旋喷桩技术在郑州地铁盾构脱困中的新应用

刘 凯，王玉祥，陈 霞

(1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001;2.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000)

0 引言

盾构隧道施工进入国内多年，并在21世纪初得到广泛应用，但由于我国幅原辽阔，地质情况复杂多变，盾构受困问题始终伴随着盾构施工，如何快速、安全、经济地实现盾构脱困，一直是盾构隧道施工研究探讨的重要问题。林存刚等［1］以杭州沿江大道运河隧道工程泥水盾构在粉砂地层掘进为例，介绍了因刀盘被砂土附着束缚而无法转动，盾构被迫停机15 d，采取在刀盘前方土体地面开槽，通过高压喷射水流切割刀盘束缚的砂土使其脱落，以消除附着砂土产生的附加扭矩，从而使刀盘脱困。杜闯东等［2］以广州5号线某区间盾构工程为例，介绍了采用水平压密注浆加固技术实现盾构安全脱困。李辉等［3］以重庆6号线盾构工程为例，介绍了爆破法盾构脱困技术。赵毅［4］以引红济石输水工程为例，介绍了双护盾TBM超前化学灌浆脱困施工技术。宋晓业［5］以沈阳地铁1号线盾构区间工程为例，介绍了采用旋喷桩对刀盘周边加固，然后进行开舱实现脱困。文献［6－12］分别介绍了砂卵层袖阀管注浆盾构脱困技术，刀盘改造与渣土改良脱困技术，爆破卡盾壳脱困技术，启用超挖刀并增加辅助油缸脱困技术，带压换刀脱困技术等。上述研究均未涉及采用惰性浆液旋喷桩技术对地层进行改良，对膨润土旋喷桩用于盾构脱困的更是未提及。

本文以郑州地铁2号线北环路站—东风路站区间，右线隧道在富水粉细砂层掘进施工时，因长时间停机，出现盾构刀盘被砂土沉积附着造成刀盘被卡受困为实例，提出在地面上通过将旋喷桩浆液调整为惰性膨润土浆，采用地面非开挖方式，用高压浆切割刀盘束缚的砂土的同时，填充改良周边地层减缓粉细砂沉积速度，使盾构刀盘附着的沉积砂土与膨润土浆液混合，增大砂粒间孔隙，减小周边地层对刀盘的束缚力，从而使盾构刀盘脱困。

1 工程概况

北环路站—东风路站区间盾构依次穿越东风路下穿隧道(规划中)、东风渠、侧穿东风渠桥桩、河南省水利学校1#和3#学生公寓以及汽车北站过街天桥，到达北环路站，拆机、吊出。区间线路全长825.27双线延米(YDK14+135.100 ～ +960.370)，设3组平面曲线，半径为1 200、800、1 000 m，线间距为13～15.5 m，线路纵坡设计为“V”型坡度，最大坡度为28‰，最小坡度为2‰，区间最大埋深为19 m，最小埋深为10 m。本区间掘进施工采用中铁X号土压平衡盾构，刀盘直径为6 280 mm，盾壳直径为6 250 mm，额定扭矩为4 377 kN·m，脱困扭矩为5 225 kN·m，最大推力为31 650 kN，铰接采用主动式铰接，总拉力为7 340 kN。

本区间隧道主要穿越〈4－3〉细砂层，局部〈3－1〉粉土层及〈4－1〉粉土层，粉土、粉质黏土、粉砂层，稳定性差;第四系冲积至洪积砂层及粉土层为主要潜水含水层，富水程度中等。水位埋深为3.5～7.8 m。盾构区间车站端地质纵断面如图1所示。

2 盾构受困经过与原因分析

2.1 盾构受困经过

2014年4月4日进行北环路站—东风路站区间右线盾构始发。4月6日，盾构在安装完成第+3环(刀盘已出端头加固区1.5 m)管片后，停机注浆封堵洞门，停机注浆共12 h。完成洞门封堵注浆后，4月7日5:30恢复掘进，发现刀盘被卡无法转动，随后启动脱困扭矩，但仍无法脱困。立即组织相关人员讨论，结合以往经验及现场盾构实际情况制定出以下方案:首先采取螺旋输送机出渣降低土舱压力，并用脱困扭矩连续正反转摆动刀盘，摆动幅度始终在1°以内，无法增大刀盘摆动幅度;后又尝试在土舱注入膨润土置换出渣，并通过膨润土孔在刀盘前方压入膨润土，同时用脱困扭矩连续正反转摆动刀盘，始终无法脱困。通过长时间多次尝试，依靠盾构自身仍无法脱困，必须采取其他辅助措施进行脱困。

图1 盾构区间车站端地质纵断面图(单位:m)Fig.1 Geological profile of running tunnel close to Metro station(m)

2.2 受困原因分析

2.2.1 刀盘前方出现异物卡刀刀盘前方出现异物卡刀盘，是盾构掘进受困常见原因。针对本次情况，通过查询掘进记录，停机前刀盘转速与扭矩正常，停机期间间歇转动刀盘3次，刀盘转动正常，可排除刀盘前方出现异物卡刀。

2.2.2 土舱窜入浆液固结刀盘盾构始发掘进，盾壳全部进入土体后，区间管片尚有2环在盾壳内，需掘至第3环时，第1环管片才脱出盾壳与周边土体接触，此时要停机注浆，对管片与洞门及周边土体进行封堵与填充，才能保证后续掘进正常保压。在停机注浆期间，有部分浆液窜入土舱将刀盘固结，存在极大可能性。通过查询掘进记录，注浆压力控制在0.3 MPa内，且注浆期间土舱与刀盘前土压未出现增高现象;停机前刀盘转速与扭矩正常，停机期间间歇转动刀盘3次，刀盘转动正常;采取螺旋输送机出渣降低土舱压力时，渣样未见有浆体固结土块。因此，判定土舱窜入浆液固结刀盘卡刀可能性较小。

2.2.3 刀盘周边砂层沉积固结束缚刀盘从地质勘查资料地质纵断面图可以看到，卡刀处刀盘中部以下全部位于〈4－3〉细砂层，掘进时刀盘前方会连续加入水、泡沫、膨润土等渣土改良材料，刀盘转动对砂层进行搅拌，砂层处于运动状态，大大增加砂层的孔隙率，砂层较为疏松，对刀盘的束缚力较小。停机注浆期间，刀盘处于间歇性转动状态，且渣土改良材料加入量也较少，砂层较长时间处于静止状态，逐渐失水沉积固结在刀盘周边，随着时间增加沉积量加大，砂层孔隙率逐渐减小，地层对刀盘的束缚力逐渐增大，最终导致刀盘启动所受约束力总和大于盾构设计脱困扭矩，盾构刀盘卡刀无法正常转动。

综合以上因素，最终可以判定:盾构刀盘周边砂层沉积固结加大了刀盘束缚力，这是盾构受困卡刀的最主要因素。

3 盾构脱困方案

由上述分析可知，要使盾构脱困，必须采取措施减小盾构刀盘周边砂层对刀盘的束缚力。按照常规方法需人工清舱及人工清除刀盘周边附着砂土，常见的可选择方案有:带压进舱人工清除、在刀盘前方开槽或施作竖井开挖清除等。以上常规方案成功案例与成熟经验较多，但施工工期均需15 d以上，且施工费用高，并存在较大的安全风险。而该区间须在6月底前完成，工期紧张，常规方案无法满足。

3.1 方案确定

常规方案无法满足工期需要，必须采用一种地面非开挖方案实现盾构脱困。通过查找国内相关工程案例，各方咨询，最终制定出如下方案:在刀盘前方打孔，然后通过旋喷机下钻，喷射高压膨润土浆液，切割刀盘束缚的砂土的同时，使膨润土浆液对砂层(土体)进行置换与融合，减缓粉细砂沉积速度，使盾构刀盘附着的沉积砂土形成悬浮状态，增大砂粒间孔隙，从而使盾构刀盘脱困。

3.2 孔位布置

三管旋喷桩，成桩桩径可达0.8～1.0 m，盾构刀盘直径6 280 mm，在刀盘前40～50 cm处，沿刀盘横断面布置6个孔位，中间中心刀处(该刀伸出刀盘面板0.45 m)注意实测位置，避免引孔时钻到刀盘。在中心刀两侧各布3个孔，中心刀两侧两孔间距为1.5 m，其余孔间距为1.0 m。膨润土施喷孔位布置示意如图2所示。

3.3 浆液配置

膨润土制备严格按照配合比进行，每m3膨润土浆液内，膨润土∶水∶CMC∶纯碱(质量比)=200∶900∶1∶2，制备完成的膨润土需不间断通气并膨化12 h以上，使浆液充分膨化。

3.4 膨润土浆液旋喷

实际测算刀盘位置，按照布孔方案在地面放样孔位，钻机就位成孔，钻孔深度至刀盘最底部50～80 cm为宜，钻进到位后开始提升喷射膨化后膨润土浆液，提升速度为10～12 cm为宜，喷射至刀盘顶部50～80 cm即可。施工时应跳孔施工，一序施工完成后，开始进行试摆刀盘脱困，边二序施工边摆刀盘，可在最短时间内脱困。实际施工按图2编号顺序(即1#—6#)进行跳孔施工，在施工完成第4孔(即4#)膨润土旋喷后，启动脱困扭矩顺利脱困，刀盘恢复转动。2014年4月9日，北环路站—东风路站区间右线盾构开始恢复掘进。膨润土旋喷桩地面非开挖盾构脱困技术，在本案例中得到成功实施印证。

图2 膨润土旋喷孔位布置示意图Fig.2 Layout of jet grouting holes

3.5 后期地面沉降情况

根据2—9环地表监测情况，盾构通过后最终最大沉降为 －7.17 mm，最大日沉降为 －4.73 mm，该工艺对盾构后期掘进施工安全影响较小。

3.6 经济分析

在该案例中，盾构脱困历时2 d，共施工4根膨润土旋喷桩，钻孔17×4=68 m，实桩8×4=32 m，按目前市场旋喷桩价格，空桩50元/m，实桩300元/m，本次脱困所需费用为50元/m×(68－32)m+300元/m ×32 m=11 400元。与常规方案相比，不算常规方案实施的直接费用，仅因其工期长带来的间接成本(若按工期15 d，正常盾构项目日常工费、设备、水电等正常维持费用 2万元/日来计算，15日 ×2万元/日=30万元)，就远高于本方案。膨润土旋喷桩地面非开挖盾构脱困技术，存在良好的经济效益。

4 结论与建议

盾构在施工过程中，存在较多不确定因素造成非正常停机，若不能及时修复掘进，在富水砂层中长时间停机，极易造成盾构刀盘(甚至是盾体)被砂土沉积附着被困。结合本案例，可以看出膨润土旋喷桩盾构脱困技术，可通过地面非开挖方式，有效快速解决富水砂层盾构脱困问题，具备较好的实用性，且功效快、安全性高、经济性好，该技术可在今后的富水砂层盾构、大型顶管施工中进行推广验证。该技术在施工中存在以下问题:1)旋喷桩施工设备用电负荷较大，距项目较远时，施工用电较为困难;2)在市内道路、绿化等非项目场地施工时，文明施工难度大，必须做好防浆液窜冒措施;3)施工前应对引孔区域地下管线进行充分调查，避免造成损坏，在喷浆过程要对周边特别是雨水、污水、强弱电井排管进行巡查，防止高压浆涌入造成堵塞、污染破坏。

在富水砂层盾构施工中，应在刀盘前加入足够的膨润土、泡沫剂等渣土改良材料，且要保证不超过40 min转动刀盘一次，必要时盾壳四周也需注入膨润土，这样可有效防止盾构被困。

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