土壓平衡盾構機長時間停機及復推安全控制措施

黃飛，徐程，宋樹桐，季志威，張鋒

（中建鐵路投資建設集團有限公司，北京 100000）

1 引言

目前，我國城市地鐵隧道區間建設大多會使用到盾構機進行施工。然而，在市區使用盾構機施工時，難免會遇到材料供應不足、工作井不具備接收條件、征拆協調困難等問題，導致盾構機經常性長時間停機。不僅如此，若在此期間無法對盾構連續長時間停機及復推采取安全控制措施，容易發生停機區域地面塌陷、盾尾砂漿包裹、盾構復推困難、復推姿態不受控等施工風險。基于此，對盾構機長時間停機后復推的安全管控措施進行系統性分析及經驗總結，符合現階段施工需求。

2 工程概況

以某地鐵隧道區間為例，該區間施工采用土壓平衡盾構機。由于受征拆問題影響，土壓平衡盾構機在始發后無法按原計劃繼續掘進，需長時間停機（停機時間大于6 個月）。針對此，項目部通過采取一系列長時間停機后復推的安全管控措施，確保了整個過程安全可控。工程具體情況如下：

1）右線土壓平衡盾構機在始發掘進約358 m 后開始下穿村莊范圍，下穿長度約466 m；左線土壓平衡盾構機掘進約362 m 后開始下穿村莊范圍，下穿長度約446 m。

2）該區間呈西北到東南向斜穿村莊，由于地鐵隧道拱頂埋深深度為17.6～26.4 m，因此，土壓平衡盾構機需逐漸加深掘進。鑒于該段地鐵隧道施工范圍內中粗砂層分布較廣、地質情況較差，決定對居民進行臨時遷移；但因臨時遷移涉及的居民較多，征拆協調周期較長，所以，右線土壓平衡盾構機在掘進完成195 環后，進入了＞6 個月的長時間停機狀態。

3）該盾構機停機位置位于農田下。此處隧道拱頂埋深約15.92 m，線路縱斷面處于28‰下坡段，平面處于左轉彎900 m曲線段上。

3 土壓平衡盾構長時間停機處理措施

針對本工程盾構機長時間停機的施工風險，項目部主要從停機前準備、停機過程控制、復推安全控制3 個階段進行安全管控。

3.1 停機前準備

3.1.1 停機位置選取

在考慮土壓平衡盾構停機對地面環境影響的基礎上，要盡量避開建構筑物、交通要道、河流等敏感區域。此外，根據本工程區間詳勘、補勘報告及掘進情況，決定選取掌子面自穩性強、地質情況好的位置進行停機。

3.1.2 盾構姿態控制

在土壓平衡盾構機停機前，應根據地質情況確定合適的停機盾構姿態：

1）在軟土地層，盾構機宜總體保持實際軸線比設計軸線略高的盾構姿態，同時設備機頭部比尾部姿態略高，并保持向上抬頭趨勢；此外，在停止掘進前10 環，設備切口環高程宜控制在+10～+20 mm，盾尾高程控制在-20～+0 mm。

2）在上軟下硬或下部巖層較硬地層，可適當保持盾構機低頭趨勢，以防止復推后盾構姿態上飄。

3.1.3 土壓控制

在土壓平衡盾構機停機前1 環的掘進過程中，應減少泡沫劑注入量與出土量：（1）調整提高泡沫劑原液比例以降低發泡率；（2）通過減小泡沫及注入流量來整體控制注入氣泡倉內的氣量，從而增加土倉內實土體積。

掘進完成后，在反轉螺旋機后將其機內土體反壓入土倉，以防止因長時間停機而出現螺旋機內土體固結現象，進而加大后期復推難度。另外，在長時間停機期間，土壓平衡盾構機頂部土倉壓力宜比理論壓力高0.02～0.03 MPa。

需注意的是，在剛停機時，土壓平衡盾構機掘進壓力宜比正常掘進壓力高0.03 MPa。

3.1.4 同步注漿控制

為防止在土壓平衡盾構機長時間停機后出現漿液前流而引起漿液裹住盾體，應在盾構機到達停機位置前最后2 環的范圍選用不含水泥的盾構機惰性漿液進行填充。

3.1.5 膨潤土漿液注入

注入膨潤土漿液時，應選擇優質鈉基膨潤土；拌制時，采用膨潤土∶水=1∶7 的比例。一般來說，注入膨潤土漿液時分為3 步進行，第1 步注入盾尾后方，第2 步注入盾體周邊，第3 步注入土倉內。

1）在土壓平衡盾構機停機掘進完成后，先通過注漿管注入1 m3膨潤土漿液并關閉盾尾，以防止漿液回流堵管；同時，要單獨將漿液分別注入每根注漿管，且確保每根注漿管均能清洗干凈。

2）通過土壓平衡盾構機盾體的盾殼潤滑系統，將2～3 m3的膨潤土漿液從盾體預留徑向注漿孔注入盾體周邊，并設定注漿終壓為0.3 MPa，要確保膨潤土漿液可充分填充盾體周邊間隙，從而在有效防止漿液前竄包裹住盾體的同時，還能避免土體收斂與盾體發生固結。為了避免盾構機恢復推時與土體摩擦力過大而導致推力過高、鉸接被很快全部脫出，應在土壓平衡盾構機停機時將鉸接收至約70 mm。

3）向土壓平衡盾構機刀盤前方、土倉內注入膨潤土漿液，并利用刀盤旋轉裝置與土倉攪拌裝置的攪拌功能使膨潤土漿液能夠與倉內渣土混合均勻。此外，應一邊旋轉刀盤一邊注入漿液，直至土倉壓力達到設定值后，方可停止。如土倉壓力下降，則需向土倉內注入膨潤土泥漿并旋轉刀盤，從而緩慢升高土倉壓力至設定值。

3.1.6 二次注漿

在盾尾、盾體周邊、土倉注滿膨潤土漿液后，即可開始對盾尾后第3～5 環位置安裝全環止水環，用于阻隔土壓平衡盾構機后方地下水。二次注漿采用水泥漿和水泥水玻璃雙液漿。

在壓漿環節，要安排專人負責，并詳細記錄壓入位置、壓入量、壓力值，同時，根據檢測到的地層變形信息來及時進行調整，以確保二次注漿的施工質量。

3.1.7 盾尾與鉸接的密封管理

在土壓平衡盾構機停機前5 環，其盾尾油脂注入量應大于50 kg（以6 m 外徑管片為例）；此外，在停機后還要額外注入盾尾油脂，且必須足量、均勻，待盾尾油脂溢出尾刷后方可終止；同時，為了停機時能夠保證盾尾密封效果，需嚴格關注盾尾密封壓力，并確保每路盾尾油脂腔靜時壓力應大于0.3 MPa。

在進行二次注漿前，應將盾尾油脂管或黃油管轉接至鉸接密封附近管路，并手動注入黃油或盾尾油脂來提前保護鉸接部位，以防止鉸接部位被包裹。

3.1.8 監測點布設

在本工程中，待土壓平衡盾構機停機后，需在刀盤、刀盤前5 m、刀盤前15 m、盾尾、盾尾后10 m 處共布置5 個監測點，而監測點在布置完成后，應及時采集初始值，并在停機期間每天監測一次，待監測數據穩定后，可根據監測要求適當調整檢測頻率。

3.2 停機過程控制

3.2.1 人員安排

在人員安排方面，需注意的事項有：

1）在停機期間，地鐵隧道區間一般不斷電，以保障排水、通風及照明工作；若需進行斷電，則應封鎖入口，禁止任何人員進入；如工作人員需斷電后進入隧道，要提前2 h 通風，待隧道內氣體檢測合格后方可進入。

2）加強監測土倉壓力，在停機前3 d，每隔3 h 就要記錄1次土倉及盾尾密封后壓力情況，相關數值穩定后則可調整為每隔12 h 記錄1 次；若土倉壓力下降，則要及時向土倉內注入膨潤土漿液并旋轉刀盤，讓其可緩慢增加至設定值。

3）值班人員每天都要巡視管片變形、管片間滲漏水、隧道涌水、盾尾漏漿、鉸接滲漏等狀況，并及時安排施工人員抽排地鐵隧道內部與井口的積水。

4）在停機前5 d，每天要旋轉1 次刀盤及螺旋機。若啟動刀盤時其扭矩不大且能順利啟動，則可延長刀盤旋轉頻次，間隔時間通常為每5 d 旋轉1 次刀盤。

5）如預計停機時間小于2 個月，則可在確保安全前提下穿插進行地鐵隧道關于堵漏、洞門環梁等方面施工。如預計停機時間大于2 個月，且左右線位置都具備聯絡通道施工條件，則可考慮穿插進行聯絡通道施工，同時讓施工人員和值班人員兼做應急人員。

3.2.2 設備保養

為了更好地保養設備，需注意的事項有：

1）在停機期間，維保人員應定期檢查和保養設備并做好相關記錄。其中，要重點檢查盾尾油脂密封系統是否正常運行。前期每2 d 要加注1 次盾尾油脂及各部位潤滑油脂，后期調整為每7 d 加注1 次，確保盾尾油脂和各部位潤滑油脂能夠始終處于飽滿狀態。另外，要對螺旋機、主驅動、皮帶等各個地方加注黃油，并以注入口溢出黃油為標準。

2）停機期間要用夾軌器鎖死龍門吊等設備，并做好防風措施以確保設備已被妥善安置。

3.2.3 安全巡視

為了進一步保障土壓平衡盾構機在停機期間的安全控制，可適當安排人員進行巡視：

1）在土壓平衡盾構機正上方地面設置警示標志及標注相關施工人員聯系方式，并安排專職安全人員每日巡視停機位置地面周邊環境，以避免在這一區域未經確認便進行挖掘、鉆孔、堆載、降水等施工[1]。

2）為妥善處理停機期間土壓平衡盾構機可能出現的安全風險，應提前準備好應急搶險物資以備急用。

3.3 復推安全控制

3.3.1 盾構機復推前期準備措施

1）機電部門組織維保人員在對照盾構機調試驗收大綱基礎上，對盾構機各系統功能進行一次全方位驗收，以確保各系統運行正常。其中，要重點確保超挖刀系統功能正常。

2）測量部門對盾構機導向系統進行全面檢查，并復核測量控制點、洞內控制點、檢查監測點，以確保監測數據的有效性和連續性。

3）檢查部門應對注漿管及油脂管進行全面檢查，并額外注入10 kg 盾尾油脂，以確認各管路的通暢。需特別關注的是，要保證泡沫管、注漿管、油脂管、預留管的通暢性。

3.3.2 盾構機復推過程采取的安全控制措

1）如地層自穩性較好，且地面無建構筑物影響時，復推第一環則開始同步注漿漿液，此時可采用高濃度膨潤土漿液作為同步注漿漿液。

2)盾構機掘進時，可同步利用盾殼軟化系統向盾體周邊注入膨潤土漿液，并利用膨潤土的潤滑作用來降低盾體周邊摩擦力，從而減小盾構機復推阻力。此外，后續在注入膨潤土漿液位置要進行二次注漿來補充。

3）考慮到復推時盾構機盾體周邊會因被不同程度的包裹，而導致復推阻力較大、鉸接壓力較高，因此，在盾構機掘進過程中可在鉸接壓力較高或向外拉時主動收起鉸接，并給鉸接輔助力，以防止鉸接被完全拉出。

4）如果鉸接壓力已達到最大值而導致鉸接被全部拉出，且此時盾構機復推阻力依然很大，那么可將此判斷為屬于盾體被包裹較嚴重情況。因此，為了避免鉸接油缸斷裂而產生安全風險，應停止盾構機掘進。針對這一情況，可在盾構機盾尾與鉸接連接位置焊接3 cm 鋼板，從而將盾尾與中盾固定成整體，從而讓盾構機恢復掘進。待阻力下降、盾體脫困后，即可取掉鋼板，并逐步收回鉸接。

5）復推前2 環應嚴格控制掘進速度。這是因為，復推后盾構姿態往往難以控制，所以，此時應將推進速度應控制在20～30 mm/min，即慢速、勻速地掘進。

4 結語

土壓平衡盾構機的長時間停機，會在一定程度上造成盾體周邊被包裹、盾體與土體間隙縮小等問題，從而導致盾構機復推時因盾構姿態不受控制，出現上飄或栽頭現象，所以，必須要對其進行安全控制。盾構機復推時，在提高刀盤旋轉速度、增大擴挖能力的同時，更有利于控制盾構姿態。總而言之，為了確保土壓平衡盾構機在長時間停機后復推的安全性，必須要采取對應的安全措施。