kāi)始進(jìn)行第一道注漿密封，流程如下：①鉆孔放樣、鉆機(jī)就位（檢測(cè)鉆機(jī)與地面的垂直度），開(kāi)始鉆進(jìn)；②鉆孔：鉆機(jī)采用雙重管鉆桿，鉆進(jìn)時(shí)用泥漿進(jìn)行護(hù)壁，鉆至設(shè)定深度時(shí)停止，開(kāi)始注漿；③注漿：注漿方式采用分段式后退注漿，將事先制備好的克泥效和水玻璃漿液分別泵入鉆桿的內(nèi)外層，兩種漿液在鉆桿底部打出后混合注入地層；注漿采用壓力控制，達(dá)到2bar或泥水倉(cāng)壓力變化時(shí)提升鉆桿0.5m后繼續(xù)注漿，直至設(shè)定高度；④鉆機(jī)移位：?jiǎn)慰鬃{完成后，提升鉆桿、清洗管路，鉆機(jī)移動(dòng)至下一個(gè)孔位。第一道地層密封完成后在原有孔位上進(jìn)行第二大道密封施工，與第一道流程一樣，注漿材料為水泥+水玻璃雙液漿。

2.3.2 泥水循環(huán)疏通管道

第二道注漿加固完成后取芯檢測(cè)地層加固效果，待地層加強(qiáng)后（加固完成后等待48h）開(kāi)始泥水循環(huán)、疏通管路。

1）清洗氣墊倉(cāng)積渣 泥水循環(huán)進(jìn)漿管道均被堵塞，只有盾體底部排漿管路疏通；在旁通循環(huán)模式下，打開(kāi)排漿球閥，通過(guò)控制進(jìn)排漿流量差來(lái)反復(fù)沖洗氣墊倉(cāng)底部積渣，沖洗過(guò)程中注意控制氣墊倉(cāng)液位。

2）疏通上部沖刷管 在旁通循環(huán)模式下，打開(kāi)上部沖刷管路球閥，通過(guò)增大進(jìn)漿流量、減小排漿流量，來(lái)增大進(jìn)漿管路壓力對(duì)上部沖刷管路進(jìn)行沖洗，沖洗過(guò)程中注意控制進(jìn)漿管路壓力，避免憋壓過(guò)大造成管路爆裂。管路疏通識(shí)別：在未疏通前，進(jìn)漿管路壓力與泥水倉(cāng)頂部壓力相差較大；疏通后進(jìn)漿管路與泥水倉(cāng)相通，壓力基本保持一致。

3）疏通泥漿門(mén) 經(jīng)過(guò)前期的泥水循環(huán)確認(rèn)為泥漿門(mén)處積渣嚴(yán)重（氣墊倉(cāng)液位的波動(dòng)對(duì)泥水倉(cāng)壓力沒(méi)影響），在上部沖刷管路疏通后開(kāi)始清理泥漿門(mén)。首先，利用疏通的上部沖刷管路往泥水倉(cāng)加漿，增大泥水倉(cāng)頂部壓力；然后，降低氣墊倉(cāng)壓力和液位，利用泥水倉(cāng)和氣墊倉(cāng)的壓力差對(duì)泥漿門(mén)進(jìn)行疏通，若沒(méi)有疏通可繼續(xù)降低氣墊倉(cāng)液位，直至泥漿門(mén)處疏通；最后，當(dāng)泥漿門(mén)疏通后快速進(jìn)行循環(huán)建壓，穩(wěn)定掌子面。

2.3.3 刀盤(pán)脫困復(fù)推

泥漿門(mén)疏通后，循環(huán)清洗泥水倉(cāng)一段時(shí)間后開(kāi)始嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)。

1）后退主機(jī) 由于停機(jī)保壓期間，泥水倉(cāng)注入膨潤(rùn)土以及地面注漿加固擠壓，使泥水倉(cāng)填充較密實(shí)，為使刀盤(pán)可順利脫困，先將主機(jī)后退，松動(dòng)刀盤(pán)。主機(jī)后退對(duì)盾尾刷的影響較大，在后退前對(duì)盾尾密封腔從前到后依次注入油脂，后退時(shí)對(duì)稱回收推進(jìn)油缸，在泥水倉(cāng)壓力作用下使主機(jī)后退，每次回收2cm，回收2 次，共計(jì)后退4cm。

2）刀盤(pán)脫困 在泥水進(jìn)倉(cāng)循環(huán)下，啟動(dòng)刀盤(pán)，給一定的轉(zhuǎn)速，當(dāng)扭矩較大時(shí)，停止刀盤(pán)，接著反方向啟動(dòng)刀盤(pán)，繼續(xù)給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，反復(fù)操作，直至刀盤(pán)徹底轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，操作過(guò)程中注意以下幾點(diǎn)：①控制刀盤(pán)扭矩，當(dāng)扭矩達(dá)到12 000kNm 時(shí)立即停止，防止保險(xiǎn)軸斷裂；②控制泥水倉(cāng)頂部壓力，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后存在泥漿門(mén)被堵的可能：即刀盤(pán)上部的積渣落下堆積在泥漿門(mén)處，造成進(jìn)漿管路壓力增大爆裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3）恢復(fù)掘進(jìn) 刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后馬上恢復(fù)掘進(jìn)，掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)控，控制好泥水倉(cāng)頂部壓力。停機(jī)裝管片期間，若泥水倉(cāng)壓力波動(dòng)較大，往泥水倉(cāng)加注膨潤(rùn)土，每隔20min 轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)攪拌泥漿，保障泥水質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)此次盾構(gòu)刀盤(pán)被困事件，反映出設(shè)備帶病作業(yè)的危險(xiǎn)性、泥水系統(tǒng)管路、球閥的重要性，對(duì)后續(xù)盾構(gòu)施工也給予一定的啟示。

盾體前后隔板開(kāi)孔、氣墊倉(cāng)穿倉(cāng)管路一旦發(fā)生磨損、泄露，會(huì)發(fā)生氣墊倉(cāng)與泥水倉(cāng)串氣或后隔板漏漿、漏氣，造成泥水倉(cāng)壓力波動(dòng)或壓力泄露，引起掌子面失穩(wěn)坍塌風(fēng)險(xiǎn)，所以在盾體制造階段和工廠組裝階段壓力試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)對(duì)開(kāi)孔位置進(jìn)行逐個(gè)認(rèn)真、仔細(xì)檢查，排除風(fēng)險(xiǎn)。

泥漿管路和球閥長(zhǎng)期在泥水的沖蝕下，會(huì)發(fā)生管路壁厚變薄、閥體磨損泄露，設(shè)備投入項(xiàng)目使用后，加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的管理，日常巡檢、定期檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，同時(shí)做好可能發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急處理措施及物資儲(chǔ)備。