盾構(gòu)常壓開倉換刀施工風險管控與監(jiān)測分析

徐亞軍

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308）

1 工程概況

蟠桃山站至馱藍山路站區(qū)間線路沿馱藍山路敷設(shè)，左、右線起訖里程為：DK1+257.400—DK3+134.100，左線隧道全長1875.004m（短鏈1.696m），右線隧道全長1876.700m，線路共采用兩段曲線，半徑分別R=1500m 和R=1200m。左、右線間距13～16m，隧道頂部覆土（巖）高度13.14～21.90m。根據(jù)該區(qū)間地質(zhì)勘察報告，蟠桃山站至馱藍山路站區(qū)間主要穿越（11)-2-3 中風化石灰?guī)r、(11)-4-3 中風化石灰?guī)r、(12)-1-3 中風化石灰?guī)r、(12)-4-3 中風化石灰?guī)r、(12)-5C-3 中風化砂質(zhì)頁巖，局部穿越11-3-3 中風化白云巖、12-3-3 中風化薄板狀石灰?guī)r、12-6B-3 中風化泥灰?guī)r、5-3A-4 黏土層；蟠桃山站至DK2+700，巖溶水無承壓性，DK2+700 至馱藍山路站具有一定承壓性。隧道左、右線施工采用鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機施工，開挖直徑6.47m，主機長度8.39m，盾構(gòu)機總長約85m，最大推進力4086t；采用的襯砌管片內(nèi)徑5.5m，厚度0.35m，寬度1.2m。盾構(gòu)施工由蟠桃山站始發(fā)，馱藍山路站結(jié)束，左線先行施工。左線第一次開倉換刀點為DK1+347.400，盾構(gòu)機刀盤位于掘進75環(huán)，隧道穿越全斷面中風化石灰?guī)r（11）-2-3，掌子面為中風化石灰?guī)r，拱頂以上依次為中風化石灰?guī)r（14.0m）、雜填土1-1（1.4m）。開倉點位于馱藍山路，周邊無重要建筑物。

2 施工風險分析

盾構(gòu)換刀主要風險：開挖面不穩(wěn)定坍塌；倉內(nèi)有害氣體對倉內(nèi)作業(yè)人員造成傷害；恢復(fù)掘進后土倉壓力不穩(wěn)，存在超挖現(xiàn)象，造成地表下沉。盾尾通過換刀位置后，未及時進行二次注漿，造成地面沉降超限。

3 施工風險管控

針對施工風險制定專項施工、監(jiān)測及風險管控方案，嚴格節(jié)點驗收制度；加強監(jiān)控量測，及時進行監(jiān)測信息反饋，減少工程本體及周邊環(huán)境變形。

盾尾注漿封堵：首先，盾構(gòu)機到達換刀點停機時，為了減少盾構(gòu)機外壁后方來水，對盾尾后5～8 環(huán)施作止水環(huán)。盾構(gòu)機將要抵達開倉換刀位置前5 環(huán)，掘進采用慢速推進，控制掘進速度，以減小盾構(gòu)機對隧道工作面土體的擾動。采用凝固時間短的漿液進行同步注漿，并對盾尾后5～8 環(huán)（即連接橋附近）的管片進行二次補注雙液漿，封堵管片后部來水，并增加盾尾附近成型隧道的穩(wěn)定性。其次，盾體注漿。通過盾體徑向孔，向盾體外殼注入膨潤土，在盾殼外形成封閉止水帶，作為第二道止水環(huán)。通過檢查閘門密封及螺旋機中留置土塞的方式保證密封。最后，注入盾尾油脂，即壓入膨潤土泥漿或衡盾泥，防止盾尾注漿時盾體被漿液包裹[1]。

掌子面封堵：首先，用膨潤土、制漿劑和水調(diào)制成高黏度泥漿，并膨化至少1d。其次，在停機位置，通過刀盤膨潤土泵將高黏度泥漿注入土倉，同時配合螺旋輸送機出渣置換出土倉內(nèi)部分原有渣土，使土倉內(nèi)上部泥漿壓力控制在0.15～0.16MPa，保壓持續(xù)時間不小于3h。其間適當以低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動刀盤，使高黏度膨潤土漿液充分進入刀盤周圍地層。最后，形成泥膜并完成掌子面氣密性封堵。

嚴格隧道及開倉氣體檢測，并且保證人倉的空氣質(zhì)量。通過螺旋機出閘口和人倉板上的球閥對土倉內(nèi)氣體進行檢測，并經(jīng)氣體檢測儀檢測合格后方可進行后續(xù)施工。倉門打開后，氣體檢測人員攜帶氣體檢測儀和防爆手電，首先對人倉以及土倉頂部附近左下和右下方空氣進行檢測，全面檢測完畢且判斷地層穩(wěn)定，空氣質(zhì)量合格，經(jīng)現(xiàn)場負責人復(fù)核確認。在開倉換刀期間，隨時檢測倉內(nèi)氣體情況，發(fā)現(xiàn)異常，倉內(nèi)人員及時撤離，并且關(guān)閉倉門。在開倉換刀作業(yè)過程中，加強監(jiān)測及巡視，及時對地表等沉降變形情況進行監(jiān)測。在監(jiān)測數(shù)據(jù)異常、報警、突變的情況下，立即組織倉內(nèi)人員撤離。開倉換刀作業(yè)嚴格執(zhí)行操作規(guī)程：恢復(fù)掘進后，嚴格控制土倉壓力，必須對脫出管片進行二次注漿（每兩環(huán)注一次），補充開倉換刀區(qū)域的土體損失。注漿孔選擇點位為每環(huán)的上部吊裝孔，孔位可根據(jù)實際情況進行適當調(diào)整。出現(xiàn)注漿未飽滿的部位多在隧道上方，因此注漿孔點位應(yīng)選擇在3 點和9 點之間的上半環(huán)。在小半徑曲線段掘進時，二次注漿孔位宜選擇在曲線外側(cè)，以克服盾構(gòu)機的水平分力。在注漿過程中，根據(jù)注漿效果，適當調(diào)整注漿壓力。應(yīng)記錄每一個孔每次注漿的壓力、注漿量和注漿時間等基本參數(shù)[2]。

制定應(yīng)急預(yù)案，預(yù)備鋼梁、鋼柱、注漿設(shè)備等應(yīng)急物資；當開倉換刀點出現(xiàn)較大沉降等險情時，及時關(guān)閉倉門，采取支頂?shù)却胧乐闺U情擴展；盾構(gòu)開倉換刀點開倉時，在開倉點影響范圍內(nèi)（開倉點前后30m）隧道上方，施工時禁止通行。

4 監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測點布設(shè)

開倉換刀點位于馱藍山路下方，線路左線里程點為DK1+347.400。隧道位于中風化石灰?guī)r（11）-2-3地層中，為常壓開倉換刀施工。在施工時，主要通過換刀點上方地表監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析開倉換刀作業(yè)對地表及周邊環(huán)境沉降變形的影響。主要影響區(qū)監(jiān)測點布點及開倉換刀點位置關(guān)系見圖1。其中KZDBC 編號為隧道中線監(jiān)測點，在刀盤及刀盤前后各5 環(huán)范圍內(nèi)，分別在1 環(huán)、3 環(huán)、5 環(huán)布設(shè)隧道中線地表監(jiān)測點，其他位置為每5 環(huán)布設(shè)隧道中線地表監(jiān)測點；KDBC 編號為隧道斷面監(jiān)測點（并且含斷面上的隧道中線監(jiān)測點）；GXC-YS-08、GXC-YS-09 為雨水管線監(jiān)測點；JGC-5 為柵欄圍墻立柱監(jiān)測點；地表隆起控制值為＋10mm，沉降值為-30mm；雨水管道沉降控制值為±10mm；建筑物沉降控制值為±10mm[3]。

圖1 開倉換刀點位置關(guān)系及監(jiān)測布點圖

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

開倉換刀點位于左線DK1+347.400（75 環(huán)），依據(jù)施工進度，2022 年5 月3 日，左線管片拼裝完成63 環(huán)。5 月4 日，管片拼裝完成69 環(huán)，刀盤到達75 環(huán)位置（開倉換刀點）。開倉換刀施工于2022 年5 月7 日—5 月9日完成，并且恢復(fù)隧道掘進施工。對主要監(jiān)測點數(shù)據(jù)（累計沉降量統(tǒng)計）統(tǒng)計見表1。

其一，開倉準備階段（5 月3 日—6 日）。根據(jù)表1中5 月6 日數(shù)據(jù)可知，累計沉降量最大監(jiān)測點為KZDBC-05（75 環(huán)刀盤后第1 環(huán)隧道軸線地表監(jiān)測點），-0.9mm；隆起量最大的監(jiān)測點為KZDBC-04（75環(huán)刀盤后第3 環(huán)隧道軸線地表監(jiān)測點），0.7mm；此階段監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量穩(wěn)定可控[4]。

其 二，開 倉 換 刀 階 段（5 月7 日—9 日）。5 月9 日監(jiān)測數(shù)據(jù)，累計沉降量最大的監(jiān)測點KDBC-2-1（75環(huán)刀盤后第5 環(huán)隧道軸線地表監(jiān)測點），-1.4mm；隆起量最大的監(jiān)測點為KZDBC-04（75 環(huán)刀盤后第3 環(huán)隧道軸線地表監(jiān)測點），1.1mm；此階段監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量穩(wěn)定可控。經(jīng)過監(jiān)測數(shù)據(jù)及工況綜合分析，安全可控。

其三，恢復(fù)掘進施工階段。開倉換刀完成后，并恢復(fù)掘進施工，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及工況分析：5 月10 日向前掘進5 環(huán)，管片拼裝至74 環(huán)；5 月11 日管片拼裝至84 環(huán)，刀盤掘進至90 環(huán)，通過75 環(huán)開倉換刀點，累計沉降量最大的監(jiān)測點為KDBC-2-1（70 環(huán)隧道邊線地表監(jiān)測點），-2.1mm，隆起量最大的監(jiān)測點為KDBC-4-6（76 環(huán)隧道邊線地表監(jiān)測點），1.5mm；5 月13日，管片拼裝完成至95 環(huán)，刀盤掘進至101 環(huán)（隧道掘進面距離開倉換刀位置26 環(huán)），累計沉降量最大的點KDBC-2-1，-2.1mm，隆起量最大的監(jiān)測點為KDBC-4-6（隧道邊線地表監(jiān)測點），1.6mm；5 月14 日，管片拼裝完成至101 環(huán)，刀盤掘進至107 環(huán)，累計沉降量最大的監(jiān)測點為KDBC-2-1（隧道邊線地表監(jiān)測點），-2.2mm，隆起量最大的監(jiān)測點為KDBC-4-6（隧道邊線地表監(jiān)測點），1.5mm；5 月21 日，管片拼裝完成至136 環(huán)，刀盤掘進至142 環(huán)，累計沉降量最大監(jiān)測點KDBC-2-1（隧道邊線地表監(jiān)測點），-2.4mm，隆起量最大的監(jiān)測點為KDBC-4-4（隧道邊線地表監(jiān)測點），1.3mm；在6 月11 日（管片已拼裝至178 環(huán)）監(jiān)測數(shù)據(jù)中，累計沉降量最大的監(jiān)測點KDBC-2-1（隧道邊線地表監(jiān)測點），-2.5mm，隆起量最大的點為KDBC-4-4（隧道邊線地表監(jiān)測點），1.4mm。據(jù)表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，此階段監(jiān)測數(shù)據(jù)變換量穩(wěn)定，最大沉降量為-2.5mm（KDBC-2-1），最大隆起量為1.4mm（KDBC-4-4），均小于監(jiān)測控制值，安全可控[5]。

表1 主要監(jiān)測點數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

在開倉換刀過程中，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并且對開倉換刀點隧道中線及附近監(jiān)測點進行重點分析。在開倉換刀前，施作盾構(gòu)止水環(huán)等控制措施，在開倉換刀過程中地表等略有沉降，并且在可控范圍內(nèi)；恢復(fù)掘進后，對開倉換刀段落管片及時進行二次注漿，補充開倉換刀區(qū)域的土體損失，之后地表沉降穩(wěn)定。該開倉換刀點累計沉降量最大的監(jiān)測點為KDBC-2-1，累計沉降量為-2.5mm，各地表監(jiān)測點均小于地表監(jiān)測控制值；雨水管線監(jiān)測點GXC-YS-08 累計沉降量為-0.7mm，小于雨水管線監(jiān)測控制值；柵欄圍墻立柱監(jiān)測點JGC-5 累計沉降量為-1.7mm，小于建筑物監(jiān)測控制值。在開倉換刀過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量穩(wěn)定，該項工程安全可控[6]。

5 結(jié)論

對盾構(gòu)常壓開倉換刀在監(jiān)測、盾構(gòu)施工等方面進行研究，結(jié)合施工過程中的施工風險管控和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析對盾構(gòu)開倉換刀施工進行指導(dǎo)，總結(jié)如下：

其一，由于盾構(gòu)開倉換刀風險性較大，合理選取開倉換刀位置尤為重要。在常壓情況下開倉換刀，選擇地層比較穩(wěn)定、無大量地下水涌出、無有毒氣體存在的情況下進行。由于城市建筑物密集，盡量避開重要建筑物，并且制定專項施工及監(jiān)測方案，降低風險，確保工程安全可控。

其二，建議恢復(fù)掘進后，嚴格控制土倉壓力。必須對開倉換刀段落管片及時進行二次注漿，補充開倉換刀區(qū)域的土體損失。一般二次注漿孔采用每環(huán)的上部吊裝孔，由于出現(xiàn)注漿不足的部位多在隧道上方，為保證注漿的密實性，可增設(shè)管片環(huán)向注漿孔，并且嚴格控制注漿的壓力及注漿量，減小地表沉降量。即使在硬質(zhì)巖層中，若注漿量不足，會造成盾構(gòu)本體與巖層存在間隙，同樣會影響運營安全。