軟土地層中盾構長時間停機引發問題的處理技術

常喜軍

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

1 引言

盾構法施工中盾構可能因某些外部因素導致長時間停機，為此，許多專家學者對此問題進行研究。梁榮柱[1]等以杭州軟土地層某地鐵區間盾構掘進過程中的2 次較長時間停機事故為背景，對軟土地區土壓平衡盾構停機進行實測分析，分析表明，在盾構停機過程中，沉降影響范圍超過5倍盾構直徑，遠大于正常掘進情況下3倍盾構直徑的影響范圍，盾構前方土體呈現整體沉降的規律；譚黎明[2]研究了寧波市軟土地區土壓平衡盾構長時間停機風險及針對性的技術措施，盾構停機前適當提高正面土壓力0.02～0.05 MPa，有利于控制停機后土壓力下降趨勢及前方土體沉降；林存剛[3]等對盾構掘進速度及非正常停機對地面沉降的影響進行分析，分析表明，盾構掘進速度及停機時間會對隧道施工引起的地面沉降產生顯著影響，在其他施工條件相同的前提下，提高盾構掘進速度和減少停機時間有利于減少地面沉降；張平[4]等對長時間停機需要注意的問題和措施進行闡述，停機位置的參數（包括土壓、刀盤轉動頻率等）應根據動態信息確定，不能一成不變。本文主要對西安地鐵5號線某區間軟土地質盾構長時間停機引發的問題及控制技術進行分析研究。

2 工程概況

西安地鐵5號線某盾構施工區間隧道采用土壓平衡盾構機施工，盾構隧道全長2 816 m，隧道最大埋深22.05 m，最小平曲線半徑500 m，最大縱坡22.1‰。隧道主要穿越粉質黏土、黃土狀土、粗砂，同步注漿采用惰性漿液。區間隧道外徑6.0 m，內徑5.4 m，管片厚度30 cm，環寬1.5 m，每環由6塊管片拼裝而成。

盾構由阿房宮站—西窯頭站方向推進，此區間共計996環，因西窯頭站施工滯后不具備盾構接收條件，盾構機擬定在964環停機等待68天。盾構停機處埋深15.9 m，豎曲線從21‰到-2‰轉變，導向系統坡度顯示為8.31‰，平曲線R= 3 000 m。隧道范圍內地質為2-2粉質黏土，3-4粉質黏土，3-8粗砂，地下水潛水位埋深約16 m。

3 長時間停機引發的問題及控制

3.1 盾體沉陷及控制

盾構停機期間，盾構操作手定期通過注入膨潤土方式進行保壓，由于膨潤土未發酵膨化，即拌即用，保壓實效較短，增加了保壓頻率，等同于向土倉內加了很多水，刀盤區域范圍內的地層經長時間浸泡，變得軟糯。盾構復推時，盾體整體沉陷，垂直姿態向下的趨勢越來越大，難以控制。盾構區間所用盾構機型號為ZTE6250，其推進系統共有30個油缸，分成A、B、C、D 4組共20個號位，單號位布置1個油缸，雙號位布置2個油缸，其中2號、7號、12號、17號油缸內置行程傳感器。推進系統油缸排布如圖1所示。盾體沉陷控制如下。

圖1 推進系統油缸排布圖

（1）盾構復推過程中，為避免垂直姿態向下的趨勢進一步擴大，先采用屏蔽少數推進油缸的方法進行控制。從第965環開始，通過屏蔽20號推進油缸的方法調整垂直姿態，未起作用。第966環～第968環推進時屏蔽19號、20號、1號推進油缸，仍無明顯效果，豎直姿態向下的趨勢依然難以控制。第964環～第968環盾構機垂直姿態變化及控制方式如表1所示。

表1 第964環～第968環盾構機垂直姿態變化及控制方式

（2）由于盾構向下的趨勢已經形成，而且相對較大，從第969環～第972環開始，采取屏蔽A組全部推進油缸，即屏蔽18號、19號、20號、1號、2號推進油缸，同時減小B組、D組推進油缸的推力，此處平曲線R= 3 000 m，水平姿態只進行微調；推進速度控制在40～50 mm/min，以減少對地層的擾動；土倉壓力不宜過高，頂壓控制在0.8～0.9 bar，以降低總推力。另外，第969環拼裝左轉環，F塊在5號油缸位置，用成型隧道來輔助盾體形成向上的趨勢；同步注漿以底部管路為主，避免盾體上部承受額外的壓力，同時要把鉸接行程收到正常范圍內，此時盾構垂直姿態向下的趨勢基本控制住，逐漸形成了向上的趨勢。

（3）從第973環開始，只屏蔽20號推進油缸進行推進，同時使土倉內多蓄些土，提升土倉壓力至1.3～1.4 bar，第976環盾構機垂直姿態已基本控制在正常狀態。在第977環～第978環，即采用正常的推進方式，只對垂直姿態稍加控制，至此，盾構機垂直姿態已基本控制在正常狀態，直至第978環。第969環～第978環盾構機垂直姿態變化及控制方式如表2所示。

表2 第969環～第978環盾構機垂直姿態變化及控制方式

3.2 鉸接油缸縮回困難及控制

ZTE6250型盾構機屬于被動鉸接形式，其鉸接系統共有14個油缸和14個號位，其中2號、5號、10號、13號油缸帶行程傳感器。盾構機利用推進油缸頂住前盾向前推進，利用鉸接油缸牽引盾尾，其彎曲角度無法任意設定，盾構機的方向控制只有通過設置推進油缸的數量和推力來實現，盾尾受阻力大的時候，油缸行程會被拖長，鉸接系統和推進系統共用一個動力來源。鉸接系統油缸排布如圖2所示。

圖2 鉸接系統油缸排布圖

盾構長時間停機后復推時，鉸接油缸行程易被拖長，而且不易縮回。在第964環～第966環推進過程中，盾構操作手嘗試縮回鉸接行程，但鉸接行程仍被逐漸拖長，第966環推進完成后鉸接行程界面顯示值為，A（2 號位油缸）112 mm，B（5號位油缸）140 mm，C （10號位油缸）145 mm，D（13號位油缸）125 mm，已經超過臨界值140 mm，推進系統停止運行。

為此對鉸接油缸縮回控制如下。從工控機上設定鉸接系統處于旁通狀態，在推進過程中提升液壓推進壓力，使液壓推進和輔助電機高負荷運行，可使鉸接收縮的壓力升高，同時頻繁長按鉸接收縮按鈕；另外，提高推進速度到45 mm/min以上，并降低注漿壓力，以防漿液裹住盾尾，這樣可抵消鉸接收縮壓力。經過第967環、第968環的連續調整，鉸接行程逐漸收縮到正常范圍，A（2號位油缸）81 mm，B（5 號位油缸）96 mm，C（10號位油缸）103 mm，D（13號位油缸）83 mm。

3.3 推進壓力過大及控制

盾構停機之前，第963環推力為 8 000～9 500 kN，復推時第964環的推力達到16 500 kN，推力過大，容易導致成型管片破損，而且盾構機姿態不易控制。

復推時的推力控制如下。提升各組推進油缸推力，同時應避免各組推進油缸有過大的推力差，使成型隧道環面受力均衡，防止管片出現錯臺現象；適當降低土倉壓力，提升推進速度至45 mm/min以上；通過盾尾同步注漿管路先注入2～3 m3膨潤土，然后再注砂漿，注漿壓力不宜過高，以防同步注漿裹住盾尾，使推力增大。第964環推進結束時，推力降至10 000 kN以內，屬正常范圍。

3.4 長時間停機引發問題預防措施

（1）盾構準備長時間停機時，應從地質、地面附著物等方面進行綜合考慮。停機前，垂直姿態稍向上抬一些，以補償恢復推進時的姿態下沉；停機時，土倉內多蓄些渣土，并充分攪拌改良，同時螺旋內的渣土也應反旋到土倉內；另外，多注些盾尾油脂，保證盾尾密封的良好效果，以防土倉內的氣、液泄漏出來，造成土倉內壓力快速降低；停機期間需要保壓時，應優先選用發酵好的膨潤土。

（2）停機8 h后，同步注漿漿液已凝固，盾構機應再向前推進20～30 cm，同時準備3～4 m3發酵好的膨潤土，通過注漿系統注入，以防盾尾被漿液粘連或盾體被土體裹住，有利盾尾脫困。必要時通過盾體上的超前注漿孔和預留孔在盾體周邊注入發酵好的膨潤土，這樣既可保持地層穩定，又可有效降低復推時的推力。

（3）停機期間，應制定相應的設備保養維護措施，對機械、電氣、液壓、流體、油脂等系統應進行全面維護檢查。譬如，對皮帶機架下積土進行徹底清理，更換損壞的托輥，盾尾油脂泵送半桶潤滑鋰基脂防止管內油脂硬化，清理同步注漿泵及管路，對傳動系統進行潤滑保養，更換損壞部件；對電氣元器件干燥除塵，對接線端子松緊度進行檢查；對相關設備定期進行空載運行，手動、氣動閥門定期啟閉，這樣可有效降低設備故障率。

（4）復推時，盡量采用土壓平衡模式推進，并時刻注意鉸接油缸行程差、推進油缸行程差、垂直姿態及趨勢的變化；姿態難以控制且需要屏蔽推進油缸時，管片螺栓應多復緊幾次，以防推力差過大而造成管片錯臺；對于拌合站主機、儲漿罐、蓄電池牽引車抽漿泵、盾構機同步注漿泵、管路等，需先用清水或拌制好的膨潤土試運行，以潤滑泵體、管路內壁，這樣可有效預防泵體故障、管路堵塞等問題發生。

（5）盾構機日常維護中要定期檢查鉸接系統，查驗液壓管路有無泄漏，確保其處在完好狀態；鉸接密封處定期注入潤滑油脂，防止漿液進入中盾與尾盾間的縫隙卡住盾尾，造成鉸接縮回困難。

4 結論及建議

（1）盾構機在軟土地層中長時間停機造成盾體沉陷后，采取屏蔽局部推進油缸以利于調整盾構姿態；加大推力、提高推進速度并輔助調節鉸接油缸行程，以保證成型隧道管片姿態、拼裝質量滿足盾構隧道的質量要求；盾構復推時應仔細觀察各種參數的變化，若有異常馬上采取相應措施，可使施工作業高效進行。

（2）盾構長時間停機時，應從多方面進行綜合考慮，包括人員、設備、安全、地面測量、盾構機沉陷等保障措施；停機位置應選擇較穩定地層；停機期間，安排專人在盾構機值班，詳細記錄土倉壓力變化，并制定全面的設備維修保養計劃，定期空載運行，使設備處于良好狀態；加強對停機位置地面的測量，及時反映地層的變形情況。