呂和祥

（中鐵十五局集團城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽471000）

1 引言

近年來，盾構(gòu)施工技術(shù)快速發(fā)展，很多學(xué)者對土壓平衡盾構(gòu)在砂層中的施工技術(shù)進行研究。本文在已有研究的基礎(chǔ)上，通過工程實例分析土壓平衡盾構(gòu)機在全斷面砂層中施工的渣土改良技術(shù)及刀盤脫困技術(shù)。

2 工程概況

石家莊地鐵3 號線二期2 標段包含2 個盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)段總長2 019.4m。區(qū)間線路主要下穿售樓部、雨污水等市政管線、機械加工廠廠房。區(qū)間穿越的地層主要為中砂、細沙，局部為粉質(zhì)黏土及含卵礫石的粗砂，地下水水位較低，均在隧道底板以下。

3 渣土改良技術(shù)

渣土改良對土壓平衡盾構(gòu)機在全斷面砂層中的掘進非常重要，且是一個比較復(fù)雜的綜合技術(shù)問題。渣土改良就是向刀盤前方注入泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等添加劑，使渣土具有良好的流塑性、合適的稠度、較低的透水性和較小的摩擦力。

3.1 掘進中遇到的問題

本項目中，在無水砂層中掘進時，渣土改良不好經(jīng)常會出現(xiàn)以下問題：（1）干砂層推進刀盤扭矩特別大，平均在2 400kN·m，出土速度慢,且渣土密度較小。推進速度慢，推進壓力低，出土量不好控制，地面沉降量大。（2）黏土含量較少的地層段扭矩較大,此地層土倉中渣少用氣保不住壓，土倉渣多扭矩大，停機時間長時，會導(dǎo)致水分流失較快，流塑性不好，容易沉渣卡刀盤，特別是卡攪拌棒，由于水分流失快，干土也容易形成土拱。

3.2 全斷面砂層渣土改良方案

該區(qū)間前260 環(huán)主要采用的是泡沫劑進行渣土改良，隨著斷面內(nèi)砂層范圍的增大，渣土改良效果越來越差，刀盤扭矩增大、掘進速度降低，由原來的平均40mm/min 降低到15mm/min、土壓保不上去、出土量加大、地面沉降量也逐漸增大。在全斷面砂層中僅用泡沫劑進行渣土改良，很難建立掘進土壓力，很難控制掘進參數(shù)，對成型隧道及地面建筑影響較大。該區(qū)間260環(huán)之后采用的是泡沫劑+化學(xué)漿液（樁博士）進行渣土改良，改良參數(shù)如下：（1）泡沫劑，進口砂性專用泡沫劑。泡沫劑的氣泡發(fā)泡倍率約為16 倍，原液注入量約40L，氣泡的注入率約為30%（與渣土的體積比）。（2）化學(xué)漿液（樁博士）?；瘜W(xué)漿液配合比樁博士∶水=1∶1 000（質(zhì)量比），pH 為10，馬氏漏斗檢測黏度為55s，注入率15%（與渣土體積比）。

3.3 渣土改良效果

渣土改良后，得到如下效果：（1）砂土的流塑性、和易性得到改善，刀盤的扭矩降低，掘進速度得到提高。渣土改良前土倉壓力平均在40kPa，刀盤扭矩平均2 400kN·m，掘進速度在10～20mm/min；渣土改良后土倉壓力平均在116kPa，刀盤扭矩平均1 600kN·m，掘進速度在30～50mm/min。（2）砂層的氣密性提高，土倉壓力提高，出土量正常，地面沉降能有效控制在設(shè)計范圍之內(nèi)。該區(qū)間在前500 環(huán)（左右線相加）時由于渣土改良效果不理想，地面沉降較大，黃色預(yù)警38 次，橙色預(yù)警9 次。經(jīng)過渣土改良后地面沉降得到了有效控制，后期預(yù)警次數(shù)較少，其中黃色預(yù)警8 次，橙色預(yù)警1 次。（3）渣土改良后，盾構(gòu)機快速、安全地穿越了祁連街市政管網(wǎng)及無地下基礎(chǔ)的磚砌排架結(jié)構(gòu)的機械廠房。

4 刀盤脫困技術(shù)

春節(jié)假期期間，右線停止推進，盾構(gòu)機停在了戶外停車場下方，由于盾構(gòu)機處于全斷面砂層中，在停機期間導(dǎo)致砂層固結(jié)，盾構(gòu)刀盤卡死，無法轉(zhuǎn)動。

4.1 處理措施

刀盤卡住后，首先運用盾構(gòu)機自身設(shè)備自帶的脫困措施進行處理。例如，通過盾構(gòu)機的泡沫管路向刀盤前方注射化學(xué)漿液，使開挖艙內(nèi)的渣土松散；通過盾體徑向孔向盾構(gòu)周圍注入發(fā)酵好的膨潤土，減少盾體與周圍地層的摩擦力，然后收縮千斤頂及鉸接油缸，使盾構(gòu)機后退；利用盾構(gòu)機的脫困扭矩轉(zhuǎn)動刀盤等措施。經(jīng)過上述措施的多次試驗，刀盤仍然無法轉(zhuǎn)動。

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)工程的處理經(jīng)驗，在盾構(gòu)機自身脫困措施無效的情況下，主要采用的是圍護樁+豎井的處理方案，安全性高，可操作性強，但是工序較多，工期較長，費用較高。

經(jīng)綜合分析考慮，刀盤被卡住無法轉(zhuǎn)動的原因主要是砂層的固結(jié)，刀盤底板的螺旋機出土口上方已形成拱形，開挖艙內(nèi)的渣土無法出來，只要能將螺旋機出土口上方的松散掉落下來，開挖倉內(nèi)的渣土運出來，刀盤就能轉(zhuǎn)動。于是項目部嘗試了新的處理方案：通過螺旋機的反轉(zhuǎn)，向開挖艙內(nèi)輸入“加氣塊+短方木”，通過螺旋機的轉(zhuǎn)動來擾動出土口上方的渣土，使其松散掉落下來，然后通過螺旋機的正轉(zhuǎn)使掉落下來的渣土運出來，原理如圖1 所示。

圖1 螺旋機反轉(zhuǎn)向開挖艙內(nèi)輸入加氣塊+方木

經(jīng)過反復(fù)幾次，進一步將開挖艙內(nèi)的渣土清理出來。然后左右旋轉(zhuǎn)刀盤，刀盤恢復(fù)轉(zhuǎn)動。通過螺旋機反轉(zhuǎn)向開挖艙內(nèi)輸入“加氣塊+段方木”的處理方案，有效解決了刀盤脫困的問題。此方法簡單有效、經(jīng)濟實惠、安全、脫困時間短，可為后續(xù)類似情況提供借鑒和參考。

4.2 注意事項

在方案實施之前，需把刀盤上面的地面圍起來，避免地面坍塌導(dǎo)致其他的事故發(fā)生，并派專人值守。同時也可以提前進行地面土體加固，防止地面坍塌的危險。由于停機時間長，刀盤擾動大，導(dǎo)致多出土。盾體通過刀盤卡住的位置后，在掘進過程中應(yīng)加大同步注漿量并及時進行二次注漿；同時在地面進行注漿加固，防止后期地面塌陷。

5 結(jié)語

渣土改良技術(shù)是土壓平衡盾構(gòu)掘進的關(guān)鍵技術(shù)，特別是在砂層等復(fù)雜地層中掘進，對成型隧道及地面沉降影響較大。在施工過程中應(yīng)根據(jù)地層特點選擇合理的渣土改良方式，以保證盾構(gòu)機安全、連續(xù)、快速的推進。在全斷面砂層中盾構(gòu)機刀盤被困存在較大的施工風(fēng)險，如果被困，需根據(jù)實際情況采取實用、快捷的處理措施。在施工過程中應(yīng)盡量避免被困現(xiàn)象的發(fā)生，當需要長時間停機時，應(yīng)向開挖艙內(nèi)注入適量的懸浮劑，防止砂土固結(jié)，并隔段時間轉(zhuǎn)動下刀盤；同時通過盾體的徑向注漿孔向盾體周圍注射發(fā)酵好的黏稠的膨潤土。