盾構隧洞冷凍法施工難點分析

常孔磊

摘要：針對盾構隧洞冷凍法施工出現的施工難點，為了解決盾構刀盤和盾殼在盾構始發、接收和掘進過程中由于操作、設備故障、施工組織、人為因素等原因被凍結的問題，根據某城市地鐵項目盾構隧洞冷凍法施工經驗，通過對不同的凍結現象進行深入分析，查找盾構隧洞冷凍法施工刀盤和盾殼被凍結的原因，并提出了蒸汽加熱、注射熱融鹽水等針對性的解決措施和穩掘進、保出渣、強設備、重管理、控生產等施工注意事項，以期為盾構隧洞冷凍法施工提供一定的指導與借鑒。

關鍵詞：盾構;冷凍法;施工難點

中圖分類號：U455.3 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0264—03

0引言

近年來，隨著城市地下空間綜合利用的提升，越來越多的城市對地下空間進行了綜合開發，其中以地鐵、城市綜合管廊、電力飲水隧洞為主要開發項目。而盾構法施工以其施工干擾小、施工周期短、安全系數高等諸多優點迅速被城市地下空間開發采用。我國盾構法施工發展迅速，據不完全統計，全國盾構機保有量達到了3000臺以上，每年還以500臺左右的速度遞增，盾構法施工已然成為我國城市地下空間開發的主要手段。

盾構法隧洞施工過程中有兩個階段具有較大的安全隱患，即始發階段和接收階段，特別對于始發接收位置地質情況復雜多變，各種土體交雜融合的情況，危險系數更高。近年來在盾構始發和接收的施工階段開發了冷凍法施工工法，其以安全系數高、施工效率好、操作簡單等諸多優點在盾構始發和接收過程中被迅速采用，但由于使用過程中施工人員技能參差不齊，各種施工組織和操作不規范等問題造成冷凍法施工問題頻發。為了解決盾構隧洞冷凍法施工產生的問題，針對冷凍法施工的難點進行分析，提出相關問題的解決方案，梳理施工過程中需要注意的事項，為盾構隧洞冷凍法施工提供參考。

1洞門冷凍加固及注意事項

1.1冷凍法施工使用范圍及加固參數

盾構始發和接收過程為了保持周圍土體的相關參數，保證盾構施工過程中對土體的擾動不對土體產生顛覆性危害，保證地面構筑物及附著物的安全，在始發和接收過程中遇到地層條件復雜的情況下（特別是始發接收地層為粉砂、粉質黏土、黏質粉土、雜填土等地質，或其幾種融合），需要采用冷凍法對始發和接收地帶進行加固。根據現場施工經驗，凍結加固區為杯形效果較好，加固杯體為杯底厚度3.5 m，杯壁厚度2m，杯長8m。經加固的土體無側限抗壓強度不小于3.6MPa，抗拉強度不小于2MPa，凍結效果需保障至盾構完全進出站時間段。進行冷凍法施工，冷凍孔位置布局分為外圈和內圈，以開挖直徑6.25m盾構為例，外圈凍結管布局直徑3.5m左右，冷凍管長度不低于9m（進入土體8m），中圈凍結管布局直徑2m左右，冷凍管長度不低于6m（進入土體5m），內圈凍結管布局直徑1m左右，冷凍管長度不低于4.5m（進入土體3.5m），外圈凍結孔32個，中圈凍結孔16個，內圈凍結孔8個，中心孔1個，共計57個冷凍孔。

1.2掘進風險及控制措施

在進入或掘出冷凍區域時，存在刀盤或盾體被冷凍區凍結的風險，刀盤或盾體凍結后應立即采取解凍措施，在盾構機內采用蒸汽機加熱或向刀盤注入50～70℃熱鹽水，進行解凍，鹽水比例為1：350（水：鹽），以解決刀盤或盾體被凍結的問題。在冷凍區進行掘進的過程中，還應采取以下措施，以防止刀盤或盾體被凍結。

（1）進入冷凍加固體時，刀盤持續轉動，嚴禁停轉刀盤。

（2）在進入凍結體（杯底）0～2.5 m采取空倉掘進模式，進入凍結體（杯底）2.5～3.5 m時開始建壓。

（3）小推力掘進，且掘進速度嚴格控制在10 mm/min以內。

（4）確保盾構施工雙電源，盾尾進入簾布橡膠板后開始同步注漿作業。

2冷凍區刀盤被凍原因分析及解決措施

2.1原因分析

盾構在掘進過程中發生刀盤被凍現象，其主要存在以下幾種現象及原因。

（1）低溫造成電氣元器件故障

盾構在冷凍區進行掘進過程中，由于冷凍區土體溫度較低，基本維持在20℃以下，在與盾體鋼結構接觸的電氣元-器件中，部分元件使用環境要求不能低于20℃，從而造成元器件失效，進而發生故障，造成刀盤無法啟動，停機時間超過一定時限（根據現場使用經驗，停機時間不能超過30 min）會造成土體凍結刀盤或盾體，從而增大刀盤的扭矩，超過刀盤設計的脫困扭矩，造成被凍結現象。

（2）掘進速度過快，出渣不及時

在冷凍區掘進過程中，土倉內的渣土很少能夠改良成為理想的“牙膏狀”，在渣土改良不太理想的情況下，螺機出渣能力會相應地降低，當盾構在冷凍區進行掘進過程中，掘進速度過快，螺機無法及時將土倉內的渣土進行排出，會造成土倉內的渣土逐步積多，在渣土積累到一定量之后（根據現場施工經驗，盾構在冷凍法區域掘進時，土倉內渣土存量超過土倉容量40%時易產生刀盤被卡現象）由于攪拌阻力增大，刀盤扭矩大于正常掘進時的扭矩，會出現“跳到盤”現象，刀盤啟動困難或直接被卡死。

（3）螺機被凍結

在冷凍法施工過程中，渣土改良受限，渣土改良質量變差，在使用螺機進行出渣的過程中，因為冷凍之后的渣土易存在大顆粒物質，從而造成螺機旋轉時扭矩較大，當螺機出渣扭矩大于設計扭矩時，螺機會出現“跳停”現象，當反向轉動螺機不能解決螺機被卡現象時，盾構會因螺機無法出渣而造成停機，當盾構停機超過一定時限時（根據現場施工經驗，當盾構在冷凍區掘進過程中停機超過15 min，容易發生刀盤或盾體被凍結現象），即刀盤或盾體就會被凍結。

（4）出渣不及時而造成停機

盾構在冷凍區進行掘進施工過程中，要保持盾構機持續掘進，在施工過程中由于施工組織、出渣受限、設備故障等諸多問題而產生的出渣困難現象，造成盾構機不得不停機，當停機時間超過一定時限（根據現場施工經驗，當盾構在冷凍區掘進過程中停機超過15 min，容易發生刀盤或盾體被凍結現象），即易發生盾構刀盤或盾體被凍結現象。

（5）刀盤開口率小

盾構在冷凍區進行掘進施工時，當刀盤開口率較小時，由于渣土流塑性降低，且刀盤在掘進過程中與冷凍土體接觸本身溫度較低，渣土容易在刀盤開口處發生凍結現象，進而造成扭矩增大，刀盤被凍，發生刀盤被凍結現象。

（6）施工參數不合理

盾構在冷凍區進行掘進施工過程中，刀具的貫入度大，刀盤轉速小，造成施工時刀盤扭矩增大，極易產生“跳刀盤”現象，當產生“跳刀盤”現象時，若處理不及時，則極易演變為刀盤凍結現象。

（7）其他原因

在盾構掘進過程當中，由于人為誤操作或設備故障等原因（誤觸碰急停開關、電瓶車溜車、液壓油管拉斷、通訊干擾等現象），產生盾構停機現象，當停機時間超過一定時限（根據現場施工經驗，當盾構在冷凍區掘進過程中停機超過15min，容易發生刀盤或盾體被凍結現象），即易發生盾構刀盤或盾體被凍結現象。

2.2解決措施

當盾構在冷凍區進行掘進作業時發生刀盤或盾體被凍結的現象，可以采取以下措施進行處理。

（1）使用蒸汽機通過土倉隔板左右兩邊預留孔向土倉內加注蒸汽。根據施工經驗，蒸汽機的總功率應大于100 kW。

（2）使用膨潤土擠壓泵，通過刀盤噴孔向掌子面注入50～70℃熱鹽水進行解凍，鹽水比例為1：350（水：鹽），通過降低冷凍溫度和提高凍結溫度點對刀盤、土倉進行解凍。

（3）在盾體兩側焊接防扭塊，使盾體與周圍土體固定，左右換向轉動刀盤，直至刀盤正常運轉。

（4）若通過注入蒸汽和熱鹽水左右轉動刀盤，刀盤還是沒有啟動，可以采用3根100 t油缸使主機后退15 cm左右，同時注入蒸汽和熱鹽水，刀盤正常啟動，扭矩降至合理區間，對損壞的盾尾刷進行更換，完成尾刷更換繼續掘進。

2.3冷凍區盾構掘進注意事項

冷凍區盾構掘進注意事項如下。

（1）盾構在冷凍區施工前應詳細檢查設備狀況，保證設備處于較優的狀態，盡量避免在掘進過程中因設備故障而造成停機。

（2）盾構在冷凍區施工前應做好相關施工設計，外界條件應能保證盾構持續施工。

（3）盾構在冷凍區施工過程中，應該保持連續的、低速的掘進，盡量降低刀盤切削扭矩，土倉內渣土保持在較低水平。

（4）當盾構在冷凍區施工過程中停機時，應及時向土倉內注入熱鹽水，并保持盾體內溫度水平在電氣元器件工作水平。

掘進參數控制如表1所示。

3結束語

本文針對盾構隧洞冷凍法施工產生的故障現象進行了詳細分析，并提出了相應的解決措施。根據現場施工經驗，提出冷凍法盾構隧洞施工的注意事項和相關的應對措施，為盾構隧洞冷凍法施工提供相關參考。