泥水平衡盾構(gòu)機刀盤受困處理對策

張虎 于興國

1中國建筑第八工程局有限公司 江蘇 南京 210000 2中鐵十六局集團有限公司 北京 100018

0 引言

由于我國幅員遼闊，地質(zhì)情況復(fù)雜多變，盾構(gòu)受困問題始終伴隨著盾構(gòu)施工，如何快速、安全、經(jīng)濟地事先盾構(gòu)脫困，一直是盾構(gòu)隧道施工研究探討的重要問題。以軌道交通區(qū)間盾構(gòu)隧道為例，經(jīng)常發(fā)生臨近端頭加固區(qū)發(fā)生盾構(gòu)機刀盤扭矩過大、發(fā)生跳停，刀具磨損嚴重，急需進行換刀作業(yè)現(xiàn)象。特別是在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地下水豐富的區(qū)域，給換刀作業(yè)帶來極大風(fēng)險，嚴重影響作業(yè)人員的人身安全。黃平華針對泥水平衡盾構(gòu)機在掘進過程中發(fā)生地質(zhì)突變，刀盤被黏土糊住，通過帶壓開倉進行清理方式解決。賈璐等人通過理論計算得出盾構(gòu)脫困所需的最小阻力，并在盾體超前注漿和盾體外注入優(yōu)質(zhì)膨潤土方式解決盾構(gòu)機脫困問題。但并沒有在周邊地下環(huán)境復(fù)雜的地方脫困的案例，本文針對南寧軌道交通1號線白蒼嶺站～火車站區(qū)間泥水盾構(gòu)機在臨近端頭切削地連墻時發(fā)生刀盤跳停，掘進速度幾乎為零現(xiàn)象，從而造成盾構(gòu)機被迫停機一個月，著重從設(shè)備、地質(zhì)及地下周邊環(huán)境和爆破脫困等方面介紹了脫困技術(shù)。

1 工程概況

南寧軌道交通1號線白蒼嶺站～火車站區(qū)間長度為1200m，沿途下穿南寧老城區(qū)密集老舊建構(gòu)筑物、南寧鐵路14條股道及站房。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)勘查報告，火車站盾構(gòu)到達端頭地質(zhì)從上至下為素填土、粉質(zhì)粘土、粉土、卵石、圓礫、泥巖等地層，隧道斷面上部為粉細砂地層，下部為圓礫透水層。地下水主要賦存于圓礫、卵石及砂土層中，屬孔隙松散巖類水，水量豐富。

隧道埋深約16m，脫困處頂部存在人防工程，人防工程結(jié)構(gòu)頂板厚度為500mm，覆土厚度1200m，盾構(gòu)機接收采用鋼套筒密閉接收。

盾構(gòu)機在推進至切口里程ZSK15+555.392，對應(yīng)刀盤里程ZSK15+556.172（此時盾構(gòu)機推進802環(huán)，油缸伸長量550mm，刀盤刀具已嵌入車站連續(xù)墻300mm）處時，刀盤扭矩增大至5MNm，速度為1mm/min以內(nèi)，連續(xù)推進4日，平均每班推進僅為10mm左右。盾構(gòu)機被迫停機。停機處連續(xù)墻設(shè)計采用標號C35混凝土，現(xiàn)場實測混凝土為46MPa。連續(xù)墻厚1000mm，安裝接收鋼套筒前將連續(xù)墻洞門鑿除約300mm，剩余連續(xù)墻厚度約700mm靠盾構(gòu)刀盤磨通，目前盾構(gòu)刀盤已磨掉300mm，剩余約400mm。連續(xù)墻的另外一側(cè)已經(jīng)安裝接收鋼套筒，并填滿水和砂，進行了密閉實驗，均達到設(shè)計和規(guī)范的要求。平縱面位置見下圖：

圖1 盾構(gòu)機刀盤與連續(xù)墻位置關(guān)系圖

2 原因分析

由于該區(qū)間存在半數(shù)以上里程盾構(gòu)機穿越區(qū)域為泥巖地層，勢必對盾構(gòu)機刀具造成一定的磨損。此前其他標段事先發(fā)生類似現(xiàn)象，現(xiàn)場技術(shù)人員的根據(jù)掘進參數(shù)及經(jīng)驗判斷，部分刀具磨損嚴重功能失效，特別是線速度大的周邊刀具，決定開倉檢查和更換刀具。

3 開倉方案

為檢修及更換受損刀具，使盾構(gòu)機能夠順利出洞接收，綜合考慮開倉點掌子面情況、地質(zhì)條件、地面施工場地限制及工期要求，決定采取開倉檢查換刀。

3.1 方案推薦

考慮到盾構(gòu)機所在位置上方存在人防工程，該人防工程室內(nèi)凈高3.9m頂板厚500mm，底板厚400mm，實際調(diào)查過程中揭露地板厚度大于400mm，甚至達到1500mm。給降水井的施工帶來很大施工難度，同時降水井周邊環(huán)境較為復(fù)雜，緊鄰南寧火車站及多處老舊建構(gòu)筑物，采用降水施工可能會產(chǎn)生建筑物沉降產(chǎn)生開裂，從而致使施工工期較長。

綜合考慮采用帶壓開倉方案。

3.2 帶壓開倉風(fēng)險分析

由于已經(jīng)嵌入接收端頭連續(xù)墻300mm，前方掌子面相對比較安全，主要風(fēng)險位置是前盾切口環(huán)與刀盤剩余部分（未嵌入連續(xù)墻部分）形成的與外界土體直接接觸的環(huán)形區(qū)域。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，此位置地層穩(wěn)定性較差，透水性強，開倉后存在一定的危險。主要風(fēng)險有如下幾點：

1）切口環(huán)及刀盤側(cè)面產(chǎn)生涌水涌砂導(dǎo)致土體坍塌風(fēng)險

2）泥膜護壁失效，造成倉內(nèi)失壓

3.3 開倉風(fēng)險應(yīng)對措施

1）采用優(yōu)質(zhì)泥漿分批次建立有效的泥膜，并進行保壓試驗，保壓時間符合規(guī)范要求，確保盾構(gòu)機上方土體穩(wěn)定，不發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象。

2）有效的建立泥膜，同時采用無油空壓機往倉內(nèi)輸送空氣，確保開挖倉氣壓穩(wěn)定。

3）在793～799環(huán)通過同步注漿系統(tǒng)補充注漿，在盾尾795～799環(huán)范圍內(nèi)通過管片注漿孔二次補漿，保證填充密實，確保隧道后方的的水不再流向開挖倉內(nèi)。

4）人員進入倉內(nèi)先對刀盤上方環(huán)形區(qū)域內(nèi)進行臨時封堵，確保掉落的渣土不會直接接觸到倉內(nèi)作業(yè)人員身體。

4 刀具檢查及換刀

4.1 刀具布置

刀盤刀具由16把單刃滾刀、24把撕裂刀、46把刮刀（含8把邊緣刮刀）、16把焊接撕裂刀組成。

4.2 刀具檢查

進倉對盾構(gòu)機刀盤刀具進行了全面的檢查發(fā)現(xiàn)：刀盤周圈約30cm寬區(qū)域內(nèi)的刀具及刀座磨損嚴重，刀具更換困難，主要集中在#28～#32滾刀軌跡上。

同時，在此部位的連續(xù)墻上形成了半圓柱狀環(huán)向混凝土凸起，寬約300mm，高約200mm。其中一刮刀具磨損如下圖所示：

圖2 ：邊刮刀磨損情況

圖3 刀盤與連續(xù)墻平面位置關(guān)系圖（凸起為混凝土半圓柱）

5 對突起混凝土處理措施

5.1 鉆孔

作業(yè)人員進入開挖倉后，在不轉(zhuǎn)動刀盤的情況下，采用風(fēng)鉆在-1m液位以上刀盤幅臂空擋的混凝土凸起上鉆孔，先鉆腰部部分，再鉆頂部部分。

5.2 布孔形式

鉆孔形式：孔徑42mm，沿凸起部位環(huán)向布置兩排鉆孔，孔間距200mm，排距為1/3柱寬，孔深300mm，里外兩排孔呈梅花形布置。

5.3 鉆孔中塞入膨脹劑進行爆破

配制好膨脹劑，預(yù)先在倉外模擬試驗，將膨脹時間控制在8～10小時。全部鉆孔完成后，將膨脹劑裝入防水條狀塑料袋，之后將裝有膨脹劑的塑料袋，由腰部至上端逐條塞入鉆孔。

6 結(jié)論與建議

1）泥水盾構(gòu)機在切削地下連續(xù)墻的過程中，主要是由于邊緣刮刀形成凹槽，在地下連續(xù)墻上形成凸起，造成盾構(gòu)機其余刀具進行空轉(zhuǎn)，無法向前推進。建議停機檢查刀具并進行更換。

2）刀盤已經(jīng)嵌入地連墻300mm，盾構(gòu)機頂部存在人防工程，且臨近南寧火車站站房，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，采用降水施工加常壓開倉難度較大，且周期較長。建議采用帶壓開倉。

3）凸起混凝土的處理采用鑿除的方法在有限空間內(nèi)操作難度大，建議采用膨脹劑爆破的方式。

4）通過帶壓開倉，在更換邊刮刀的同時，也更換了8把滾刀、2把撕裂刀，按照低扭矩及低轉(zhuǎn)速，慢速掘進。