清華園隧道大直徑泥水盾構(gòu)停機(jī)因素與防護(hù)措施分析

盾構(gòu)停機(jī)是盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中常見(jiàn)的現(xiàn)象，現(xiàn)有研究表明長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中影響地表沉降、土體變形、盾殼摩阻力和掌子面失穩(wěn)等問(wèn)題的重要因素之一?；诰埜哞F清華園隧道大直徑泥水平衡盾構(gòu)工程，綜合考慮盾構(gòu)施工各工序時(shí)間，對(duì)盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)停機(jī)時(shí)間的變化規(guī)律和影響因素。最終，提出了選擇合適的停機(jī)位置、保持盾構(gòu)機(jī)與外界接觸部位的防水效果以及保證盾構(gòu)隨時(shí)恢復(fù)掘進(jìn)是停機(jī)防護(hù)的關(guān)鍵措施。

盾構(gòu)隧道施工； 盾構(gòu)停機(jī)； 統(tǒng)計(jì)分析； 停機(jī)防護(hù)

U455.43 A

［定稿日期］2022-07-05

［基金項(xiàng)目］中國(guó)鐵建2018年科技開(kāi)發(fā)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2018-B06）

［作者簡(jiǎn)介］婁瑞（1990—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇笾睆蕉軜?gòu)隧道技術(shù)研發(fā)與管理。

盾構(gòu)法以其對(duì)地層和環(huán)境擾動(dòng)小、自動(dòng)化程度高、施工快捷高效和安全等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用在隧道施工中。而盾構(gòu)停機(jī)是盾構(gòu)隧道施工中的常見(jiàn)現(xiàn)象，并且眾多的研究表明停機(jī)會(huì)對(duì)隧道的沉降控制、掘進(jìn)參數(shù)和施工組織等產(chǎn)生較大的影響。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)停機(jī)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的原因進(jìn)行了研究，朱合華［1］、梁榮柱等［2］分別基于模型試驗(yàn)法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析法研究了土壓平衡盾構(gòu)在粉砂、軟土地層中停機(jī)后土體與盾構(gòu)之間的摩擦力變化規(guī)律，提出盾構(gòu)停機(jī)后動(dòng)態(tài)摩阻力隨時(shí)間逐漸增大，復(fù)推后又會(huì)產(chǎn)生附加摩阻力。孫飛祥等［3］通過(guò)泥水平衡盾構(gòu)的盾殼摩阻力理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，說(shuō)明停機(jī)時(shí)長(zhǎng)是影響其變化特征的因素之一，并且呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間特性。張亞洲等［4-5］基于硬塑性黏土的浸水崩解和軟化試驗(yàn)，闡述了停機(jī)引起地表沉降塌陷的機(jī)制。在停機(jī)與地表沉降關(guān)系的研究中，林存剛等［6］利用理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明停機(jī)時(shí)間對(duì)地面沉降產(chǎn)生了顯著影響，李志軍等［7］在此基礎(chǔ)上，通過(guò)結(jié)合地表與深層沉降規(guī)律分析，進(jìn)一步提出在富水圓礫地層中盾構(gòu)停機(jī)對(duì)前方鄰近深層土體的擾動(dòng)影響更大。郭幪［8］、何彥辰等［9］通過(guò)有限元分析法構(gòu)建逐環(huán)推進(jìn)模型對(duì)盾構(gòu)停機(jī)進(jìn)行模擬，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出新建盾構(gòu)隧道在下穿既有隧道時(shí)的停機(jī)過(guò)程對(duì)周邊地層豎向位移具有明顯附加影響。

但是上述研究主要集中在對(duì)停機(jī)引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)理分析，針對(duì)實(shí)際工程中盾構(gòu)停機(jī)的因素分析和可行性防護(hù)措施總結(jié)較少。本文依托京張高鐵清華園隧道工程，對(duì)盾構(gòu)施工各工序時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究盾構(gòu)停機(jī)影響因素和發(fā)生規(guī)律，總結(jié)工程中有效的停機(jī)防護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似地層條件的大直徑盾構(gòu)工程提供參考。

1 工程概況

京張高鐵清華園隧道位于北京市海淀區(qū)，全長(zhǎng)6 020 m，其中采用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工的區(qū)段長(zhǎng)度為4 448.5 m，采用2臺(tái)12.64 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)。清華園隧道下穿多條重要城市道路、重要市政管線(xiàn)和運(yùn)營(yíng)地鐵線(xiàn)路，沿線(xiàn)地表部分建筑物較為老舊，地面風(fēng)險(xiǎn)源復(fù)雜眾多，累計(jì)穿越3處特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源和80處一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，是當(dāng)時(shí)城市核心區(qū)隧道施工中最復(fù)雜的單洞雙線(xiàn)大直徑盾構(gòu)工程。

2 停機(jī)因素分析

盾構(gòu)停機(jī)情況可分為正常停機(jī)和非正常停機(jī)2類(lèi)。其中由于按施工計(jì)劃進(jìn)行倒班、遵循正常工序的銜接和必要的檢修保養(yǎng)造成的盾構(gòu)停機(jī)屬于正常停機(jī)。而由于施工組織不合理（如渣土運(yùn)輸、管片供應(yīng)和材料供應(yīng)等）、設(shè)備故障和其他不可控的客觀因素（如地質(zhì)因素、政策因素和天氣原因等）造成停機(jī)超過(guò)6 h即認(rèn)為是非正常停機(jī)。

造成盾構(gòu)非正常停機(jī)的因素眾多，其中主要包括事故性停機(jī)、非正常檢修性停機(jī)、政策性停機(jī)、惡劣天氣性停機(jī)等。以清華園隧道為例，闡述和總結(jié)施工過(guò)程中出現(xiàn)的非正常停機(jī)因素和現(xiàn)象：

（1）事故性停機(jī)。清華園隧道2#～1#盾構(gòu)區(qū)間，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)到知春路附近時(shí)（圖1，①），發(fā)現(xiàn)盾尾處底部殼體上拱嚴(yán)重，為了保證施工安全，項(xiàng)目部不得不做出了停機(jī)檢查、解決事故問(wèn)題的決定。

（2）非正常檢修性停機(jī)，是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中最常見(jiàn)的停機(jī)情況之一。清華園隧道盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)計(jì)劃的檢修期限前，由于刀盤(pán)刀具的異常磨損和部分設(shè)備的故障，對(duì)刀盤(pán)刀具檢修、泥漿環(huán)流系統(tǒng)檢修、盾構(gòu)機(jī)檢修等，造成盾構(gòu)機(jī)計(jì)劃外的停機(jī)。

（3）政策性停機(jī)，主要指國(guó)家會(huì)議或重大活動(dòng)期間，實(shí)施的盾構(gòu)停機(jī)活動(dòng)。北京兩會(huì)期間、一帶一路會(huì)議期間、中高考期間、中非合作論壇期間等（圖1，②），清華園隧道項(xiàng)目部配合國(guó)家政策進(jìn)行停機(jī)。

（4）惡劣天氣性停機(jī)，是指因惡劣天氣影響，造成盾構(gòu)機(jī)不能正常掘進(jìn)施工，屬于不可抗因素。清華園隧道接到北京市環(huán)保局發(fā)布在2018年1月13日至1月15日（圖1，③），空氣重污染橙色預(yù)警的應(yīng)急信息，在此期間，不允許建筑垃圾、渣土、砂石運(yùn)輸車(chē)輛路上工作；并且要求暫停室外護(hù)坡噴漿噴涂、建筑拆除、切割、土石方等施工作業(yè)。受此影響，清華園隧道盾構(gòu)段暫停施工。

3 停機(jī)統(tǒng)計(jì)分析

選取2#～1#盾構(gòu)區(qū)間段的0～1 200號(hào)管片環(huán)，結(jié)合開(kāi)挖完成后得到的盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間、拼裝時(shí)間以及總時(shí)間，對(duì)盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間進(jìn)行時(shí)程和頻數(shù)分析，探究其中的變化規(guī)律。

3.1 時(shí)程分析

由圖1可知，停機(jī)時(shí)間在砂卵石地層與黏土地層沒(méi)有明顯的區(qū)別，整體在0～1 500 min內(nèi)變化，波動(dòng)范圍較大，這是與造成停機(jī)的影響因素是有關(guān)的，例如故障停機(jī)、政策性停機(jī)等，這些因素造成的停機(jī)時(shí)間是不可控的、不確定的，所以停機(jī)時(shí)間差異較大。

圖2顯示當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)264環(huán)附近后，每環(huán)停機(jī)時(shí)間較其它區(qū)段變長(zhǎng)，這是因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)至知春路地鐵站，需要下穿知春路地鐵站及知春路，同時(shí)施工隧道與地鐵12號(hào)線(xiàn)暗挖區(qū)間隧道凈距為5.43 m，因此盾構(gòu)掘進(jìn)速度趨緩，地層擾動(dòng)控制要求高，需要適當(dāng)停機(jī)檢查各項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)指標(biāo)，嚴(yán)格控制施工參數(shù)，針對(duì)盾構(gòu)停機(jī)制定完備的計(jì)劃，減少對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)造成的不利影響。

3.2 頻數(shù)分析

將圖1中的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制相應(yīng)的頻數(shù)分布如圖3所示。盾構(gòu)每環(huán)停機(jī)時(shí)間采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布進(jìn)行擬合，效果較好，說(shuō)明停機(jī)的產(chǎn)生因素不確定性較大。

盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)總時(shí)間包括每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間、拼裝時(shí)間以及停機(jī)時(shí)間，其分布范圍也比較廣（圖4），這在很大程度上是由于拼裝時(shí)間和停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)造成的。圖5顯示盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間占盾構(gòu)掘進(jìn)總時(shí)間的43%，而由于盾構(gòu)的掘進(jìn)和拼裝工序受到施工參數(shù)等多方面影響［10］，與施工質(zhì)量密切相關(guān)，因此在施工效率控制上可通過(guò)優(yōu)化盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間。

利用頻數(shù)分布的規(guī)律，可以科學(xué)合理地給盾構(gòu)每環(huán)停機(jī)時(shí)間的均值和分布范圍，用以輔助施工安排，控制施工進(jìn)度。

4 防護(hù)措施

為了減小多次、持續(xù)的盾構(gòu)停機(jī)對(duì)密封漏漿、地表沉降和后續(xù)復(fù)推的影響，保證盾構(gòu)機(jī)在停機(jī)過(guò)程中功能的完整性和狀態(tài)的可恢復(fù)性，需要制定完備的停機(jī)處置方案，關(guān)鍵在于：盾構(gòu)停機(jī)地層具有良好的承載能力、圍巖穩(wěn)定不易發(fā)生坍塌，以及密封處理長(zhǎng)期有效［11］。

4.1 停機(jī)位置的確定

選擇合適的停機(jī)位置，有利于盾構(gòu)機(jī)自身以及周邊地表的穩(wěn)定，主要考慮的指標(biāo)為安全距離與安全地層。

設(shè)定合適的距離時(shí)主要考慮盾構(gòu)、隧道尺寸和地表構(gòu)筑物。研究表明，大直徑盾構(gòu)停機(jī)對(duì)地表沉降具有明顯影響的范圍比正常掘進(jìn)時(shí)廣，大約在5倍盾構(gòu)直徑左右。同時(shí)，盾構(gòu)停機(jī)對(duì)地表建構(gòu)筑物的影響隨著隧道埋深的減小而增大，相應(yīng)的要求越嚴(yán)格［12］。

合適的地層應(yīng)當(dāng)具備較大的承載能力。此工程主要穿越的地層有砂卵石地層、粉質(zhì)黏土層和粉細(xì)砂層，在每一個(gè)停機(jī)階段均根據(jù)這幾種地層的承載能力和透水系數(shù)綜合比較。

4.2 盾體與周邊環(huán)境接觸部位的防水措施

4.2.1 鉸接密封處的防水防砂措施

為保證鉸接部位的密封性，不發(fā)生漏水漏砂，在停機(jī)前需要將鉸接千斤頂回縮收回，使得盾體與鉸接之間緊密接觸后，及時(shí)注入潤(rùn)滑油脂填充鉸接縫隙，使得鉸接腔中充滿(mǎn)黃油，并且具有一定的壓力。

4.2.2 盾尾縫隙封堵措施

利用防水嵌縫材料對(duì)停機(jī)前后最后一環(huán)管片與盾尾之間的間隙進(jìn)行封堵，填滿(mǎn)盾尾間隙與盾尾整圈的所有縫隙，能夠有效地防止地層中的水、砂滲入盾體。在填塞的過(guò)程中，避免回縮油缸，防止管片下沉。同時(shí)可以利用聚氨酯封堵對(duì)盾尾縫隙發(fā)生滲漏水的部位進(jìn)行補(bǔ)救。

4.2.3 主軸承密封部位的防水防砂措施

在主軸承密封式盾構(gòu)機(jī)中，其主軸承密封部位是指泥水倉(cāng)內(nèi)泥漿與用于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的主軸承之間的封閉面。通過(guò)該臨界面，顆粒雜質(zhì)容易進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)的主軸承中，從而對(duì)軸承齒輪油造成污染，降低使用期限。因此，需要加注EPI油脂對(duì)主軸承密封處進(jìn)行進(jìn)一步密封，同時(shí)為防止泥砂突破油脂進(jìn)入主軸承內(nèi)，在加注油脂時(shí)注入壓力應(yīng)高于泥水倉(cāng)中的泥水壓力。

4.3 盾構(gòu)機(jī)復(fù)推的安全保障措施

停機(jī)過(guò)程中應(yīng)防止設(shè)備故障、管路系統(tǒng)堵塞等問(wèn)題對(duì)盾構(gòu)正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，使盾構(gòu)機(jī)能夠隨時(shí)恢復(fù)掘進(jìn)，需要做好對(duì)設(shè)備的定期檢查和維修保養(yǎng)。

4.3.1 防止刀盤(pán)及環(huán)流系統(tǒng)堵塞的措施

長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)會(huì)引起土體性質(zhì)發(fā)生改變，主要體現(xiàn)在：刀盤(pán)內(nèi)外部的土體，由于產(chǎn)生塑性變形，逐漸地連接在一起形成一塊完整的土體，造成刀盤(pán)處堵塞；在刀盤(pán)與環(huán)流系統(tǒng)腔體中的渣土泥漿，隨時(shí)水分的蒸發(fā)，整體逐漸喪失流塑性，在盾構(gòu)復(fù)推時(shí)引起扭矩增加，阻礙正常啟動(dòng)。

具體解決措施：從即將停機(jī)前環(huán)開(kāi)始，排出土倉(cāng)內(nèi)的渣土，并同步倒入高濃度膨潤(rùn)土，能夠減少刀盤(pán)與環(huán)流系統(tǒng)中渣土的水分流失，使渣土保持良好的流塑狀態(tài)。并且定期利用刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刀盤(pán)的攪拌棒對(duì)土體進(jìn)行攪拌，阻止刀盤(pán)內(nèi)外土體連接成整體。

4.3.2 防止土體粘附盾構(gòu)機(jī)的措施

在盾構(gòu)停止掘進(jìn)后，及時(shí)通過(guò)中盾周?chē)鷱较蜃{孔向盾體周?chē)⑷霛馀驖?rùn)土漿液，能夠有效防止盾外黏土固結(jié)在盾體上，并且能夠?qū)Φ侗P(pán)超挖空隙起到填充作用，具有盾體周?chē)顾涂刂贫荏w沉降的多重效果。

4.3.3 防止同步注漿管路堵塞措施

在盾構(gòu)接近停機(jī)位置附近時(shí)，用高濃度膨潤(rùn)土漿液代替同步注漿漿液，防止盾體被漿液整體或者局部包裹。同時(shí)為防止?jié){液反流至盾體和同步注漿管路中，導(dǎo)致尾被堵塞，應(yīng)提高注入壓力，將漿液填滿(mǎn)盾尾和注漿管路。

5 總結(jié)

本文通過(guò)總結(jié)清華園隧道大直徑泥水盾構(gòu)工程停機(jī)情況和防護(hù)措施，對(duì)停機(jī)關(guān)鍵時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究其變化規(guī)律，得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間具有不確定性，需要結(jié)合各風(fēng)險(xiǎn)源、節(jié)假日、季節(jié)和國(guó)家政策等因素，提前制定完備的停機(jī)處置方案，減小停機(jī)的影響。

（2）在頻數(shù)分析中，盾構(gòu)每環(huán)停機(jī)時(shí)間符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布，盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間是盾構(gòu)施工總時(shí)間的重要組成部分，有較大的優(yōu)化空間。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可以得到各工序時(shí)間的分布范圍，用以指導(dǎo)施工組織安排，控制隧道施工進(jìn)度。

（3）為了保證盾構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后能夠正?；謴?fù)掘進(jìn)，并且減少對(duì)正常掘進(jìn)的影響，可采取的防護(hù)措施包括：確定合適的停機(jī)位置、加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)與外部接觸部位的防水處理和確保盾構(gòu)機(jī)能夠正常啟動(dòng)等。

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