泥水平衡盾构机刀盘受困处理对策

张虎 于兴国

1中国建筑第八工程局有限公司 江苏 南京 210000 2中铁十六局集团有限公司 北京 100018

0 引言

由于我国幅员辽阔，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、经济地事先盾构脱困，一直是盾构隧道施工研究探讨的重要问题。以轨道交通区间盾构隧道为例，经常发生临近端头加固区发生盾构机刀盘扭矩过大、发生跳停，刀具磨损严重，急需进行换刀作业现象。特别是在地质环境复杂，地下水丰富的区域，给换刀作业带来极大风险，严重影响作业人员的人身安全。黄平华针对泥水平衡盾构机在掘进过程中发生地质突变，刀盘被黏土糊住，通过带压开仓进行清理方式解决。贾璐等人通过理论计算得出盾构脱困所需的最小阻力，并在盾体超前注浆和盾体外注入优质膨润土方式解决盾构机脱困问题。但并没有在周边地下环境复杂的地方脱困的案例，本文针对南宁轨道交通1号线白苍岭站～火车站区间泥水盾构机在临近端头切削地连墙时发生刀盘跳停，掘进速度几乎为零现象，从而造成盾构机被迫停机一个月，着重从设备、地质及地下周边环境和爆破脱困等方面介绍了脱困技术。

1 工程概况

南宁轨道交通1号线白苍岭站～火车站区间长度为1200m，沿途下穿南宁老城区密集老旧建构筑物、南宁铁路14条股道及站房。根据区间地质勘查报告，火车站盾构到达端头地质从上至下为素填土、粉质粘土、粉土、卵石、圆砾、泥岩等地层，隧道断面上部为粉细砂地层，下部为圆砾透水层。地下水主要赋存于圆砾、卵石及砂土层中，属孔隙松散岩类水，水量丰富。

隧道埋深约16m，脱困处顶部存在人防工程，人防工程结构顶板厚度为500mm，覆土厚度1200m，盾构机接收采用钢套筒密闭接收。

盾构机在推进至切口里程ZSK15+555.392，对应刀盘里程ZSK15+556.172（此时盾构机推进802环，油缸伸长量550mm，刀盘刀具已嵌入车站连续墙300mm）处时，刀盘扭矩增大至5MNm，速度为1mm/min以内，连续推进4日，平均每班推进仅为10mm左右。盾构机被迫停机。停机处连续墙设计采用标号C35混凝土，现场实测混凝土为46MPa。连续墙厚1000mm，安装接收钢套筒前将连续墙洞门凿除约300mm，剩余连续墙厚度约700mm靠盾构刀盘磨通，目前盾构刀盘已磨掉300mm，剩余约400mm。连续墙的另外一侧已经安装接收钢套筒，并填满水和砂，进行了密闭实验，均达到设计和规范的要求。平纵面位置见下图：

图1 盾构机刀盘与连续墙位置关系图

2 原因分析

由于该区间存在半数以上里程盾构机穿越区域为泥岩地层，势必对盾构机刀具造成一定的磨损。此前其他标段事先发生类似现象，现场技术人员的根据掘进参数及经验判断，部分刀具磨损严重功能失效，特别是线速度大的周边刀具，决定开仓检查和更换刀具。

3 开仓方案

为检修及更换受损刀具，使盾构机能够顺利出洞接收，综合考虑开仓点掌子面情况、地质条件、地面施工场地限制及工期要求，决定采取开仓检查换刀。

3.1 方案推荐

考虑到盾构机所在位置上方存在人防工程，该人防工程室内净高3.9m顶板厚500mm，底板厚400mm，实际调查过程中揭露地板厚度大于400mm，甚至达到1500mm。给降水井的施工带来很大施工难度，同时降水井周边环境较为复杂，紧邻南宁火车站及多处老旧建构筑物，采用降水施工可能会产生建筑物沉降产生开裂，从而致使施工工期较长。

综合考虑采用带压开仓方案。

3.2 带压开仓风险分析

由于已经嵌入接收端头连续墙300mm，前方掌子面相对比较安全，主要风险位置是前盾切口环与刀盘剩余部分（未嵌入连续墙部分）形成的与外界土体直接接触的环形区域。根据地质资料显示，此位置地层稳定性较差，透水性强，开仓后存在一定的危险。主要风险有如下几点：

1）切口环及刀盘侧面产生涌水涌砂导致土体坍塌风险

2）泥膜护壁失效，造成仓内失压

3.3 开仓风险应对措施

1）采用优质泥浆分批次建立有效的泥膜，并进行保压试验，保压时间符合规范要求，确保盾构机上方土体稳定，不发生涌水涌砂现象。

2）有效的建立泥膜，同时采用无油空压机往仓内输送空气，确保开挖仓气压稳定。

3）在793～799环通过同步注浆系统补充注浆，在盾尾795～799环范围内通过管片注浆孔二次补浆，保证填充密实，确保隧道后方的的水不再流向开挖仓内。

4）人员进入仓内先对刀盘上方环形区域内进行临时封堵，确保掉落的渣土不会直接接触到仓内作业人员身体。

4 刀具检查及换刀

4.1 刀具布置

刀盘刀具由16把单刃滚刀、24把撕裂刀、46把刮刀（含8把边缘刮刀）、16把焊接撕裂刀组成。

4.2 刀具检查

进仓对盾构机刀盘刀具进行了全面的检查发现：刀盘周圈约30cm宽区域内的刀具及刀座磨损严重，刀具更换困难，主要集中在#28～#32滚刀轨迹上。

同时，在此部位的连续墙上形成了半圆柱状环向混凝土凸起，宽约300mm，高约200mm。其中一刮刀具磨损如下图所示：

图2 ：边刮刀磨损情况

图3 刀盘与连续墙平面位置关系图（凸起为混凝土半圆柱）

5 对突起混凝土处理措施

5.1 钻孔

作业人员进入开挖仓后，在不转动刀盘的情况下，采用风钻在-1m液位以上刀盘幅臂空挡的混凝土凸起上钻孔，先钻腰部部分，再钻顶部部分。

5.2 布孔形式

钻孔形式：孔径42mm，沿凸起部位环向布置两排钻孔，孔间距200mm，排距为1/3柱宽，孔深300mm，里外两排孔呈梅花形布置。

5.3 钻孔中塞入膨胀剂进行爆破

配制好膨胀剂，预先在仓外模拟试验，将膨胀时间控制在8～10小时。全部钻孔完成后，将膨胀剂装入防水条状塑料袋，之后将装有膨胀剂的塑料袋，由腰部至上端逐条塞入钻孔。

6 结论与建议

1）泥水盾构机在切削地下连续墙的过程中，主要是由于边缘刮刀形成凹槽，在地下连续墙上形成凸起，造成盾构机其余刀具进行空转，无法向前推进。建议停机检查刀具并进行更换。

2）刀盘已经嵌入地连墙300mm，盾构机顶部存在人防工程，且临近南宁火车站站房，周边环境较为复杂，采用降水施工加常压开仓难度较大，且周期较长。建议采用带压开仓。

3）凸起混凝土的处理采用凿除的方法在有限空间内操作难度大，建议采用膨胀剂爆破的方式。

4）通过带压开仓，在更换边刮刀的同时，也更换了8把滚刀、2把撕裂刀，按照低扭矩及低转速，慢速掘进。