馮屾

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

1 引言

隨著地下城市空間建設(shè)的發(fā)展，盾構(gòu)法施工應(yīng)用越來越多，然而由于地質(zhì)條件以及施工工法存在差異，在盾構(gòu)施工過程中會(huì)有不同的困難。鹽水凍結(jié)加固具有均勻性好、隔水效果好、污染小、凍結(jié)強(qiáng)度高等特點(diǎn)，但當(dāng)冷凍機(jī)組停止工作的情況下，由于冰析效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹量，從而導(dǎo)致刀盤被凍住，盾體抱死。

2 工程簡介

2.1 區(qū)間概況

某工程的盾構(gòu)區(qū)間為一條單線隧道，且左右線各一條盾構(gòu)隧道。區(qū)間線路盾構(gòu)穿越段建構(gòu)筑物密集，存在有大量多層磚混結(jié)構(gòu)淺基礎(chǔ)住宅，以及1 層住宅和1～2 層辦公用房，都建于20 世紀(jì)80 年代至90 年代。下穿大量5～6 層磚混結(jié)構(gòu)淺基礎(chǔ)住宅，區(qū)間右線起止里程為DK26+933.399～DK28+322.364，區(qū)間長1 388.965 m；左線起止里程為DK26+933.399～DK28+322.364，短鏈14.498 m，區(qū)間長度1 374.467 m。區(qū)間平面共設(shè)半徑R=300 m、800 m、700 m、1 200 m 四處曲線，區(qū)間左右線線間距13～17 m。線路縱斷面大致呈“V”形，最大縱坡24‰，最小縱坡2‰。

2.2 地質(zhì)條件

區(qū)間穿越地層為⑥4 粉質(zhì)黏土、⑦1 粉質(zhì)黏土、⑧1 粉質(zhì)黏土、⑧2 黏質(zhì)粉土、⑨1 粉質(zhì)黏土、⑨2 黏質(zhì)粉土、⑩1 粉質(zhì)黏土。區(qū)間場地土類別為Ⅲ類，場地土類型為中軟場地土。

2.3 水文條件

區(qū)間線路場地淺層地下水主要以第四系孔隙潛水為主，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。本段地下水埋深1.05～1.70 m。

根據(jù)地勘資料可知，該地段在勘察深度范圍內(nèi)的地下水有潛水、第一承壓水、第二承壓水；地下靜止水位埋深為1.05～1.70 m，主要存在于人工填土、黏性土和粉質(zhì)土中；含水層的水平向滲透性與豎向滲透性差異較大；該地段地下水在枯水期與豐水期變化明顯，年平均變化值為0.8 m[1]。

第一承壓水主要賦存于⑧2、⑧23、⑧24、⑨2、⑨23、⑨24粉土、粉砂層中；第二承壓水主要賦存于?2、?23、?24、?25、?4、?43、?44、?45 粉土、粉砂層中，其中夾有多層相對(duì)隔水層的黏性土。承壓水的滲透補(bǔ)給與潛水水力聯(lián)系緊密，以相對(duì)含水層中的徑流形式排泄為主，同時(shí)以滲透方式補(bǔ)給深層地下水。第一承壓含水層水頭標(biāo)高為-1.854～-1.941 m；第二承壓含水層水頭標(biāo)高為-2.803～-2.911 m。

2.4 冷凍設(shè)計(jì)

采用注漿+水平凍結(jié)加固的方式，加固區(qū)為杯形，杯底厚度4 m，杯壁厚2 m，杯壁長11 m（見圖1）。凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度＜-12 ℃，凍結(jié)壁與地連墻交界面設(shè)計(jì)平均溫度＜-5 ℃，經(jīng)加固的土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于3.6 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于2.0 MPa，抗彎強(qiáng)度不小于1.5 MPa（平均溫度-10 ℃）。根據(jù)凍結(jié)壁厚度布設(shè)凍結(jié)管，洞門圈內(nèi)布設(shè)3 圈，鉆孔間距約1.073 m；洞門圈外布設(shè)1 圈，鉆孔間距約0.779 m；單洞凍結(jié)管共58 根，測溫管8 根，總計(jì)66 根；單洞總長度約641.8 m（見圖2）。

圖1 冷凍管平面布置圖

圖2 冷凍加固立面圖

2.5 周邊建筑物、管線情況

本工程施工區(qū)域內(nèi)下（側(cè)）穿居民樓，區(qū)間正穿多層建筑，分別是磚混結(jié)構(gòu)片筏基礎(chǔ)、2 棟6 層職工宿舍（磚混結(jié)構(gòu)片筏基礎(chǔ)），基礎(chǔ)埋深1.2 m。此范圍區(qū)間覆土厚度19 m，距建筑物基礎(chǔ)豎向距離在17 m 以上。盾構(gòu)始發(fā)洞門區(qū)域內(nèi)地面無重要管線。

3 刀盤脫困

3.1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)為海瑞克S757，刀盤開挖直徑為φ6 440 mm，盾體直徑為φ6 410 mm(前盾)/φ6 400 mm（中盾）/φ6 390 mm（尾盾），刀盤開口率為37%，脫困扭矩為6 619 kN·m，最大推力為43 426.5 kN（4 342.65t）。

3.2 刀盤受困經(jīng)過

冷凍管拔除作業(yè)完成后，盾構(gòu)機(jī)開始推進(jìn)，推進(jìn)至-3 環(huán)時(shí)，刀盤補(bǔ)油泵出現(xiàn)跳停，無法啟動(dòng)，導(dǎo)致刀盤無法啟動(dòng)。經(jīng)過現(xiàn)場搶修，1.7 h 后補(bǔ)油泵修理完成，隨后立即啟動(dòng)刀盤，發(fā)現(xiàn)刀盤出現(xiàn)受阻卡頓，即采取左右轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤、收回交接油缸、伸縮刀盤等措施，均未能有效解決。

此時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入冷凍體93 cm，停機(jī)位置距房屋28 m（見圖3）。

圖3 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置平面圖

3.3 受困原因分析

經(jīng)過分析，主要受困原因如下：始發(fā)端采用杯式冷凍加固，受裝機(jī)調(diào)試時(shí)間延誤影響，冷凍時(shí)間超出設(shè)計(jì)凍結(jié)時(shí)間20 d；盾構(gòu)機(jī)停機(jī)所處地層上部為⑧24 粉砂，下部為⑨1 粉質(zhì)黏土，且上部處于承壓水地層中；測溫孔的平均溫度均不高于-10 ℃，加固區(qū)杯底、杯壁的厚度都有不同程度的加厚，停機(jī)位置凍結(jié)壁溫度達(dá)到-15 ℃左右；且掘進(jìn)過程中向刀盤前注入泡沫及水，停機(jī)維修故障期間，刀盤無法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤下部的泡沫、水、已切削土體結(jié)塊形成整體，造成刀盤卡死[2]。

3.4 解決措施

3.4.1 地面措施

1）注漿加固

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置距離樓房28 m，在脫困過程中，必須保證地面不發(fā)生沉降。盾構(gòu)機(jī)位置進(jìn)入冷凍體93 cm，尚不具備同步注漿條件?？紤]到脫困解凍過程中冷凍體融沉，為保證解凍過程中刀盤前方土體不發(fā)生流失從而導(dǎo)致地面塌陷，需進(jìn)行地面深層注漿，控制加固體地層穩(wěn)定。同時(shí)，通過地面雷達(dá)對(duì)始發(fā)加固體地面掃描，探究地層是否有空洞，判斷是否會(huì)出現(xiàn)較大沉降，提前進(jìn)行地面注漿。

2）加強(qiáng)監(jiān)測

盾構(gòu)機(jī)停機(jī)過程中，應(yīng)安排專人進(jìn)行地面監(jiān)測；解凍過程中，應(yīng)增加監(jiān)測頻率，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，明確掌握地表變化情況。

3.4.2 洞內(nèi)措施

當(dāng)盾構(gòu)在冷凍區(qū)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，發(fā)生刀盤或盾體被凍結(jié)的現(xiàn)象，可以采取以下措施進(jìn)行處理。

1）通過刀盤正反轉(zhuǎn)

每15 min 啟動(dòng)1 次刀盤，通過刀盤正反轉(zhuǎn)使刀盤突破土體，試圖脫困。但由于正反轉(zhuǎn)過程中，刀盤扭矩已達(dá)到設(shè)定極限值，此方案并未達(dá)到理想效果。

2）對(duì)掌子面進(jìn)行升溫解凍處理

通過土倉下部隔板閥門向土倉內(nèi)注入熱鹽水（70 ℃左右），從上部隔板閥門處放出，使土倉內(nèi)形成鹽水循環(huán)。同時(shí)利用蒸汽機(jī)加熱土倉隔板，通過熱傳導(dǎo)原理，提高土倉溫度。

解凍的同時(shí)保證土倉壓力，一旦冷凍體失效，土體融化進(jìn)入土倉，要逐漸開始建立土倉壓力進(jìn)行保壓。同時(shí)，根據(jù)監(jiān)測情況及時(shí)調(diào)整，通過螺旋機(jī)進(jìn)行排渣，安排專人對(duì)渣溫進(jìn)行測試，并形成記錄[3]。

3）臨時(shí)混凝土洞門環(huán)梁

停機(jī)位置刀盤上方⑧24 地質(zhì)中存在承壓水，土體解凍盾構(gòu)機(jī)脫困后，在承壓水的滲透下冷凍可能完全失效。盾構(gòu)機(jī)脫困后，洞門密封僅依靠短套筒的止水裝置，為保障盾構(gòu)機(jī)的安全掘進(jìn)，防止洞門發(fā)生滲漏，對(duì)鋼箱外圈設(shè)置混凝土環(huán)梁加固。混凝土環(huán)梁內(nèi)配筋，同時(shí)向側(cè)墻植筋錨入混凝土環(huán)梁。

4）加設(shè)弧形鋼板

盾構(gòu)脫困脫出0 環(huán)后，采用2 mm 弧形鋼板，將鋼箱與0環(huán)管片密封，并增加注漿球閥，保證土體解凍后洞門密封的安全性。當(dāng)出現(xiàn)滲漏時(shí)，通過球閥進(jìn)行水泥-水玻璃雙液漿壓注。

3.5 冷凍加固區(qū)掘進(jìn)的注意事項(xiàng)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際刀盤受困至脫困的具體情況，相應(yīng)注意事項(xiàng)措施如下。

1）始發(fā)前，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)性的全面調(diào)試與檢修，備足相應(yīng)的易損件。在盾構(gòu)機(jī)調(diào)試完成至頂進(jìn)冷凍體之前48 h，應(yīng)反復(fù)多次進(jìn)行空載運(yùn)行，安排專人跟進(jìn)始發(fā)籌備措施，確保盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)行。

2）將刀盤系統(tǒng)與盾構(gòu)機(jī)的其他系統(tǒng)解鎖，保證盾構(gòu)機(jī)在刀盤驅(qū)動(dòng)以外的其他系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，在冷凍區(qū)仍可以繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動(dòng)而不被凍住。

3）提前調(diào)試相關(guān)解凍設(shè)備（鹽水加熱及蒸汽機(jī)），刀盤一旦出現(xiàn)冷凍受困，立即啟動(dòng)應(yīng)急解凍措施。

4）在盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車上的膨潤土箱內(nèi)備滿防凍液，在掘進(jìn)冷凍加固區(qū)的過程中適當(dāng)注入防凍液。

5）推進(jìn)時(shí)，每5 min 測量1 次渣溫。低于-10 ℃時(shí)，間斷性地注入少量熱鹽水，提高土倉內(nèi)渣土溫度，降低并及時(shí)排土，減少倉內(nèi)凍土堆積。

4 結(jié)語

在盾構(gòu)法施工過程中，冷凍法加固應(yīng)用越來越廣泛，因此，防止盾構(gòu)機(jī)在凍結(jié)土中凍住變得尤為重要。掘進(jìn)前，必須做好對(duì)設(shè)備各方面的檢修及保養(yǎng)；掘進(jìn)中，要控制好盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)。