土压平衡盾构穿越全断面无水砂层施工技术

吕和祥

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南 洛阳471000）

1 引言

近年来，盾构施工技术快速发展，很多学者对土压平衡盾构在砂层中的施工技术进行研究。本文在已有研究的基础上，通过工程实例分析土压平衡盾构机在全断面砂层中施工的渣土改良技术及刀盘脱困技术。

2 工程概况

石家庄地铁3 号线二期2 标段包含2 个盾构区间，盾构段总长2 019.4m。区间线路主要下穿售楼部、雨污水等市政管线、机械加工厂厂房。区间穿越的地层主要为中砂、细沙，局部为粉质黏土及含卵砾石的粗砂，地下水水位较低，均在隧道底板以下。

3 渣土改良技术

渣土改良对土压平衡盾构机在全断面砂层中的掘进非常重要，且是一个比较复杂的综合技术问题。渣土改良就是向刀盘前方注入泡沫剂、膨润土、高分子聚合物等添加剂，使渣土具有良好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩擦力。

3.1 掘进中遇到的问题

本项目中，在无水砂层中掘进时，渣土改良不好经常会出现以下问题：（1）干砂层推进刀盘扭矩特别大，平均在2 400kN·m，出土速度慢,且渣土密度较小。推进速度慢，推进压力低，出土量不好控制，地面沉降量大。（2）黏土含量较少的地层段扭矩较大,此地层土仓中渣少用气保不住压，土仓渣多扭矩大，停机时间长时，会导致水分流失较快，流塑性不好，容易沉渣卡刀盘，特别是卡搅拌棒，由于水分流失快，干土也容易形成土拱。

3.2 全断面砂层渣土改良方案

该区间前260 环主要采用的是泡沫剂进行渣土改良，随着断面内砂层范围的增大，渣土改良效果越来越差，刀盘扭矩增大、掘进速度降低，由原来的平均40mm/min 降低到15mm/min、土压保不上去、出土量加大、地面沉降量也逐渐增大。在全断面砂层中仅用泡沫剂进行渣土改良，很难建立掘进土压力，很难控制掘进参数，对成型隧道及地面建筑影响较大。该区间260环之后采用的是泡沫剂+化学浆液（桩博士）进行渣土改良，改良参数如下：（1）泡沫剂，进口砂性专用泡沫剂。泡沫剂的气泡发泡倍率约为16 倍，原液注入量约40L，气泡的注入率约为30%（与渣土的体积比）。（2）化学浆液（桩博士）。化学浆液配合比桩博士∶水=1∶1 000（质量比），pH 为10，马氏漏斗检测黏度为55s，注入率15%（与渣土体积比）。

3.3 渣土改良效果

渣土改良后，得到如下效果：（1）砂土的流塑性、和易性得到改善，刀盘的扭矩降低，掘进速度得到提高。渣土改良前土仓压力平均在40kPa，刀盘扭矩平均2 400kN·m，掘进速度在10～20mm/min；渣土改良后土仓压力平均在116kPa，刀盘扭矩平均1 600kN·m，掘进速度在30～50mm/min。（2）砂层的气密性提高，土仓压力提高，出土量正常，地面沉降能有效控制在设计范围之内。该区间在前500 环（左右线相加）时由于渣土改良效果不理想，地面沉降较大，黄色预警38 次，橙色预警9 次。经过渣土改良后地面沉降得到了有效控制，后期预警次数较少，其中黄色预警8 次，橙色预警1 次。（3）渣土改良后，盾构机快速、安全地穿越了祁连街市政管网及无地下基础的砖砌排架结构的机械厂房。

4 刀盘脱困技术

春节假期期间，右线停止推进，盾构机停在了户外停车场下方，由于盾构机处于全断面砂层中，在停机期间导致砂层固结，盾构刀盘卡死，无法转动。

4.1 处理措施

刀盘卡住后，首先运用盾构机自身设备自带的脱困措施进行处理。例如，通过盾构机的泡沫管路向刀盘前方注射化学浆液，使开挖舱内的渣土松散；通过盾体径向孔向盾构周围注入发酵好的膨润土，减少盾体与周围地层的摩擦力，然后收缩千斤顶及铰接油缸，使盾构机后退；利用盾构机的脱困扭矩转动刀盘等措施。经过上述措施的多次试验，刀盘仍然无法转动。

根据国内相关工程的处理经验，在盾构机自身脱困措施无效的情况下，主要采用的是围护桩+竖井的处理方案，安全性高，可操作性强，但是工序较多，工期较长，费用较高。

经综合分析考虑，刀盘被卡住无法转动的原因主要是砂层的固结，刀盘底板的螺旋机出土口上方已形成拱形，开挖舱内的渣土无法出来，只要能将螺旋机出土口上方的松散掉落下来，开挖仓内的渣土运出来，刀盘就能转动。于是项目部尝试了新的处理方案：通过螺旋机的反转，向开挖舱内输入“加气块+短方木”，通过螺旋机的转动来扰动出土口上方的渣土，使其松散掉落下来，然后通过螺旋机的正转使掉落下来的渣土运出来，原理如图1 所示。

图1 螺旋机反转向开挖舱内输入加气块+方木

经过反复几次，进一步将开挖舱内的渣土清理出来。然后左右旋转刀盘，刀盘恢复转动。通过螺旋机反转向开挖舱内输入“加气块+段方木”的处理方案，有效解决了刀盘脱困的问题。此方法简单有效、经济实惠、安全、脱困时间短，可为后续类似情况提供借鉴和参考。

4.2 注意事项

在方案实施之前，需把刀盘上面的地面围起来，避免地面坍塌导致其他的事故发生，并派专人值守。同时也可以提前进行地面土体加固，防止地面坍塌的危险。由于停机时间长，刀盘扰动大，导致多出土。盾体通过刀盘卡住的位置后，在掘进过程中应加大同步注浆量并及时进行二次注浆；同时在地面进行注浆加固，防止后期地面塌陷。

5 结语

渣土改良技术是土压平衡盾构掘进的关键技术，特别是在砂层等复杂地层中掘进，对成型隧道及地面沉降影响较大。在施工过程中应根据地层特点选择合理的渣土改良方式，以保证盾构机安全、连续、快速的推进。在全断面砂层中盾构机刀盘被困存在较大的施工风险，如果被困，需根据实际情况采取实用、快捷的处理措施。在施工过程中应尽量避免被困现象的发生，当需要长时间停机时，应向开挖舱内注入适量的悬浮剂，防止砂土固结，并隔段时间转动下刀盘；同时通过盾体的径向注浆孔向盾体周围注射发酵好的黏稠的膨润土。