土壓平衡盾構穿越全斷面無水砂層施工技術

呂和祥

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽471000）

1 引言

近年來，盾構施工技術快速發展，很多學者對土壓平衡盾構在砂層中的施工技術進行研究。本文在已有研究的基礎上，通過工程實例分析土壓平衡盾構機在全斷面砂層中施工的渣土改良技術及刀盤脫困技術。

2 工程概況

石家莊地鐵3 號線二期2 標段包含2 個盾構區間，盾構段總長2 019.4m。區間線路主要下穿售樓部、雨污水等市政管線、機械加工廠廠房。區間穿越的地層主要為中砂、細沙，局部為粉質黏土及含卵礫石的粗砂，地下水水位較低，均在隧道底板以下。

3 渣土改良技術

渣土改良對土壓平衡盾構機在全斷面砂層中的掘進非常重要，且是一個比較復雜的綜合技術問題。渣土改良就是向刀盤前方注入泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等添加劑，使渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩擦力。

3.1 掘進中遇到的問題

本項目中，在無水砂層中掘進時，渣土改良不好經常會出現以下問題：（1）干砂層推進刀盤扭矩特別大，平均在2 400kN·m，出土速度慢,且渣土密度較小。推進速度慢，推進壓力低，出土量不好控制，地面沉降量大。（2）黏土含量較少的地層段扭矩較大,此地層土倉中渣少用氣保不住壓，土倉渣多扭矩大，停機時間長時，會導致水分流失較快，流塑性不好，容易沉渣卡刀盤，特別是卡攪拌棒，由于水分流失快，干土也容易形成土拱。

3.2 全斷面砂層渣土改良方案

該區間前260 環主要采用的是泡沫劑進行渣土改良，隨著斷面內砂層范圍的增大，渣土改良效果越來越差，刀盤扭矩增大、掘進速度降低，由原來的平均40mm/min 降低到15mm/min、土壓保不上去、出土量加大、地面沉降量也逐漸增大。在全斷面砂層中僅用泡沫劑進行渣土改良，很難建立掘進土壓力，很難控制掘進參數，對成型隧道及地面建筑影響較大。該區間260環之后采用的是泡沫劑+化學漿液（樁博士）進行渣土改良，改良參數如下：（1）泡沫劑，進口砂性專用泡沫劑。泡沫劑的氣泡發泡倍率約為16 倍，原液注入量約40L，氣泡的注入率約為30%（與渣土的體積比）。（2）化學漿液（樁博士）。化學漿液配合比樁博士∶水=1∶1 000（質量比），pH 為10，馬氏漏斗檢測黏度為55s，注入率15%（與渣土體積比）。

3.3 渣土改良效果

渣土改良后，得到如下效果：（1）砂土的流塑性、和易性得到改善，刀盤的扭矩降低，掘進速度得到提高。渣土改良前土倉壓力平均在40kPa，刀盤扭矩平均2 400kN·m，掘進速度在10～20mm/min；渣土改良后土倉壓力平均在116kPa，刀盤扭矩平均1 600kN·m，掘進速度在30～50mm/min。（2）砂層的氣密性提高，土倉壓力提高，出土量正常，地面沉降能有效控制在設計范圍之內。該區間在前500 環（左右線相加）時由于渣土改良效果不理想，地面沉降較大，黃色預警38 次，橙色預警9 次。經過渣土改良后地面沉降得到了有效控制，后期預警次數較少，其中黃色預警8 次，橙色預警1 次。（3）渣土改良后，盾構機快速、安全地穿越了祁連街市政管網及無地下基礎的磚砌排架結構的機械廠房。

4 刀盤脫困技術

春節假期期間，右線停止推進，盾構機停在了戶外停車場下方，由于盾構機處于全斷面砂層中，在停機期間導致砂層固結，盾構刀盤卡死，無法轉動。

4.1 處理措施

刀盤卡住后，首先運用盾構機自身設備自帶的脫困措施進行處理。例如，通過盾構機的泡沫管路向刀盤前方注射化學漿液，使開挖艙內的渣土松散；通過盾體徑向孔向盾構周圍注入發酵好的膨潤土，減少盾體與周圍地層的摩擦力，然后收縮千斤頂及鉸接油缸，使盾構機后退；利用盾構機的脫困扭矩轉動刀盤等措施。經過上述措施的多次試驗，刀盤仍然無法轉動。

根據國內相關工程的處理經驗，在盾構機自身脫困措施無效的情況下，主要采用的是圍護樁+豎井的處理方案，安全性高，可操作性強，但是工序較多，工期較長，費用較高。

經綜合分析考慮，刀盤被卡住無法轉動的原因主要是砂層的固結，刀盤底板的螺旋機出土口上方已形成拱形，開挖艙內的渣土無法出來，只要能將螺旋機出土口上方的松散掉落下來，開挖倉內的渣土運出來，刀盤就能轉動。于是項目部嘗試了新的處理方案：通過螺旋機的反轉，向開挖艙內輸入“加氣塊+短方木”，通過螺旋機的轉動來擾動出土口上方的渣土，使其松散掉落下來，然后通過螺旋機的正轉使掉落下來的渣土運出來，原理如圖1 所示。

圖1 螺旋機反轉向開挖艙內輸入加氣塊+方木

經過反復幾次，進一步將開挖艙內的渣土清理出來。然后左右旋轉刀盤，刀盤恢復轉動。通過螺旋機反轉向開挖艙內輸入“加氣塊+段方木”的處理方案，有效解決了刀盤脫困的問題。此方法簡單有效、經濟實惠、安全、脫困時間短，可為后續類似情況提供借鑒和參考。

4.2 注意事項

在方案實施之前，需把刀盤上面的地面圍起來，避免地面坍塌導致其他的事故發生，并派專人值守。同時也可以提前進行地面土體加固，防止地面坍塌的危險。由于停機時間長，刀盤擾動大，導致多出土。盾體通過刀盤卡住的位置后，在掘進過程中應加大同步注漿量并及時進行二次注漿；同時在地面進行注漿加固，防止后期地面塌陷。

5 結語

渣土改良技術是土壓平衡盾構掘進的關鍵技術，特別是在砂層等復雜地層中掘進，對成型隧道及地面沉降影響較大。在施工過程中應根據地層特點選擇合理的渣土改良方式，以保證盾構機安全、連續、快速的推進。在全斷面砂層中盾構機刀盤被困存在較大的施工風險，如果被困，需根據實際情況采取實用、快捷的處理措施。在施工過程中應盡量避免被困現象的發生，當需要長時間停機時，應向開挖艙內注入適量的懸浮劑，防止砂土固結，并隔段時間轉動下刀盤；同時通過盾體的徑向注漿孔向盾體周圍注射發酵好的黏稠的膨潤土。