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        土壓平衡盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)及復(fù)推安全控制措施

        2023-01-08 14:29:25黃飛徐程宋樹桐季志威張鋒
        關(guān)鍵詞:盾體土倉土壓

        黃飛,徐程,宋樹桐,季志威,張鋒

        (中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100000)

        1 引言

        目前,我國城市地鐵隧道區(qū)間建設(shè)大多會使用到盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。然而,在市區(qū)使用盾構(gòu)機(jī)施工時(shí),難免會遇到材料供應(yīng)不足、工作井不具備接收條件、征拆協(xié)調(diào)困難等問題,導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)經(jīng)常性長時(shí)間停機(jī)。不僅如此,若在此期間無法對盾構(gòu)連續(xù)長時(shí)間停機(jī)及復(fù)推采取安全控制措施,容易發(fā)生停機(jī)區(qū)域地面塌陷、盾尾砂漿包裹、盾構(gòu)復(fù)推困難、復(fù)推姿態(tài)不受控等施工風(fēng)險(xiǎn)?;诖耍瑢Χ軜?gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)后復(fù)推的安全管控措施進(jìn)行系統(tǒng)性分析及經(jīng)驗(yàn)總結(jié),符合現(xiàn)階段施工需求。

        2 工程概況

        以某地鐵隧道區(qū)間為例,該區(qū)間施工采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。由于受征拆問題影響,土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)后無法按原計(jì)劃繼續(xù)掘進(jìn),需長時(shí)間停機(jī)(停機(jī)時(shí)間大于6 個(gè)月)。針對此,項(xiàng)目部通過采取一系列長時(shí)間停機(jī)后復(fù)推的安全管控措施,確保了整個(gè)過程安全可控。工程具體情況如下:

        1)右線土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)掘進(jìn)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(gòu)機(jī)掘進(jìn)約362 m 后開始下穿村莊范圍,下穿長度約446 m。

        2)該區(qū)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(gòu)機(jī)需逐漸加深掘進(jìn)。鑒于該段地鐵隧道施工范圍內(nèi)中粗砂層分布較廣、地質(zhì)情況較差,決定對居民進(jìn)行臨時(shí)遷移;但因臨時(shí)遷移涉及的居民較多,征拆協(xié)調(diào)周期較長,所以,右線土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)完成195 環(huán)后,進(jìn)入了>6 個(gè)月的長時(shí)間停機(jī)狀態(tài)。

        3)該盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置位于農(nóng)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(zhuǎn)彎900 m曲線段上。

        3 土壓平衡盾構(gòu)長時(shí)間停機(jī)處理措施

        針對本工程盾構(gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)的施工風(fēng)險(xiǎn),項(xiàng)目部主要從停機(jī)前準(zhǔn)備、停機(jī)過程控制、復(fù)推安全控制3 個(gè)階段進(jìn)行安全管控。

        3.1 停機(jī)前準(zhǔn)備

        3.1.1 停機(jī)位置選取

        在考慮土壓平衡盾構(gòu)停機(jī)對地面環(huán)境影響的基礎(chǔ)上,要盡量避開建構(gòu)筑物、交通要道、河流等敏感區(qū)域。此外,根據(jù)本工程區(qū)間詳勘、補(bǔ)勘報(bào)告及掘進(jìn)情況,決定選取掌子面自穩(wěn)性強(qiáng)、地質(zhì)情況好的位置進(jìn)行停機(jī)。

        3.1.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

        在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況確定合適的停機(jī)盾構(gòu)姿態(tài):

        1)在軟土地層,盾構(gòu)機(jī)宜總體保持實(shí)際軸線比設(shè)計(jì)軸線略高的盾構(gòu)姿態(tài),同時(shí)設(shè)備機(jī)頭部比尾部姿態(tài)略高,并保持向上抬頭趨勢;此外,在停止掘進(jìn)前10 環(huán),設(shè)備切口環(huán)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(dāng)保持盾構(gòu)機(jī)低頭趨勢,以防止復(fù)推后盾構(gòu)姿態(tài)上飄。

        3.1.3 土壓控制

        在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前1 環(huán)的掘進(jìn)過程中,應(yīng)減少泡沫劑注入量與出土量:(1)調(diào)整提高泡沫劑原液比例以降低發(fā)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(nèi)的氣量,從而增加土倉內(nèi)實(shí)土體積。

        掘進(jìn)完成后,在反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)后將其機(jī)內(nèi)土體反壓入土倉,以防止因長時(shí)間停機(jī)而出現(xiàn)螺旋機(jī)內(nèi)土體固結(jié)現(xiàn)象,進(jìn)而加大后期復(fù)推難度。另外,在長時(shí)間停機(jī)期間,土壓平衡盾構(gòu)機(jī)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(jī)時(shí),土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)壓力宜比正常掘進(jìn)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(gòu)機(jī)長時(shí)間停機(jī)后出現(xiàn)漿液前流而引起漿液裹住盾體,應(yīng)在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)停機(jī)位置前最后2 環(huán)的范圍選用不含水泥的盾構(gòu)機(jī)惰性漿液進(jìn)行填充。

        3.1.5 膨潤土漿液注入

        注入膨潤土漿液時(shí),應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土;拌制時(shí),采用膨潤土∶水=1∶7 的比例。一般來說,注入膨潤土漿液時(shí)分為3 步進(jìn)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(nèi)。

        1)在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)掘進(jìn)完成后,先通過注漿管注入1 m3膨潤土漿液并關(guān)閉盾尾,以防止?jié){液回流堵管;同時(shí),要單獨(dú)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(gòu)機(jī)盾體的盾殼潤滑系統(tǒng),將2~3 m3的膨潤土漿液從盾體預(yù)留徑向注漿孔注入盾體周邊,并設(shè)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?jié){液前竄包裹住盾體的同時(shí),還能避免土體收斂與盾體發(fā)生固結(jié)。為了避免盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)推時(shí)與土體摩擦力過大而導(dǎo)致推力過高、鉸接被很快全部脫出,應(yīng)在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)將鉸接收至約70 mm。

        3)向土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤前方、土倉內(nèi)注入膨潤土漿液,并利用刀盤旋轉(zhuǎn)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(nèi)渣土混合均勻。此外,應(yīng)一邊旋轉(zhuǎn)刀盤一邊注入漿液,直至土倉壓力達(dá)到設(shè)定值后,方可停止。如土倉壓力下降,則需向土倉內(nèi)注入膨潤土泥漿并旋轉(zhuǎn)刀盤,從而緩慢升高土倉壓力至設(shè)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(huán)位置安裝全環(huán)止水環(huán),用于阻隔土壓平衡盾構(gòu)機(jī)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(huán)節(jié),要安排專人負(fù)責(zé),并詳細(xì)記錄壓入位置、壓入量、壓力值,同時(shí),根據(jù)檢測到的地層變形信息來及時(shí)進(jìn)行調(diào)整,以確保二次注漿的施工質(zhì)量。

        3.1.7 盾尾與鉸接的密封管理

        在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)前5 環(huán),其盾尾油脂注入量應(yīng)大于50 kg(以6 m 外徑管片為例);此外,在停機(jī)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(shí),為了停機(jī)時(shí)能夠保證盾尾密封效果,需嚴(yán)格關(guān)注盾尾密封壓力,并確保每路盾尾油脂腔靜時(shí)壓力應(yīng)大于0.3 MPa。

        在進(jìn)行二次注漿前,應(yīng)將盾尾油脂管或黃油管轉(zhuǎn)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(hù)鉸接部位,以防止鉸接部位被包裹。

        3.1.8 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

        在本工程中,待土壓平衡盾構(gòu)機(jī)停機(jī)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(gè)監(jiān)測點(diǎn),而監(jiān)測點(diǎn)在布置完成后,應(yīng)及時(shí)采集初始值,并在停機(jī)期間每天監(jiān)測一次,待監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,可根據(jù)監(jiān)測要求適當(dāng)調(diào)整檢測頻率。

        3.2 停機(jī)過程控制

        3.2.1 人員安排

        在人員安排方面,需注意的事項(xiàng)有:

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

        2)加強(qiáng)監(jiān)測土倉壓力,在停機(jī)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(guān)數(shù)值穩(wěn)定后則可調(diào)整為每隔12 h 記錄1 次;若土倉壓力下降,則要及時(shí)向土倉內(nèi)注入膨潤土漿液并旋轉(zhuǎn)刀盤,讓其可緩慢增加至設(shè)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(shí)安排施工人員抽排地鐵隧道內(nèi)部與井口的積水。

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

        5)如預(yù)計(jì)停機(jī)時(shí)間小于2 個(gè)月,則可在確保安全前提下穿插進(jìn)行地鐵隧道關(guān)于堵漏、洞門環(huán)梁等方面施工。如預(yù)計(jì)停機(jī)時(shí)間大于2 個(gè)月,且左右線位置都具備聯(lián)絡(luò)通道施工條件,則可考慮穿插進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工,同時(shí)讓施工人員和值班人員兼做應(yīng)急人員。

        3.2.2 設(shè)備保養(yǎng)

        為了更好地保養(yǎng)設(shè)備,需注意的事項(xiàng)有:

        1)在停機(jī)期間,維保人員應(yīng)定期檢查和保養(yǎng)設(shè)備并做好相關(guān)記錄。其中,要重點(diǎn)檢查盾尾油脂密封系統(tǒng)是否正常運(yùn)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(diào)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(tài)。另外,要對螺旋機(jī)、主驅(qū)動、皮帶等各個(gè)地方加注黃油,并以注入口溢出黃油為標(biāo)準(zhǔn)。

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

        3.2.3 安全巡視

        為了進(jìn)一步保障土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在停機(jī)期間的安全控制,可適當(dāng)安排人員進(jìn)行巡視:

        1)在土壓平衡盾構(gòu)機(jī)正上方地面設(shè)置警示標(biāo)志及標(biāo)注相關(guān)施工人員聯(lián)系方式,并安排專職安全人員每日巡視停機(jī)位置地面周邊環(huán)境,以避免在這一區(qū)域未經(jīng)確認(rèn)便進(jìn)行挖掘、鉆孔、堆載、降水等施工[1]。

        2)為妥善處理停機(jī)期間土壓平衡盾構(gòu)機(jī)可能出現(xiàn)的安全風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)提前準(zhǔn)備好應(yīng)急搶險(xiǎn)物資以備急用。

        3.3 復(fù)推安全控制

        3.3.1 盾構(gòu)機(jī)復(fù)推前期準(zhǔn)備措施

        1)機(jī)電部門組織維保人員在對照盾構(gòu)機(jī)調(diào)試驗(yàn)收大綱基礎(chǔ)上,對盾構(gòu)機(jī)各系統(tǒng)功能進(jìn)行一次全方位驗(yàn)收,以確保各系統(tǒng)運(yùn)行正常。其中,要重點(diǎn)確保超挖刀系統(tǒng)功能正常。

        2)測量部門對盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查,并復(fù)核測量控制點(diǎn)、洞內(nèi)控制點(diǎn)、檢查監(jiān)測點(diǎn),以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和連續(xù)性。

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

        3.3.2 盾構(gòu)機(jī)復(fù)推過程采取的安全控制措

        1)如地層自穩(wěn)性較好,且地面無建構(gòu)筑物影響時(shí),復(fù)推第一環(huán)則開始同步注漿漿液,此時(shí)可采用高濃度膨潤土漿液作為同步注漿漿液。

        2)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí),可同步利用盾殼軟化系統(tǒng)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(gòu)機(jī)復(fù)推阻力。此外,后續(xù)在注入膨潤土漿液位置要進(jìn)行二次注漿來補(bǔ)充。

        3)考慮到復(fù)推時(shí)盾構(gòu)機(jī)盾體周邊會因被不同程度的包裹,而導(dǎo)致復(fù)推阻力較大、鉸接壓力較高,因此,在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中可在鉸接壓力較高或向外拉時(shí)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(dá)到最大值而導(dǎo)致鉸接被全部拉出,且此時(shí)盾構(gòu)機(jī)復(fù)推阻力依然很大,那么可將此判斷為屬于盾體被包裹較嚴(yán)重情況。因此,為了避免鉸接油缸斷裂而產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)停止盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。針對這一情況,可在盾構(gòu)機(jī)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(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。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(fù)推前2 環(huán)應(yīng)嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度。這是因?yàn)?,?fù)推后盾構(gòu)姿態(tài)往往難以控制,所以,此時(shí)應(yīng)將推進(jìn)速度應(yīng)控制在20~30 mm/min,即慢速、勻速地掘進(jìn)。

        4 結(jié)語

        土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的長時(shí)間停機(jī),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(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)復(fù)推時(shí)因盾構(gòu)姿態(tài)不受控制,出現(xiàn)上飄或栽頭現(xiàn)象,所以,必須要對其進(jìn)行安全控制。盾構(gòu)機(jī)復(fù)推時(shí),在提高刀盤旋轉(zhuǎn)速度、增大擴(kuò)挖能力的同時(shí),更有利于控制盾構(gòu)姿態(tài)??偠灾?,為了確保土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在長時(shí)間停機(jī)后復(fù)推的安全性,必須要采取對應(yīng)的安全措施。

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