淺談一種盾構(gòu)殼體被凝固漿液包裹的脫困方法

魏兵超

（北京安捷工程咨詢有限公司，北京 100037）

在現(xiàn)代城市軌道交通隧道施工中，盾構(gòu)施工工法應(yīng)用廣泛，但是盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，往往由于不良地質(zhì)、不當(dāng)操作、機(jī)械故障等原因造咸盾構(gòu)機(jī)被困甚至姿態(tài)嚴(yán)重超限而被迫停工，因此，正確的分析和處理是盾構(gòu)順利推進(jìn)的關(guān)鍵。目前，土壓平衡盾構(gòu)脫困技術(shù)的研究主要集中在硬巖地質(zhì)、土體加固段及富水砂層等特殊地質(zhì)，如黃平華通過工程實(shí)例分析了盾構(gòu)被困的常見原因并總結(jié)了相應(yīng)的脫困措施；賈璐等以具體工程項(xiàng)目為對(duì)象，分析了刀盤、前盾、中盾的被困因素，提出了在具體項(xiàng)目部條件下依靠盾構(gòu)自身脫困的技術(shù)措施；李文峰、商嘯旻、王良等對(duì)盾構(gòu)穿越含大粒徑漂石的富水卵漂石時(shí)被困的情況對(duì)盾構(gòu)參數(shù)和地層狀況進(jìn)行分析，通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整和對(duì)刀盤、刀具的布置及掌子面進(jìn)行特殊技術(shù)處理，達(dá)到脫困的目的。但是上述研究大部分是通過盾構(gòu)機(jī)自身的調(diào)整和洞內(nèi)處理措施即可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)脫困，對(duì)于該兩項(xiàng)措施收效不明顯的處理措施的研究則相對(duì)偏少。

1 工程概況

合肥地鐵5 號(hào)線北一環(huán)路→～蒙城路→區(qū)間線路左線隧道長度為837.054m(含短鏈6.925m)。最小平面轉(zhuǎn)彎半徑R-2000m 曲線，線路為單向坡，最大縱坡20‰，隧道頂覆土深度17.5～27m。區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

盾構(gòu)機(jī)被困停機(jī)點(diǎn)地質(zhì)情況：左線盾構(gòu)被困停機(jī)位置地質(zhì)從地面至隧道頂部依次為：1.8m 厚的雜填土層，5.2m 厚粘土層，3.5m 厚粉質(zhì)粘土層，7m 厚粉質(zhì)粘土層，1.4m 厚全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖層該層未擊穿。

圖1 盾構(gòu)停機(jī)位置地質(zhì)圖

2 盾構(gòu)被困過程

2.1 盾構(gòu)被困過程參數(shù)及姿態(tài)異常情況

北一環(huán)路→～蒙城路→區(qū)間左線前期盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)正常，姿態(tài)偏差等在規(guī)范和設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，但是在后續(xù)施工中由于渣土外運(yùn)困難、機(jī)械設(shè)備故障等問題，導(dǎo)致盾構(gòu)施工經(jīng)常出現(xiàn)停機(jī)情況，造成施工不連續(xù)，加上注漿等原因，逐步出現(xiàn)盾構(gòu)施工參數(shù)異常、姿態(tài)難以調(diào)整等情況，具體如表1-2 所示。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)異常情況表

表2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)姿態(tài)偏差表

2.2 盾構(gòu)被困情況探查及原因分析

經(jīng)過盾構(gòu)施工現(xiàn)場實(shí)際情況及各項(xiàng)參數(shù)異常情況，判斷盾構(gòu)可以被凝固漿液包裹，造成盾構(gòu)機(jī)被困，但具體被困的程度和部位仍需要實(shí)際探查驗(yàn)證，探查過程及結(jié)果如下：

利用中盾上的徑向孔進(jìn)行外部探查，在2 點(diǎn)位插入鋼筋發(fā)現(xiàn)疑似漿液包裹情況；在盾尾1 點(diǎn)，9 點(diǎn)，3 點(diǎn)位置開孔探查，開孔尺寸為10cm，在外部掏出部分漿液凝結(jié)塊；地面在前盾和盾尾位置進(jìn)行地勘鉆孔，在盾尾位置取芯底部有同步注漿漿液；利用高壓水槍和液壓油在開孔位置向外進(jìn)行沖洗和加壓，高壓水槍沖洗效果不佳，液壓油打入后在10MPa 壓力以下就從其余開孔位置流出。

圖2 盾尾位置開孔探查漿液凝結(jié)塊情況

圖3 盾尾底部位置取芯存在同步注漿漿液

通過探查及掘進(jìn)過程資料分析，得出如下結(jié)論：前期掘進(jìn)過程中為了控制地面沉降，在84 環(huán)開始加大了同步注漿量，綜合分析判斷盾體和盾尾被漿液包裹，88 環(huán)掘進(jìn)后停機(jī)3 天，89 環(huán)掘進(jìn)停機(jī)兩天，漿液已經(jīng)凝結(jié)形成漿塊包裹盾體。

3 洞內(nèi)盾構(gòu)脫困措施

根據(jù)探查和分析結(jié)果，針對(duì)目前盾構(gòu)機(jī)被困情況，決定優(yōu)先采用洞內(nèi)處理措施，以期達(dá)到脫困和糾偏的目的。

3.1 洞內(nèi)處理具體措施

3.1.1 增加后部配重，在螺機(jī)位置增加兩塊管片配重，拼裝機(jī)抓舉一塊管片，雙軌梁吊一塊管片，在螺機(jī)位置焊接支座，用50t 機(jī)械千斤頂向上頂住管片，對(duì)螺機(jī)形成向下壓力，隨盾構(gòu)推進(jìn)更換位置保持壓力。

3.1.2 將3，9 點(diǎn)位鉸接更換為定制鋼板，3/9 點(diǎn)位及5/7 點(diǎn)位各增加1 組200t 輔助油缸頂伸鉸接支座，分擔(dān)盾尾包裹力。

3.1.3 維修推進(jìn)油缸內(nèi)泄情況精確控制上下油壓差，下部油壓控制在330bar，上部油壓減至最小，左右油壓在300bar 左右，使得總推力達(dá)到3000t，上下油壓達(dá)到280bar 左右。

3.1.4 繼續(xù)采用其他輔助措施，如增加輔助油缸、將2點(diǎn)和10 點(diǎn)位置鉸接拆除更換為定制鋼板鎖死，將3 點(diǎn)和9 點(diǎn)位置的鋼板螺栓孔加長提供鉸接活動(dòng)區(qū)間，將下部鉸接拉長，推進(jìn)過程中減少上部4 根油等，但總體效果不明顯，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)偏差始終無法調(diào)整，盾構(gòu)無法擺脫被困情況。

3.2 洞內(nèi)處理措施實(shí)施效果分析

在采取上述措施后，并未達(dá)到原計(jì)劃的目的，盾構(gòu)機(jī)始終處于被漿液包裹被困的狀態(tài)，進(jìn)一步探查采取洞內(nèi)處理措施后盾構(gòu)被凝固漿液包括的情況：繼續(xù)在盾尾右上采用氣刨槍開200mm×400mm 的方形孔進(jìn)行外部漿塊探查和清理，清理出的漿塊情況如圖4 所示。

圖4 盾尾右上方形孔清理出的漿塊情況

4 鋼板樁地面振動(dòng)脫困措施

通過前述分析與探查，盾尾外部尤其是上部10 點(diǎn)至2 點(diǎn)位置漿液包裹嚴(yán)重，清除20cm 仍未發(fā)現(xiàn)漿液和土體的滑移面，并且目前采取洞內(nèi)措施不能進(jìn)行盾構(gòu)糾偏，判定盾體尤其是中盾上也存在大量的漿液包裹體。在洞內(nèi)采取多種措施嘗試無效后，經(jīng)專家咨詢研究，決定對(duì)左線盾構(gòu)脫困采取振錘振動(dòng)脫困，采用打樁機(jī)夾住Ⅳ新拉森鋼板樁振動(dòng)筒體，疏松筒體外的砂漿結(jié)塊及土體，以達(dá)到盾構(gòu)機(jī)脫困目的。并采取相應(yīng)的輔助措施，確保盾構(gòu)和管片的安全。

4.1 主要施工工藝流程

測量定位→路面破除探挖管線→確定振動(dòng)位置→引孔確定標(biāo)高→徑向孔注惰性漿→鋼板樁下沉、振動(dòng)（完成后提起5～10cm）→盾構(gòu)機(jī)往前推（約10cm）→鋼板樁下沉、振動(dòng)（完成后提起5～10cm）→循環(huán)至盾尾脫出。（精確測量振動(dòng)需避開鉸接位置，鉸接前后共1.4m 范圍內(nèi)嚴(yán)禁振動(dòng)）。

4.2 鋼板樁振動(dòng)方法及順序

因鋼板樁直接打設(shè)至盾構(gòu)殼體位置處，且需要和盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)施工相匹配，所以其振動(dòng)方法和順序必須精確，以防損壞盾構(gòu)殼體或起不到振動(dòng)破碎凝固漿液的目的。(圖5)鋼板樁振動(dòng)：所有鋼板樁插入完成后先按照盾尾至中盾至前盾從后到前，單排先中間后兩側(cè)的順序每個(gè)孔振動(dòng)20 秒，振動(dòng)前先將記號(hào)筆固定在液壓振動(dòng)錘彈簧位置，通過振動(dòng)在白紙上記錄振幅，振動(dòng)原則為振動(dòng)11 點(diǎn)和1 點(diǎn)范圍內(nèi)位置孔位將鋼板樁底部放在盾體上振動(dòng)，振動(dòng)11 點(diǎn)和1 點(diǎn)更外側(cè)點(diǎn)位孔位時(shí)，打樁機(jī)向下加力振動(dòng)使得鋼板樁沿盾體向外側(cè)滑動(dòng)清除盾體包裹砂漿體，按照每10cm 一個(gè)循環(huán)以上述振動(dòng)順序和振動(dòng)方式對(duì)所有孔位鋼板樁進(jìn)行循環(huán)振動(dòng)清除所有盾體包裹砂漿。具體如下：

圖5 鋼板樁位置布置圖

4.2.1 振動(dòng)順序

整體施工順序?yàn)椋赫駝?dòng)一個(gè)循環(huán)-推進(jìn)10cm（掘進(jìn)中1-2/3-4/11-12/13-14 鋼板樁振動(dòng)）-停機(jī)振動(dòng)第二個(gè)循環(huán)-推進(jìn)10cm（掘進(jìn)中1-2/3-4/11-12/13-14 鋼板樁振動(dòng)）.....

尾盾：1-2；

中盾：3-4-5-6-7-8-9-10；

前盾：13-14-15-16-17。

圖6 地面鋼板樁振動(dòng)現(xiàn)場實(shí)圖

4.2.2 振動(dòng)方法

打設(shè)的鋼板樁在掘進(jìn)過程中循環(huán)振動(dòng)，具體方法如下：

（1）鋼板樁振動(dòng)打入近盾殼頂——停止；（2）鋼板樁打入弱振動(dòng)打入20 秒或20-50cm（見逐根打入深度表）——拔出高于盾體3cm；（3）盾構(gòu)掘進(jìn)10cm——打入并弱振動(dòng)20 秒或20-80cm（深度控制）——拔出高于盾體3cm（見逐根打入深度表）；（4）盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)0.4m（13-17號(hào)樁抵近鉸接位置40cm）——拔出高于盾體3cm——弱振動(dòng)20 秒——盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)0.8m；（5）盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)1.8m（11-12 號(hào)樁抵近盾尾刷鋼環(huán)位置）——拔出3cm——停打弱振動(dòng)20 秒——盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)——盾尾通過拔出；（6）盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)3.3m（3-19 號(hào)樁抵近盾尾刷鋼環(huán)位置）——8-15 號(hào)樁拔出3cm——停打弱振動(dòng)20 秒——盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)——盾尾通過拔出；（7）盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)3.98m（1-2 號(hào)樁抵近鉸接位置40cm）——19-28 號(hào)樁拔出3cm——停打弱振動(dòng)20 秒——盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)0.8m；（8）盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)6.89m（1-2 號(hào)樁抵近盾尾刷鋼環(huán)位置）——1-2 號(hào)樁拔出3cm——盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)——盾尾通過拔出。

5 脫困后主要糾偏措施

5.1 盾構(gòu)機(jī)操作人員須嚴(yán)格執(zhí)行指令，謹(jǐn)慎操作，務(wù)必做到勤量測、勤糾偏以及小糾偏，盾構(gòu)機(jī)一次糾偏量不宜過大，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)。垂直方向單環(huán)糾偏量控制在6mm 以內(nèi)，防止糾偏過急影響，造成管片大面積破損甚至后期運(yùn)營線路調(diào)整。

5.2 盾構(gòu)機(jī)脫困后，合理確定盾構(gòu)超越期間各項(xiàng)施工參數(shù)，過程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和各項(xiàng)參數(shù)，保證盾構(gòu)平穩(wěn)掘進(jìn)。

5.3 取消盾構(gòu)機(jī)輔助油頂及鋼板鉸接，保證盾構(gòu)尾靈活，為盾構(gòu)糾偏提供保障。

6 結(jié)論

在本案例中，由于盾構(gòu)停機(jī)和注漿等原因?qū)е職んw被凝固漿液裹住直至困死，在僅依靠盾構(gòu)機(jī)的調(diào)整和洞內(nèi)處理措施收效不是很明顯的情況下，可采取鋼板樁地面振動(dòng)使盾構(gòu)機(jī)周圍包裹的凝固漿液破碎，并隨著振動(dòng)和盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)順利脫離盾構(gòu)表面，盾構(gòu)脫困后按措施糾偏即可。盾構(gòu)法隧道施工給城市軌道交通建設(shè)帶來了極大的便利，但是由于盾構(gòu)施工是在殼體的保護(hù)下進(jìn)行的且注漿作為其中一項(xiàng)重要的施工工序，因此漿液包裹殼體的情況時(shí)有發(fā)生，必須重視參數(shù)和姿態(tài)的變化，通過各項(xiàng)掘進(jìn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，實(shí)地的探查，查找漿液包裹的程度和部位，采用合理的措施及時(shí)予以處理。在本案例中尤其是地面鋼板樁振動(dòng)的措施，地層適應(yīng)范圍較廣，在以后其他類似盾構(gòu)被困事故的解決中具有良好的借鑒和推廣意義。