盾构始发施工安全风险管控关键技术研究

郭小青（上海汀滢环保科技有限公司，上海 201707）

1 工程概况

1.1 工程概况及地质情况

某轨道交通快线地下车站与既有轨道交通 2 号线车站实现通道换乘。车站长约为 182 m，顶板覆土约 4.0 m；标准段宽为 23.7 m、深为 25.63 m；端头井宽 28.3 m、深为27.04 m；车站主体结构南侧采用半盖挖法施工、北侧为明挖法施工。车站大、小里程均为盾构双始发工作井，本文所述为小里程端右线盾构始发在车站南侧，为半盖挖施工，盖板施工完成后开放交通，车站北侧为车站主要施工场地。盾构始发涉及 ⑤2、⑥2、⑦1层土层，具体土层性质如下。

⑤2粉质黏土夹粉土。灰黄色、软可塑、含少量氧化铁质，夹薄层粉土，工程性能较差；

⑥2淤泥质黏土。灰色、流塑、局部变相为软塑，含有机质、腐殖质，夹薄层粉土，为高压缩性土，工程性能差。

⑦1层粉质黏土。灰黄、褐黄色、硬可塑，厚层状，含铁锰质斑点，工程性能较好。

⑦ 夹层粉砂。灰色、饱和、稍密～中密，局部夹粉土，工程性能一般。

1.2 始发端头井加固情况

车站右线小里程端头井采用 MJS 工法进行地基加固施工，加固范围长度为 7.5 m，小里程端头井靠地下连续墙外侧 2.5 m 范围内，加固高度为 14.9 m（隧道上方 5 m，隧道下方 3 m），宽度为 12.9 m（隧道两侧各 3 m），其他部位宽、高为 12.9 m（隧道周围 3 m 区域）。MJS 工法桩设计桩径为 2.5 m，桩间距为 1.75 m，共布置 30 根桩（含 2 根管线影响补桩），其中 14.9 m 桩长的 MJS 工法桩共计 7 根（第一排），12.9 m 桩长的 MJS 工法桩共计 23 根。MJS工法桩水泥参量 ≥700 kg/m3，水灰比为 0.8 ～ 1.3，加固体 28 d 无侧限抗压强度为 1.2 MPa，注浆压力 40 MPa（±2 MPa）。

1.3 周边环境

右线盾构上方为市政道路，道路下方埋设有多种市政管线，分别为弱电综合管廊、DN 200 燃气管线，盾构上方为Φ1 200 给水管，右上方为 10 kV 电缆。

2 盾构始发情况

2.1 盾构进出洞加固施工

车站右线小里程 MJS 地基加固共施工 36 d，根据管线交底，车站右线小里程端头井加固范围内存在燃气、电力、弱电管线。施工过程中采用人工探挖发现加固区存在DN 400 燃气管道（2 根，后经燃气单位核实为废弃管）、DN 219 燃气管道、10 kV 电力管线以及弱电管沟，管线较多致使现场桩位无法全部按照设计桩位进行施工。因 WZ 3、WZ 4 桩施工较早，探挖发现 WZ 4 桩位下有 DN 400 燃气管道，经咨询设计意见后现场将 WZ 4 桩向南侧调整 30 cm；因 DN 219 燃气管道及弱电管沟影响，将 WZ 19、WZ 20 向西侧调整，WZ 10、WZ 8 向东侧调整，为弥补桩位移动后工法桩之间空隙，现场增加 2 根桩径 1 m 的补桩（BZ 1、BZ 2）。现场 MJS 施工参数为：MJS 工法桩水泥参量为 700 kg/m3，水灰比 1∶1，注浆压力 40 MPa（± 2 MPa）。

2.2 盾构进出洞加固效果

加固完成后，分别组织对 WZ 28 与 WZ 15 咬合部位、WZ 17 与 WZ 26 咬合部位进行垂直取芯，现场取出芯样完整；根据芯样检测报告 WZ 28 与 WZ 15 咬合部位桩身强度为 1.38 MPa， WZ 17 与 WZ 26 咬合部桩身强度为 1.36 MPa，均大于设计要求 1.2 MPa，满足要求（详见 MJS 工法桩取芯报告）。

2.3 水平探孔打设

盾构始发前，在洞门范围内按米字型共打设 9 个深度为3.5 m 的水平探孔，孔内未见渗漏水流出。

2.4 洞门凿除情况

（1）车站地下连续墙厚度为 1 200 mm，第一次凿除车站内侧 800 mm 厚地下连续墙，于 6 月 6 日开始至 6 月 14日完成，第二次凿除剩余 400 mm 厚地下连续墙，于 6 月16 日开始至 6 月 22 日完成。第二次洞门凿除前在洞门上钻孔，围护结构墙体后无渗漏水情况。

（2） 6 月 22 日凌晨割除洞门地下连续墙外层钢筋时发现洞门上部1点钟方向有小块土体塌落、掌子面松动，为防止掌子面土体继续滑移，在确保安全的前提下，在洞门圈内留设4根脚手架钢管支撑掌子面土体，继续割除掌子面钢筋及工字钢。

（3）6 月 22 日 7 时左右，掌子面钢筋、工字钢及大部分脚手架（剩余 2 根立杆）割除完成后，发现掌子面潮湿，顶部土体塌落有增大趋势，加之早高峰期间车流量大，地面扰动强烈，为防止地层坍塌至具有流塑性的 ④2层淤泥质粉质黏土，造成地表突然下陷，立即将盾构机向掌子面顶进。

（4）6 月 22 日 9 时，刀盘顶进至距离掌子面约 100 cm且进入洞门钢圈内导向轨上方后停止推进。项目部召开现场分析会，研究决定采用慢速、降低刀盘转速的方式推进，减少预留钢管对转动刀盘的影响；盾构顶进至距掌子面约60 cm 时，刀盘已通过导向轨后随即启动刀盘，此时刀盘被卡且无法启动。经开仓检查掌子面及土仓内情况，发现钢管侵入刀盘内，土仓内有部分土体且掌子面较稳定，决定开仓进入土仓内对钢管进行割除、清理。

（5）6 月 23 日凌晨 5 点，进仓人员作业过程中发现上方土体有继续塌落之趋势，且刀盘尚未顶住掌子面，经分析认为存在较大的土方塌落涌入土仓内造成人员伤亡的安全隐患，现场立即将土仓内作业人员全部撤离并封闭仓门。随后再次将盾构机顶进 10 cm 后尝试转动刀盘，但刀盘仍被卡住且无法转动。塌落区域位于洞门中心线左侧，塌落形成一个自洞门圈向上约 3.5 m，上部直径约 40 cm，下部直径约70 cm 的空洞。为防止掌子面暴露时间过长造成坍塌孔继续扩大影响地面安全，决定立即向掌子面充填膨润土并注同步注浆浆液填满土仓，确保掌子面稳定。

盾构机顶进后位置及塌落范围如图 1 所示。

图1 盾构机顶进后位置及塌落范围示意图

2.5 原因分析

（1）因始发场地不足，暂不满足始发条件，因此洞门分两次进行破除，第一次破除内层 80 cm 地下连续墙，具备始发条件后再破除外层 40 cm 地下连续墙；同时洞门破除期间时至中高考，夜间无法施工，洞门凿除时间较长，导致洞门暴露时间过长。

（2）根据现场观测并与加固桩位进行对比分析后发现，洞门圈上部塌落土体部位位于端头井进出洞加固 MJS 桩基WZ 3 与 WZ 4 之间，地基加固时因燃气管线影响将 WZ 4 桩位微调，可能造成部分夹心层未咬合到位，导致上部土体受扰动塌落。

（3）右线始发端位于地面机动车道下，车流量大，洞门暴露时间长，地面车辆荷载对土体产生持续扰动，造成土体松散、塌落。

（4）应急预案制定尚欠针对性的抢险措施，现场仅储备常规、简单的抢险物资和设备，设备维护保养措施有待改进，配备的抢险设备功率不足。

3 针对性处置措施

3.1 初步建立土压

盾构机土仓内及刀盘前方充填膨润土并注入同步注浆浆液，初步建立土压并确保掌子面土体稳定。根据计算，盾构机土仓至掌子面理论方量为 105.1 m3，按要求已注入同步浆液 105 m3，土仓压力建立情况为：左下 25 kPa、右下27 kPa、左中 17 kPa、右中 18 kPa、左上 9 kPa、右上 7 kPa。

3.2 注浆填充

在洞门上方中楼板向上 50 cm 位置打孔注 5 m3双液浆，注满后封孔；在中楼板向上 1.7 m 位置打孔注入 1 m3双液浆，土仓压力有明显升高后停止注浆；在中楼板向上2.7 m 位置钻 2.4 m 深，穿过地下连续墙芯样为原状土，开孔后有清水流出，下部注入双液浆有浆液流出，停止注浆后无渗漏；在中楼板向上 3.5 m 位置钻孔 2.8 m 深，穿过地连墙芯样为原状土，开孔后有清水流出，注入双液浆时有浆液流出，停止注浆后无渗漏，由以上可判断塌落空腔已注浆填满。

3.3 道路管养

与交警对接，夜间封路进行地面打孔注浆填充道路下空隙部位。在道路上铺设 3 块厚钢板，减小车辆集中荷载对下方土体的扰动。

3.4 探测与监测

每天 2 次对地面持续进行地质雷达扫描探测，未发现明显异常。持续加强地表监测，每小时监测一次并立即反馈变化情况，监测数据均正常。

3.5 棚架实施

在塌落孔洞及两侧各 1 m 范围盾构机顶部、中楼板下40 cm 部位打设一排 17 根钢花管并注浆填充，在顶部形成棚架以支撑上部土体。钢花管直径 48 mm，壁厚 3.5 mm，长度 6 m，间距 30 cm 布置。钢花管内插入φ25 螺纹钢筋并注 1∶1 水泥浆、水玻璃填充。

3.6 检查土仓内注浆浆液强度，清理刀盘、盾壳顶部外侧土体

从刀盘注水孔用冲击钻探测土仓内浆液已凝固并已具备强度后，打开人仓门，凿除砂浆固结体进入土仓内由上至下凿除，人仓口以上部位清理完成后，由刀盘面板开口处向掌子面掏洞满足一人作业空间进入即可。掏洞完成后掌子面布置需采用方木或木板进行临时支撑，确保掌子面土体稳定。支护完成后人员进入刀盘外侧孔洞将刀盘、盾壳上部土体全部凿除。

3.7 架设顶部临时木拱架

（1）刀盘、盾壳顶部土体清理完成后，向掌子面方向掏20 cm 高孔洞，深度伸入可靠的加固桩体 ≥30 cm。

（2）采用 10 cm × 10 cm 方木作为木拱架，方木一端下部垫 5 cm × 5 cm 方木，放置在盾壳上，确保方木高度高于刀具高度；方木另一端直接插入加固桩体内，木拱架间距30 cm，上部铺设的木板与方木固定，形成临时拱架，防止土体塌落；随挖随架木拱架，架设木拱架处将掌子面土体开挖成锯齿状，开挖一块立即支护一块，确保上部土体稳定。

3.8 清理土仓及掌子面土体

（1）顶部木拱架架设完成后即开始由上至下分层清理掌子面及土仓内砂浆，分层厚度 ≤1 m，清理的渣土采用编织袋装渣外运。

（2）清理过程中在仓内放置有害气体检测仪并保持仓内通风。清理过程中注意保护盾构压力传感器，防止被破坏，影响后续使用。

（3）掌子面暴露后，在掌子面上和刀盘上设观测点，测量观测点至刀盘的距离初始值，清理过程中安排专人每小时测量一次观测点到刀盘的距离，观察掌子面是否有位移。在掌子面上、中、下部共设置 3 个断面，每个断面设 3 个监测点，动态掌握掌子面土体稳定情况。

（4）掌子面砂浆凿除后必须及时进行支护，每凿除一段立即采用尺寸合适的胶合板和 5 cm × 5 cm 方木进行支撑，方木尾端支撑在刀盘面板上并固定牢靠。

图2 土仓及掌子面清理及支护示意图

3.9 清理异物和刀盘

（1）异物清理。将土仓内及掌子面全部清空后，先将土仓及刀盘内的钢管、混凝土块全部清理完，再将底部塌落的淤泥清理完，最后清理掌子面钢管、钢筋、混凝土。

（2）刀具清理。采用高压水枪冲洗，将滚刀刀箱及超挖刀内全部清理干净，确保刀具能正常转动。

（3）孔口清理。采用高压水枪清理刀盘上泡沫口、膨润土口等设备改良孔，确保所有孔洞通畅，以利于后续盾构施工。

3.10 检查传感器和密封装置

土仓、刀盘清理过程中，由上至下检查各部位压力传感器和轴承密封是否完好，若有异常，请厂家及时进行维修或更换，确保传感器和轴承密封完好。

3.11 人员撤离、关闭仓门

土仓、刀盘及掌子面钢管、钢筋及混凝土块全部清理完成后，人员、设备、工具、材料等全部由人仓口撤出，关闭仓门。

3.12 试转动刀盘

确认所有人员、设备、材料全部撤出后，开始试转刀盘，若能转动且无异常情况，立即将刀盘顶至掌子面，检查所有设备、系统后，开始正常掘进施工。

经过 15 d 开仓清理作业，将卡住刀盘的异物清理完毕，盾构机经过试运转后各系统均正常，恢复正常掘进。

4 结 语

盾构始发过程的施工工艺比较成熟，但是由于地质、交通、技术、管理等人为因素的影响，始发过程中会出现各种预料不到的情况。本文通过某地铁车站盾构始发过程中，由于端头加固存在缺陷，导致始发过程中出现险情，经过原因分析、制定详细的方案，通过注浆加固、常压开仓、管棚花管注浆等针对性措施，最终盾构机顺利始发。对于今后盾构始发安全风险管控具有重要意义。