砂卵石地层中泥水盾构机脱困技术方案分析

姚 艺

砂卵石地层中泥水盾构机脱困技术方案分析

姚 艺

（上海三维工程建设咨询有限公司，200060，上海//高级工程师）

盾构机在砂卵石地层中卡机是目前地下施工项目面临的较大的危险源之一.以兰州轨道交通1号线一期工程迎马区间泥水平衡盾构机在砂卵石层中卡机故障为例，分析了在沙卵石地层推进中盾构机卡机的原因，介绍了盾构机脱困技术方案，详细阐述了该技术方案的实施步骤和相关技术细节。

城市轨道交通；盾构机；卡机；脱困

兰州轨道交通1号线一期TJ I-5标段迎马区间总长1 906 m，双洞双线设计，其中过河段404 m。穿黄河隧洞最深覆土厚度42 m，采用加气平衡式泥水盾构机施工。整条隧道除始发与接收两端位于2-10和3-11的卵石层交互复合层外，其他段均走行于3-11卵砾石层中。地层中卵砾石含量高达85%以上，地下水丰富并与黄河水贯通，渗透系数达60 m/d。地层中直径20 cm以上的漂石含量较丰富。卵石中石英含量达77%，最大强度达到200 MPa。

本文仅针对泥水盾构机在卵砾石层中卡机故障进行分析和研究，并对卡机的处理措施进行了探讨。

1 工程概况及水文地质

盾构机卡转位置里程为K13+388.647，距始发竖井230 m，距黄河453 m，距离风井350 m，平面所处位置为银安路辅道与人行道交叉口位置。

盾构机临时停机位置，刀盘断面所处地质为3-11卵石层，刀盘上方土体由杂填土（1.0 m）、2-10砂卵石地层（11.8 m）和3-11砂卵石地层（1.2 m）组成，刀盘顶部覆土总厚度约为14 m。根据地勘报告，刀盘顶部覆水高度为7.2 m。此处地下水位距地面8 m左右，主要是潜水和黄河补给水。

另根据施工日志，刀盘所处位置曾出现地面冒浆和坑洞，先后进行了3次回填，回填骨料分别为：砂卵石及杂填土20 m3，C15混凝土17 m3，C10砂浆48 m3。

2 盾构卡机原因分析

盾构机掘进时掌子面上方出现空洞，泥浆迅速向外窜出，开挖仓内掌子面突然失压，进而导致刀盘上方塌方，使得卵石堆积在刀盘部位，将盾构卡机。分析原因如下：

（1）刀盘卡住处为旧有采砂区，不排除采砂回填区有银滩大桥和周边楼房建设时的建筑垃圾回填。实际调查过程中，周边房建施工时反应有基础注浆流失现象。

（2）旧有地质勘探孔进入到隧道施工区域，因探孔处对土体形成扰动，导致地层松散，形成空洞。

3 盾构脱困技术

为了使盾构机早日脱困，必须打开安全门，人工进入开挖仓和工作仓清理堆积在仓里面的沙卵石和刀盘外沿上的岩石，使盾构刀盘与切削面减少磨察力，使泥浆管路能正常循环。此处地下水含量丰富，刀盘前方的土体已经过扰动，土体非常松散，如果人工进仓，掌子面容易坍塌，因此必须降水和加固掌子面。具体方法是：从仓内对刀盘顶部土体进行注聚氨酯加固，同时在刀盘上部施作一个竖井，井底靠刀盘前方施作一排挖孔桩，对掌子面进行支护，在刀盘的顶部和前方为清仓创造一个保护壳。再从仓内清除堆积物，恢复刀盘转动。以下为具体实施的盾构机脱困技术方案，该方案获得了成功。

3.1 施作降水井

区域施作降水井（10 m×19 m范围内）（见图1），进行降水处理。根据计算，本次施作了4口降水井，井深29 m，将水位降低至22 m以下。

图1 降水井平面布置图

3.2 聚氨酯加固

3.2.1 浆液配制

（1） 浆液配比 ∶A ∶B=10∶1（质量比），即 A 组分聚氨酯10 kg，B组分催化剂1 kg。如在实际使用中发现固化速度过快，则适量减少催化剂用量即可延长固化时间。

（2）灌浆前先将确定用量的催化剂加入聚氨酯浆液中，搅拌均匀，待用；带有催化剂的浆液不会反应，直到接触水才会开始反应。

（3）由于聚氨酯混合液遇水即开始反应发泡，因此在未使用前，混合液应避免接触水。

3.2.2 注酯范围

根据实际开仓检查情况，刀盘中心以下区域的卵石堆积非常密实，不需要进行加固，仅需对刀盘中心以上部分进行局部加固，图2为注酯范围示意图。具体加固范围为刀盘直径外1.5 m范围内的上半圆，注酯宽度为刀盘面板正前方1.5 m，盾体切口后0.5 m。（目前聚氨酯的扩散半径尚无计算公式或经验数据，实际的扩散半径由现场根据压力及注入量判断，同时可辅以注酯试验。）

图2 注酯范围示意图

3.2.3 注酯步骤

（1）确定需加固的区域，并在加固区域埋设直径25 mm，长度1.5 m的PVC（聚氯乙烯）或PPR（无规共聚聚丙烯）注酯管（见图3）。管壁上设置直径5 mm的注酯孔。注酯孔的数量根据实际情况设定，一般不应少于3排。埋设注酯管时，可使用钢套管或使用钻孔机在降水的条件下进行布设。也可使用钢性注酯管，但钢性注酯管必须在注入完毕后，浆液上强度前拔出，以免妨碍盾构机恢复工作。

图3 注酯管

（2）将聚氨酯泵连接到注浆管，通过注浆管加注聚氨酯。

（3）在泵口压力达到设定值后，更换另一根注浆管。如此往复注入，直至达到要求为止。

（4）注聚氨酯完毕后，关闭仓门4 h。

（5）聚氨酯注入完毕4 h后，打开仓门通风2 h，至仓内基本无气味为止。

（6）人员进入开挖仓，通过凿子、手电钻等工具检查聚氨酯的实际注入效果。

（7）硬化效果达到要求则进行下一步工作，如部分区域效果不佳则对注入效果不佳处补充注酯。如此循环，直至加固区满足要求为止。

（8）注酯孔的间距一般为20～50 cm，可视实际工况扩大或缩小注酯孔间距。一般注酯孔的孔距不宜超过1.5 m。

（9）注酯过程中，如注酯口渗漏，则可用快速紧固密封的孔口装置或高强快凝材料来封堵灌浆管口。

（10）聚氨酯混合液固化后，去除灌浆管，用堵漏王或HK-EQ环氧胶泥进行封闭。

3.2.4 注酯效果检查

（1）注酯完毕4 h后，打开仓门通风2 h，至舱内基本无气味为止；再用气体检测仪进行监测，检测合格后，人员方可进仓。

（2）检查方法主要是通过凿子或手电钻等工具对加固区域进行检查；对空间允许的部位可采用取芯法，将“芯”送到有资质的检测单位进行强度检测，要求无侧限抗压强度达到0.8～1.2 MPa。

（3）在加固体上打眼，并通过眼位进行注水，通过水流的分散情况判断加固体的整体性。对断裂带可进行补注酯。

3.3 竖井+挖孔桩

图4、图5分别为竖井与桩的平面图和立面图。竖井开挖尺寸为4 100 mm×8 000 mm，深度15.6 m。顶部设置C30钢筋混凝土锁口圈梁（断面尺寸为1 000 mm×1 000 mm）。基坑侧壁支护采用φ22砂浆锚杆+钢筋格栅+300 mm厚C25喷射混凝土，其中砂浆锚杆长2 m，竖向间距0.5 m，环向间距1 m；钢筋格栅采用φ18主筋、φ16蹬筋、φ6.5外箍筋；竖向设置内外两排φ18连接筋，环向间距1 m。竖井设置横向支撑，采用工20 b工字钢，水平间距2.5 m，竖向间距3 m。

人工挖孔桩直径1.4 m，深8 m。护壁采用100 mm厚模筑C30混凝土，随挖随支护，成孔后灌注C10混凝土。

竖井底板封闭采用1 000 mm厚C30钢筋混凝土，双层φ18钢筋网（200 mm×200 mm）。

4 刀盘恢复转动施工步骤

4.1 清理刀盘步骤

加固支护完成并检查合格后，即可进行刀盘清理工作。根据前期的检查情况，本次刀盘清理按如下步骤进行：

（1）清理开挖仓。

（2）从刀盘底部开始清理刀盘开口处。开口处卵石清理出来后，第一时间使用预装好的沙袋或膨润土袋进行堆叠封堵。

（3）对于刀盘正前方无法清理的部位，可通过拆除相邻部位刀具进行清理。同时可对刀具进行检查。

（4）刀盘四周必须清理至无卵石堆积。在清理过程中如遇较松散部位，可通过注酯进行加固防护，或通过换填沙袋防护。

图4 竖井与桩平面布置图

图5 竖井与桩立面图

（5）刀盘自下至上一直清理至刀盘顶部，直至整个刀盘与前方土体脱空。

（6）所有清空的部位均应使用沙袋堆垒，防止渣土掉落。

4.2 试转刀盘步骤

刀盘清理完毕后，进行转动刀盘试验。转动刀盘时，技术人员在气压舱内进行观察，如有渣土掉落情况应及时与司机沟通停止试转并上报，采取进一步的处理措施。如试转成功，则关闭前舱门，恢复掘进。图6为刀盘转动试验步骤。

图6 刀盘转动试验步骤

4.3 恢复掘进步骤

图7为恢复掘进步骤。

5 结语

兰州轨道交通1号线迎马区间右线盾构机被困后，打设降水井，进行降水施工，地下水位4天之内下降了26 m左右；开始施做竖井同时进行洞内注入聚安酯施工作业；待掌子面稳定后，人工进仓清理工作仓、开挖仓和刀盘前沿的卵石；清仓完毕后，建立泥浆循环并试转刀盘，刀盘转动试验成功后，恢复掘进。本文介绍的技术方案的成功实施表明：降水加竖井同时结合聚氨酯注浆的方法，在沙卵石地层中加固土体，能使掌子面稳定，能够保证在保障进仓人员安全的前提下完成仓内清理，能够使刀盘转动，使盾构机脱困。此方法可以在其他沙卵石地层中盾构机脱困加以推广应用。

图7 恢复掘进步骤

［1］ 张凤祥，朱合华.盾构隧道［M］.北京：人民交通出版社，2004：192.

［2］ 苏斌，苏义.北京典型地层盾构适应性对比与施工关键技术［M］.北京：人民交通出版社，2013：43-64.

［3］ 王博.富水弱胶结大粒径砂卵石地层盾构施工技术［J］.都市快轨交通，2014，27（2）：70-73.

［4］ 张凤龙.复杂条件下铁路大直径泥水盾构施工综合技术［M］.北京：中国铁道出版社，2015：131-134.

Analysis of Shield Machine Breakaway Technology in Sandy Pebble Formation

YAO Yi

One of the major hazards in underground construction project is the seizing-up of shield machine in sandy pebble formation.Based on seizing-up troubles of the slurry balance shield machine in the Yingma Section on Lanzhou rail transit Line 1，the major reasons for machine seizing-up problem are analyzed.Then，a breakaway technology for the slurry balance shield machine is introduced，concrete implementation procedures and related technical details are elaborated.

urban rail transit； shield machine； seizing-up；breakaway

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.10.021

Author′s address Shanghai 3D Engineering Construction Consulting Co.，Ltd.，200060，Shanghai，China

2016-12-07）