清华园隧道大直径泥水盾构停机因素与防护措施分析

2023-06-29娄瑞

四川建筑 2023年2期

盾构停机是盾构法隧道施工过程中常见的现象，现有研究表明长时间停机是盾构掘进过程中影响地表沉降、土体变形、盾壳摩阻力和掌子面失稳等问题的重要因素之一。基于京张高铁清华园隧道大直径泥水平衡盾构工程，综合考虑盾构施工各工序时间，对盾构停机时间进行统计分析，总结停机时间的变化规律和影响因素。最终，提出了选择合适的停机位置、保持盾构机与外界接触部位的防水效果以及保证盾构随时恢复掘进是停机防护的关键措施。

盾构隧道施工；盾构停机；统计分析；停机防护

U455.43 A

［定稿日期］2022-07-05

［基金项目］中国铁建2018年科技开发资助项目（项目编号：2018-B06）

［作者简介］娄瑞（1990—），男，硕士，工程师，研究方向为大直径盾构隧道技术研发与管理。

盾构法以其对地层和环境扰动小、自动化程度高、施工快捷高效和安全等优点，被广泛运用在隧道施工中。而盾构停机是盾构隧道施工中的常见现象，并且众多的研究表明停机会对隧道的沉降控制、掘进参数和施工组织等产生较大的影响。

国内外大量学者对停机引发风险的原因进行了研究，朱合华［1］、梁荣柱等［2］分别基于模型试验法和实测数据分析法研究了土压平衡盾构在粉砂、软土地层中停机后土体与盾构之间的摩擦力变化规律，提出盾构停机后动态摩阻力随时间逐渐增大，复推后又会产生附加摩阻力。孙飞祥等［3］通过泥水平衡盾构的盾壳摩阻力理论值与实测值对比，说明停机时长是影响其变化特征的因素之一，并且呈现出明显的时间特性。张亚洲等［4-5］基于硬塑性黏土的浸水崩解和软化试验，阐述了停机引起地表沉降塌陷的机制。在停机与地表沉降关系的研究中，林存刚等［6］利用理论计算和实测数据说明停机时间对地面沉降产生了显著影响，李志军等［7］在此基础上，通过结合地表与深层沉降规律分析，进一步提出在富水圆砾地层中盾构停机对前方邻近深层土体的扰动影响更大。郭幪［8］、何彦辰等［9］通过有限元分析法构建逐环推进模型对盾构停机进行模拟，结合理论计算和实测数据，提出新建盾构隧道在下穿既有隧道时的停机过程对周边地层竖向位移具有明显附加影响。

但是上述研究主要集中在对停机引发风险的机理分析，针对实际工程中盾构停机的因素分析和可行性防护措施总结较少。本文依托京张高铁清华园隧道工程，对盾构施工各工序时间进行统计分析，探究盾构停机影响因素和发生规律，总结工程中有效的停机防护经验，为类似地层条件的大直径盾构工程提供参考。

1 工程概况

京张高铁清华园隧道位于北京市海淀区，全长6 020 m，其中采用盾构机进行施工的区段长度为4 448.5 m，采用2台12.64 m的大直径泥水平衡盾构。清华园隧道下穿多条重要城市道路、重要市政管线和运营地铁线路，沿线地表部分建筑物较为老旧，地面风险源复杂众多，累计穿越3处特级风险源和80处一级风险源，是当时城市核心区隧道施工中最复杂的单洞双线大直径盾构工程。

2 停机因素分析

盾构停机情况可分为正常停机和非正常停机2类。其中由于按施工计划进行倒班、遵循正常工序的衔接和必要的检修保养造成的盾构停机属于正常停机。而由于施工组织不合理（如渣土运输、管片供应和材料供应等）、设备故障和其他不可控的客观因素（如地质因素、政策因素和天气原因等）造成停机超过6 h即认为是非正常停机。

造成盾构非正常停机的因素众多，其中主要包括事故性停机、非正常检修性停机、政策性停机、恶劣天气性停机等。以清华园隧道为例，阐述和总结施工过程中出现的非正常停机因素和现象：

（1）事故性停机。清华园隧道2#～1#盾构区间，当盾构掘进到知春路附近时（图1，①），发现盾尾处底部壳体上拱严重，为了保证施工安全，项目部不得不做出了停机检查、解决事故问题的决定。

（2）非正常检修性停机，是盾构机掘进过程中最常见的停机情况之一。清华园隧道盾构机在到达计划的检修期限前，由于刀盘刀具的异常磨损和部分设备的故障，对刀盘刀具检修、泥浆环流系统检修、盾构机检修等，造成盾构机计划外的停机。

（3）政策性停机，主要指国家会议或重大活动期间，实施的盾构停机活动。北京两会期间、一带一路会议期间、中高考期间、中非合作论坛期间等（图1，②），清华园隧道项目部配合国家政策进行停机。

（4）恶劣天气性停机，是指因恶劣天气影响，造成盾构机不能正常掘进施工，属于不可抗因素。清华园隧道接到北京市环保局发布在2018年1月13日至1月15日（图1，③），空气重污染橙色预警的应急信息，在此期间，不允许建筑垃圾、渣土、砂石运输车辆路上工作；并且要求暂停室外护坡喷浆喷涂、建筑拆除、切割、土石方等施工作业。受此影响，清华园隧道盾构段暂停施工。

3 停机统计分析

选取2#～1#盾构区间段的0～1 200号管片环，结合开挖完成后得到的盾构每环掘进时间、拼装时间以及总时间，对盾构停机时间进行时程和频数分析，探究其中的变化规律。

3.1 時程分析

由图1可知，停机时间在砂卵石地层与黏土地层没有明显的区别，整体在0～1 500 min内变化，波动范围较大，这是与造成停机的影响因素是有关的，例如故障停机、政策性停机等，这些因素造成的停机时间是不可控的、不确定的，所以停机时间差异较大。

图2显示当盾构机掘进264环附近后，每环停机时间较其它区段变长，这是因为盾构掘进至知春路地铁站，需要下穿知春路地铁站及知春路，同时施工隧道与地铁12号线暗挖区间隧道净距为5.43 m，因此盾构掘进速度趋缓，地层扰动控制要求高，需要适当停机检查各项监控量测指标，严格控制施工参数，针对盾构停机制定完备的计划，减少对盾构掘进造成的不利影响。

3.2 频数分析

将图1中的时程数据进行拟合，绘制相应的频数分布如图3所示。盾构每环停机时间采用对数正态分布进行拟合，效果较好，说明停机的产生因素不确定性较大。

盾构每环掘进总时间包括每环掘进时间、拼装时间以及停机时间，其分布范围也比较广（图4），这在很大程度上是由于拼装时间和停机时间较长造成的。图5显示盾构停机时间占盾构掘进总时间的43%，而由于盾构的掘进和拼装工序受到施工参数等多方面影响［10］，与施工质量密切相关，因此在施工效率控制上可通过优化盾构停机时间。

利用频数分布的规律，可以科学合理地给盾构每环停机时间的均值和分布范围，用以辅助施工安排，控制施工进度。

4 防护措施

为了减小多次、持续的盾构停机对密封漏浆、地表沉降和后续复推的影响，保证盾构机在停机过程中功能的完整性和状态的可恢复性，需要制定完备的停机处置方案，关键在于：盾构停机地层具有良好的承载能力、围岩稳定不易发生坍塌，以及密封处理长期有效［11］。

4.1 停机位置的确定

选择合适的停机位置，有利于盾构机自身以及周边地表的稳定，主要考虑的指标为安全距离与安全地层。

设定合适的距离时主要考虑盾构、隧道尺寸和地表构筑物。研究表明，大直径盾构停机对地表沉降具有明显影响的范围比正常掘进时广，大约在5倍盾构直径左右。同时，盾构停机对地表建构筑物的影响随着隧道埋深的减小而增大，相应的要求越严格［12］。

合适的地层应当具备较大的承载能力。此工程主要穿越的地层有砂卵石地层、粉质黏土层和粉细砂层，在每一个停机阶段均根據这几种地层的承载能力和透水系数综合比较。

4.2 盾体与周边环境接触部位的防水措施

4.2.1 铰接密封处的防水防砂措施

为保证铰接部位的密封性，不发生漏水漏砂，在停机前需要将铰接千斤顶回缩收回，使得盾体与铰接之间紧密接触后，及时注入润滑油脂填充铰接缝隙，使得铰接腔中充满黄油，并且具有一定的压力。

4.2.2 盾尾缝隙封堵措施

利用防水嵌缝材料对停机前后最后一环管片与盾尾之间的间隙进行封堵，填满盾尾间隙与盾尾整圈的所有缝隙，能够有效地防止地层中的水、砂渗入盾体。在填塞的过程中，避免回缩油缸，防止管片下沉。同时可以利用聚氨酯封堵对盾尾缝隙发生渗漏水的部位进行补救。

4.2.3 主轴承密封部位的防水防砂措施

在主轴承密封式盾构机中，其主轴承密封部位是指泥水仓内泥浆与用于盾构机刀盘驱动的主轴承之间的封闭面。通过该临界面，颗粒杂质容易进入盾构机的主轴承中，从而对轴承齿轮油造成污染，降低使用期限。因此，需要加注EPI油脂对主轴承密封处进行进一步密封，同时为防止泥砂突破油脂进入主轴承内，在加注油脂时注入压力应高于泥水仓中的泥水压力。

4.3 盾构机复推的安全保障措施

停机过程中应防止设备故障、管路系统堵塞等问题对盾构正常运行产生影响，使盾构机能够随时恢复掘进，需要做好对设备的定期检查和维修保养。

4.3.1 防止刀盘及环流系统堵塞的措施

长时间的停机会引起土体性质发生改变，主要体现在：刀盘内外部的土体，由于产生塑性变形，逐渐地连接在一起形成一块完整的土体，造成刀盘处堵塞；在刀盘与环流系统腔体中的渣土泥浆，随时水分的蒸发，整体逐渐丧失流塑性，在盾构复推时引起扭矩增加，阻碍正常启动。

具体解决措施：从即将停机前环开始，排出土仓内的渣土，并同步倒入高浓度膨润土，能够减少刀盘与环流系统中渣土的水分流失，使渣土保持良好的流塑状态。并且定期利用刀盘旋转，带动刀盘的搅拌棒对土体进行搅拌，阻止刀盘内外土体连接成整体。

4.3.2 防止土体粘附盾构机的措施

在盾构停止掘进后，及时通过中盾周围径向注浆孔向盾体周围注入浓膨润土浆液，能够有效防止盾外黏土固结在盾体上，并且能够对刀盘超挖空隙起到填充作用，具有盾体周围止水和控制盾体沉降的多重效果。

4.3.3 防止同步注浆管路堵塞措施

在盾构接近停机位置附近时，用高浓度膨润土浆液代替同步注浆浆液，防止盾体被浆液整体或者局部包裹。同时为防止浆液反流至盾体和同步注浆管路中，导致尾被堵塞，应提高注入压力，将浆液填满盾尾和注浆管路。

5 总结

本文通过总结清华园隧道大直径泥水盾构工程停机情况和防护措施，对停机关键时间进行统计分析，研究其变化规律，得出几点结论：

（1）盾构停机时间具有不确定性，需要结合各风险源、节假日、季节和国家政策等因素，提前制定完备的停机处置方案，减小停机的影响。