土壓平衡盾構機脫困措施分析

賈 鵬

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

在盾構隧道施工過程中，由于各種不可預知的原因，盾構機被困現象時有發生，對工程施工進度、安全和周圍環境等造成不利影響，降低施工效率，增加施工成本。因此，如何快速、安全、經濟地實現盾構機脫困就成了事故處理的重中之重。

1 工程概況

珠三角城際琶洲支線PZH-2標三工區盾構區間，即明經村豎井—蓮花站區間為雙洞單線隧道。區間左線盾構隧道里程為DK13+520～DK16+160，全長2640m；左線隧頂覆土厚度為34.37～13.93m。盾構機從區間明挖隧道小里程端始發，最后在明經村豎井大里程端接收，區間平面位置如圖1所示。

圖1 盾構區間平面圖

（1）隧址區地層從上至下為素填土、淤泥質砂、淤泥質土、細砂、粉質黏土、細砂、中風化花崗巖、含礫砂巖、強風化花崗巖、全風化花崗巖。

（2）盾構穿越地層大部分為W4全風化花崗巖，部分地段為W2中風化，其余為W3強風化和W4全風化花崗巖混合地層。

（3）左線盾構停機位置地質情況從地面至隧道頂部依次為素填土，粉質，黏土，W4全風化花崗巖，W3強風化花崗巖，W2中風化花崗巖，如圖2所示。

圖2 盾構停機位置地質圖

2 盾構機被困原因分析

根據現場情況，盾構隧道地面鉆孔區域端部位于明經村豎井施工場地內，尾部位于茂德公草堂工廠內，距明經村豎井距離約21.2m，如圖3所示，施工場地內無其他作業。

圖3 盾構機地表引孔位置平面圖

在盾構掘進過程中，盾構掘進參數發生較大變化，扭矩高、推力大、推進速度慢。根據判斷，盾構機在通過上軟下硬地層時刀具磨損嚴重且中心區域已經結泥餅，需要開倉更換刀具。由于此時盾構機處于上軟下硬地層與硬巖地層交界處，地質情況不是特別理想，故采用超前注漿和地表深孔注漿加固地層，采用帶壓進倉換刀方式作業。

換刀工作結束恢復推進后，盾構機掘進情況得到好轉。但一環之后，情況開始變化，推力大，扭矩小，鉸接壓力高。再次進倉檢查刀具后，未發現刀具異常。再次恢復推進后，情況仍未得到好轉，并且有惡化的趨勢。于是停機，采用內窺鏡通過盾體徑向孔觀察盾殼外情況，所觀察到的情況如圖4所示。

圖4 盾殼外間隙觀察情況示意圖

根據以上情況，判斷盾構機被困是由于注漿漿液竄至盾殼外周間隙內凝固，包裹在盾體外，在進入全斷面中風化花崗巖地層中時，因巖層強度高，凝固的水泥漿無法將巖層擠開，將盾構機中盾及盾尾卡住，導致盾構機無法掘進。

3 盾構機脫困措施

對盾構機被困原因進行分析，反復論證，然后確定盾構機脫困措施。

3.1 反復伸縮盾尾鉸接

通過盾構機徑向孔向盾體外側注入膨潤土潤滑，恢復掘進。推力仍然處于極限值邊緣（65000kN），掘進速度在0～2mm/min 反復，刀盤扭矩約800kN·m，近似于空轉扭矩，以此狀態盾構機掘進1h，前進了5mm，且掘進3cm后，盾構機掘進速度長時間為0mm/min。

嘗試伸鉸接推進時，刀盤扭矩明顯增大至950kN·m，推進速度瞬時可以達到6～8mm/min；而收鉸接發現盾尾不再往前跟隨，推進油缸行程減小，判斷是前中盾在后退。

3.2 增加推力

在盾構機廠家協助下，增大盾構機推力至74000kN，泵出口壓力調整至33MPa（圖5），掘進速度可以達到6～8mm/min，但掘進5cm 后，盾構機掘進速度長時間為0mm/min，仍無法使盾構機脫困。

圖5 推進泵泵出口壓力

3.3 增設輔助千斤頂

在盾位3～9 點位置以下安裝8 組2000kN 千斤頂（圖6），盾構機推力73500～74000kN，外置推力16000kN，推進速度為1～4mm/min，推進3cm 后，盾構機掘進速度長時間為0mm/min，仍無法使盾構機脫困。

圖6 增設輔助千斤頂

3.4 振錘輔助脫困

通過對盾體裹死原因進行分析及多種措施嘗試，仍未解決存在問題。決定采用振錘振動盾體與增設輔助千斤頂相結合技術進行脫困，振錘輔助脫困主要采用打樁機夾住鋼板樁振動盾體，疏松盾體外的砂漿結塊及土體，以達到盾體脫困目的，并采取相應的輔助措施，確保盾構機安全。

主要施工工藝流程如下：

測量定位→探挖管線→確定振動位置（建議巖層交界面后20cm）→引孔確定標高→徑向孔注惰性漿→鋼板樁下沉、振動（碰到盾殼提起5～10cm）→盾構機往前推（每推進5～10cm重復振動一次）。

3.4.1 測量定位

根據目前盾構機所在位置，確定振動位置，振動位置宜選在巖層交界面后20cm 處，根據現場測量放樣，如圖7 所示，在鉆孔施工前，應進行管線探挖，避免管線影響鉆孔施工，根據現場實際狀況，必須調整鉆孔位置時需上報項目部批準。

圖7 旋挖鉆引孔分布圖

3.4.2 引孔方式及振動

根據鉆孔確定位置，在地面采用320 旋挖鉆機進行鉆孔施工，采用Φ600mm 鉆頭進行鉆孔，鉆孔過程中采用泥漿護壁防止塌孔。為防止泥漿外流，鉆頭不能直接鉆至盾體，鉆孔深度應鉆至盾體以上10cm。鉆孔完成后插入振動鋼板樁，鋼板樁應慢慢插入至盾體位置后再往上提5～10cm，防止鋼板樁振動接觸盾體對盾體造成損壞。

鉆孔第一排布設5個孔，第二排及后續布設3～4個孔，布孔間距縱橫向均不大于1.0m，中心位置鋼板樁凹面向前進方向，兩側鋼板樁凹面分別朝向盾體左右側。

在第一排鉆孔完成后，可在振動后進行嘗試性推進。鑒于現狀，建議在鉸接處綁焊鋼板形成剛性連接；脫困振動過程安排人員嚴密觀測洞內盾體情況，避免過振引起盾體損壞[1]。

鉆孔施工注意事項：

（1）鉆孔施工前，測量隊測放處鉆孔位置；鉆孔機就位后，測量隊復核鉆孔點位和鉆桿垂直度，復測合格后方可進行鉆孔；鉆孔過程中，測量隊在現場實時監測鉆桿垂直度，如發現鉆桿傾斜，及時通知施工人員并采用有效措施解決。

（2）鉆孔前，必須先探挖，確保鉆孔范圍內無管線方可往下開挖。

（3）鉆孔過程中采用泥漿護壁，避免塌孔，必要時置換泥漿，盡量將孔底泥砂清理干凈，確保鋼板樁可直接接觸盾體。

（4）盾構推進前，及時往徑向孔注入膨潤土漿液。

（5）鋼板樁下孔前，隧道內應派專人值守，與地面保持通訊，確保上下聯動順暢，在鋼板樁插入后，碰到盾體后馬上停止往下插，并往上提3～5cm，盾構機往前推，打樁機夾住鋼板樁開啟振動模式，現場如圖8所示。

圖8 旋挖鉆引孔、鋼板樁震動

3.4.3 隧道內措施

（1）優化注漿配比，脫困期間向盾構機徑向孔注入經發酵的膨潤土漿液，同步注漿漿液為惰性漿液，脫困后同步注漿漿液再改注正常砂漿，對脫困施工區段進行二次注漿補漿填充。

（2）對已安裝成環的管片需要用扳手擰緊所有縱向和橫向螺栓，且在每一次振動前再次緊固螺栓[2]。

3.5 潛孔鉆打孔

針對潛孔鉆打孔間距大，清除水泥漿液效果差，采取潛孔鉆密排打孔方式。具體施工工藝為：拔除鋼板樁→旋挖鉆孔回填→測量定位→確定潛孔鉆鉆孔范圍→引孔確定標高→潛孔鉆鉆孔→盾構機推進。

（1）將鋼板樁拔出，采用符合規范的黏性土將旋挖鉆孔回填至地面標高。

（2）測量定位，標注旋挖鉆孔位置（不再進行鉆孔），并且標注出潛孔鉆鉆孔施工區域。

（3）在盾構區域范圍內采用Ф108mm 潛挖鉆鉆頭引孔，孔間距為200mm，鉆孔深度到達盾體上方，采用梅花樁布置，盡量加密引孔區，以便達到較好的清理效果。

鉆孔過程中，為較好控制鉆孔深度，隨時觀察鉆桿狀態，確保達到深度要求[3]。

3.6 盾構機脫困成功、恢復推進

待潛孔鉆鉆孔結束后，盾構機恢復掘進，掘進參數有了明顯的改善，并逐步恢復至正常狀態。

通過增加推力、增設千斤頂與振動輔助脫困、潛孔鉆密排打孔等一系列組合措施，達到了盾構機順利脫困目的，并且順利出洞。

4 地面恢復

（1）盾構機脫困后，應保持連續推進，盡快通過，防止因長時間停機及打樁擾動導致的地表沉陷[4]。

（2）盾構機通過后應及時對孔洞進行回填，并通過地表深孔注漿對該段區域進行加固，減少后期沉降。

（3）進行完地表深孔注漿后，及時恢復地貌，場地移交。

5 結束語

土壓平衡盾構施工過程中盾構機被困存在較大施工風險，應盡可能避免。結合該工程的實踐，建議加強盾構機被困事故的預防，具體做到以下幾點：

（1）在上軟下硬復合地層中應及時更換刀具以免刀具磨損造成盾構機被困；

（2）在換刀期間對地面進行加固，優化注漿配比，避免因漿液問題裹住盾體造成盾構機被困；

（3）應根據地質情況和周邊環境及時調整盾構參數，有效保證盾構正常掘進，降低盾構掘進風險。