盾构隧洞冷冻法施工难点分析

常孔磊

摘要：针对盾构隧洞冷冻法施工出现的施工难点，为了解决盾构刀盘和盾壳在盾构始发、接收和掘进过程中由于操作、设备故障、施工组织、人为因素等原因被冻结的问题，根据某城市地铁项目盾构隧洞冷冻法施工经验，通过对不同的冻结现象进行深入分析，查找盾构隧洞冷冻法施工刀盘和盾壳被冻结的原因，并提出了蒸汽加热、注射热融盐水等针对性的解决措施和稳掘进、保出渣、强设备、重管理、控生产等施工注意事项，以期为盾构隧洞冷冻法施工提供一定的指导与借鉴。

关键词：盾构;冷冻法;施工难点

中图分类号：U455.3 文献标志码：A 文章编号：1009—9492（2021）03—0264—03

0引言

近年来，随着城市地下空间综合利用的提升，越来越多的城市对地下空间进行了综合开发，其中以地铁、城市综合管廊、电力饮水隧洞为主要开发项目。而盾构法施工以其施工干扰小、施工周期短、安全系数高等诸多优点迅速被城市地下空间开发采用。我国盾构法施工发展迅速，据不完全统计，全国盾构机保有量达到了3000台以上，每年还以500台左右的速度递增，盾构法施工已然成为我国城市地下空间开发的主要手段。

盾构法隧洞施工过程中有两个阶段具有较大的安全隐患，即始发阶段和接收阶段，特别对于始发接收位置地质情况复杂多变，各种土体交杂融合的情况，危险系数更高。近年来在盾构始发和接收的施工阶段开发了冷冻法施工工法，其以安全系数高、施工效率好、操作简单等诸多优点在盾构始发和接收过程中被迅速采用，但由于使用过程中施工人员技能参差不齐，各种施工组织和操作不规范等问题造成冷冻法施工问题频发。为了解决盾构隧洞冷冻法施工产生的问题，针对冷冻法施工的难点进行分析，提出相关问题的解决方案，梳理施工过程中需要注意的事项，为盾构隧洞冷冻法施工提供参考。

1洞门冷冻加固及注意事项

1.1冷冻法施工使用范围及加固参数

盾构始发和接收过程为了保持周围土体的相关参数，保证盾构施工过程中对土体的扰动不对土体产生颠覆性危害，保证地面构筑物及附着物的安全，在始发和接收过程中遇到地层条件复杂的情况下（特别是始发接收地层为粉砂、粉质黏土、黏质粉土、杂填土等地质，或其几种融合），需要采用冷冻法对始发和接收地带进行加固。根据现场施工经验，冻结加固区为杯形效果较好，加固杯体为杯底厚度3.5 m，杯壁厚度2m，杯长8m。经加固的土体无侧限抗压强度不小于3.6MPa，抗拉强度不小于2MPa，冻结效果需保障至盾构完全进出站时間段。进行冷冻法施工，冷冻孔位置布局分为外圈和内圈，以开挖直径6.25m盾构为例，外圈冻结管布局直径3.5m左右，冷冻管长度不低于9m（进入土体8m），中圈冻结管布局直径2m左右，冷冻管长度不低于6m（进入土体5m），内圈冻结管布局直径1m左右，冷冻管长度不低于4.5m（进入土体3.5m），外圈冻结孔32个，中圈冻结孔16个，内圈冻结孔8个，中心孔1个，共计57个冷冻孔。

1.2掘进风险及控制措施

在进入或掘出冷冻区域时，存在刀盘或盾体被冷冻区冻结的风险，刀盘或盾体冻结后应立即采取解冻措施，在盾构机内采用蒸汽机加热或向刀盘注入50～70℃热盐水，进行解冻，盐水比例为1：350（水：盐），以解决刀盘或盾体被冻结的问题。在冷冻区进行掘进的过程中，还应采取以下措施，以防止刀盘或盾体被冻结。

（1）进入冷冻加固体时，刀盘持续转动，严禁停转刀盘。

（2）在进入冻结体（杯底）0～2.5 m采取空仓掘进模式，进入冻结体（杯底）2.5～3.5 m时开始建压。

（3）小推力掘进，且掘进速度严格控制在10 mm/min以内。

（4）确保盾构施工双电源，盾尾进入帘布橡胶板后开始同步注浆作业。

2冷冻区刀盘被冻原因分析及解决措施

2.1原因分析

盾构在掘进过程中发生刀盘被冻现象，其主要存在以下几种现象及原因。

（1）低温造成电气元器件故障

盾构在冷冻区进行掘进过程中，由于冷冻区土体温度较低，基本维持在20℃以下，在与盾体钢结构接触的电气元-器件中，部分元件使用环境要求不能低于20℃，从而造成元器件失效，进而发生故障，造成刀盘无法启动，停机时间超过一定时限（根据现场使用经验，停机时间不能超过30 min）会造成土体冻结刀盘或盾体，从而增大刀盘的扭矩，超过刀盘设计的脱困扭矩，造成被冻结现象。

（2）掘进速度过快，出渣不及时

在冷冻区掘进过程中，土仓内的渣土很少能够改良成为理想的“牙膏状”，在渣土改良不太理想的情况下，螺机出渣能力会相应地降低，当盾构在冷冻区进行掘进过程中，掘进速度过快，螺机无法及时将土仓内的渣土进行排出，会造成土仓内的渣土逐步积多，在渣土积累到一定量之后（根据现场施工经验，盾构在冷冻法区域掘进时，土仓内渣土存量超过土仓容量40%时易产生刀盘被卡现象）由于搅拌阻力增大，刀盘扭矩大于正常掘进时的扭矩，会出现“跳到盘”现象，刀盘启动困难或直接被卡死。

（3）螺机被冻结

在冷冻法施工过程中，渣土改良受限，渣土改良质量变差，在使用螺机进行出渣的过程中，因为冷冻之后的渣土易存在大颗粒物质，从而造成螺机旋转时扭矩较大，当螺机出渣扭矩大于设计扭矩时，螺机会出现“跳停”现象，当反向转动螺机不能解决螺机被卡现象时，盾构会因螺机无法出渣而造成停机，当盾构停机超过一定时限时（根据现场施工经验，当盾构在冷冻区掘进过程中停机超过15 min，容易发生刀盘或盾体被冻结现象），即刀盘或盾体就会被冻结。

（4）出渣不及时而造成停机

盾构在冷冻区进行掘进施工过程中，要保持盾构机持续掘进，在施工过程中由于施工组织、出渣受限、设备故障等诸多问题而产生的出渣困难现象，造成盾构机不得不停机，当停机时间超过一定时限（根据现场施工经验，当盾构在冷冻区掘进过程中停机超过15 min，容易发生刀盘或盾体被冻结现象），即易发生盾构刀盘或盾体被冻结现象。

（5）刀盘开口率小

盾构在冷冻区进行掘进施工时，当刀盘开口率较小时，由于渣土流塑性降低，且刀盘在掘进过程中与冷冻土体接触本身温度较低，渣土容易在刀盘开口处发生冻结现象，进而造成扭矩增大，刀盘被冻，发生刀盘被冻结现象。

（6）施工参数不合理

盾构在冷冻区进行掘进施工过程中，刀具的贯入度大，刀盘转速小，造成施工时刀盘扭矩增大，极易产生“跳刀盘”现象，当产生“跳刀盘”现象时，若处理不及时，则极易演变为刀盘冻结现象。

（7）其他原因

在盾构掘进过程当中，由于人为误操作或设备故障等原因（误触碰急停开关、电瓶车溜车、液压油管拉断、通讯干扰等现象），产生盾构停机现象，当停机时间超过一定时限（根据现场施工经验，当盾构在冷冻区掘进过程中停机超过15min，容易发生刀盘或盾体被冻结现象），即易发生盾构刀盘或盾体被冻结现象。

2.2解决措施

当盾构在冷冻区进行掘进作业时发生刀盘或盾体被冻结的现象，可以采取以下措施进行处理。

（1）使用蒸汽机通过土仓隔板左右两边预留孔向土仓内加注蒸汽。根據施工经验，蒸汽机的总功率应大于100 kW。

（2）使用膨润土挤压泵，通过刀盘喷孔向掌子面注入50～70℃热盐水进行解冻，盐水比例为1：350（水：盐），通过降低冷冻温度和提高冻结温度点对刀盘、土仓进行解冻。

（3）在盾体两侧焊接防扭块，使盾体与周围土体固定，左右换向转动刀盘，直至刀盘正常运转。

（4）若通过注入蒸汽和热盐水左右转动刀盘，刀盘还是没有启动，可以采用3根100 t油缸使主机后退15 cm左右，同时注入蒸汽和热盐水，刀盘正常启动，扭矩降至合理区间，对损坏的盾尾刷进行更换，完成尾刷更换继续掘进。

2.3冷冻区盾构掘进注意事项

冷冻区盾构掘进注意事项如下。

（1）盾构在冷冻区施工前应详细检查设备状况，保证设备处于较优的状态，尽量避免在掘进过程中因设备故障而造成停机。

（2）盾构在冷冻区施工前应做好相关施工设计，外界条件应能保证盾构持续施工。

（3）盾构在冷冻区施工过程中，应该保持连续的、低速的掘进，尽量降低刀盘切削扭矩，土仓内渣土保持在较低水平。

（4）当盾构在冷冻区施工过程中停机时，应及时向土仓内注入热盐水，并保持盾体内温度水平在电气元器件工作水平。

掘进参数控制如表1所示。

3结束语

本文针对盾构隧洞冷冻法施工产生的故障现象进行了详细分析，并提出了相应的解决措施。根据现场施工经验，提出冷冻法盾构隧洞施工的注意事项和相关的应对措施，为盾构隧洞冷冻法施工提供相关参考。