土压平衡盾构接收脱困施工技术研究

李 海， 朱长松，*， 赵大朋

(1.中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州 450000； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)



土压平衡盾构接收脱困施工技术研究

李 海1，2， 朱长松1，2，*， 赵大朋1，2

(1.中铁隧道集团股份有限公司， 河南 郑州 450000； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)

为了解决盾构通过接收井强加固区盾壳卡死被困问题，以天津地铁3号线土压平衡盾构施工为例进行研究。施工中采取以下脱困技术：1)常压开舱后钻减阻孔，减小盾壳与其外围土体之间的阻力； 2)增加外置泵站及油缸，增大盾构推力； 3)盾尾与中前体分开脱困等。成功解决了盾构通过接收井强加固区被困的问题，并结合施工过程分析了以上各方法的优缺点及适用范围，为今后类似施工提供一定的参考价值。

天津地铁； 盾构接收； 脱困； 常压开舱； 外置泵站； 分开脱困

0 引言

地铁施工主要依托盾构掘进技术，故盾构被困是影响盾构施工进度的一个关键因素。因此，快速有效地解决盾构被困是盾构施工的一个重要要求。盾构被困大多发生在地层突变、掘进前方有孤石或类似异物及加固区时，针对此类情况，国内专家、学者分别对土压平衡盾构通过加固区[1-3]、地层突变[4-6]、掘进前方有异物[7]、硬岩地层[8-12]、复合地层[13-14]、漂卵石地层[15]情况下盾构被卡死的脱困技术进行了深入的研究，提出了加固区土体置换、横波地震法异物探测、更换端头加固方式和化学灌浆加固等加固措施解决盾构被困问题； 刘凯等[16]则研究了旋喷桩技术在地铁盾构脱困中的应用，提出了利用旋喷加固技术解决盾构始发被困问题。

以上文献中盾构被困的主要原因大多是孤石或加固异物、刀具磨损致使开挖面缩小以及地质突变导致，且多数是发生在盾构始发及中途过程中。与以上研究不同，本文主要针对盾构过接收井强加固区时被困情况进行研究，以天津地铁3号线和平路站—解放桥站盾构区间盾构接收被困为例，共提出3种脱困方案：常压开舱后钻减阻孔、增加外置泵站及油缸、盾尾与中前体分开脱困，并通过施工方案验证，结合施工过程分析了以上各方案的适用范围及局限性。

1 工程概况及盾构被困情况

天津地铁3号线和平路站—解放桥站盾构区间接收端地面为新华信托银行大厦及解放北路。由于接收端富水类型主要为第四系孔隙潜水、微承压水，接收井距离地面新华信托银行和津湾广场等景区地标建筑较近，且之前津湾广场有其他项目施工时发生过严重的盾构事故，本项目在对接收端进行加固时采用注浆加固与水平冷冻加固相结合的方式，并在洞门钢环外做接收明洞，确保把施工风险降至最低。

在接收端采用注浆加固后，于盾构出洞前的3个月内持续对接收端进行水平冷冻二次加固。在出洞前15 d内拔除冷冻管，只留最外圈持续冷冻，盾构停在加固区外全面检修，确保在后续出洞接收期间不因故障而停机。同时，在洞门钢环以外做明洞结构并回填砂浆，待砂浆凝固后用于盾构接收，进一步防止盾构接收时漏水。

随着盾体全部进入冷冻区后阻力变大，推进速度下降较大，最终总推力达到最大29 890 kN，掘进速度为3 mm/min。由于盾构姿态正常，盾构被困的主要原因可能是盾壳浆液包裹及冷冻固结。在这种情况下，盾构内部推进油缸推力小于土体与盾壳的阻力，最终导致盾构有推力无速度，盾构被困。

2 盾构被困原因分析

2.1 端头总体加固方案

端头加固采用水平注浆与水平冻结法相结合的加固方案。

水平注浆采用全断面分层注浆，纵向加固长度为11 m(地连墙外侧)，径向加固范围为隧道开挖工作面及开挖轮廓线以外4 m，注浆材料为水泥-水玻璃双液浆，填充地层间隙。

水平冻结最外圈加固长度为11 m，内层强冷冻加固体厚度为5.5 m，盾构洞门钢环外围冻结厚度为1.5 m(即冻结直径为φ9.2 m)。水平冻结孔分3圈布置，合计59个冻结孔。冻结管选用φ89×8 mm规格的20#低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接。经水平注浆及水平冷冻加固后，在洞门内布置探孔数量为9个，钻孔深度为2.5 m，孔径为φ70 mm，无漏水。

2.2 接收明洞

解放桥站接收端盾构隧道位于第1层和第2层承压水之间，隧道顶部为天津市重要保护建筑物新华信托银行大楼，顶部覆土厚度为21 m。盾构接收采取安全可靠的施工措施，洞门破除前于盾构井内制作接收明洞，内圈冻结管拔出后及时回填，盾构于明洞内接收，同时对外圈继续冷冻，确保进洞不漏水。盾构接收明洞结构如图1所示。

3 脱困方案选择及实施要点

在盾构自身推力一定的情况下，使盾构脱困的方法主要有: 一是增加外置油缸泵站，进一步增大盾构推力，使总推力大于盾壳与土体之间的摩擦力；二是减小盾壳与土体之间的摩擦力，使之小于盾构推力；三是综合使用以上2种方法。

(a)

(b)

Fig. 1 Open-cut tunnel for shield receiving

根据先简单后复杂的原则，首先采用增加外置油缸法尝试脱困，但是效果不明显。根据之前做过的探孔测试加固效果，经过讨论，最终决定采用常压开舱开挖掌子面后对盾壳外部土体钻孔取芯开一圈减阻孔、中盾和尾盾分开脱困的方法减小外部阻力，同时增加外置辅助油缸增大推力的施工措施，操作要点如下。

3.1 常压开舱实施要点

1)开舱前准备工作。为保证盾尾进入明洞后能够快速封堵洞门，在盾尾后部成型隧道内进行二次补强注浆，确保对管片壁后建筑空隙完全填充及流水通道进行封堵。后部二次补强注浆总注入量为水泥19 t，形成浆液约34 m3。经开孔检查，封堵流水通道效果比较明显，没有形成通往刀盘的水流通道。

2)开舱施工。①开舱前对盾尾止水效果进行确认，务必保证盾体周边没有通往刀盘的水流通道。②待上述工作确认完成后进行出渣，并判断土舱内渣土标高，保证渣土位于人舱门以下。③待土舱与人舱压力平衡后进行开舱(土舱内压力为0)，开舱时必须缓慢开启舱门，开舱人员随时做好准备，若有异常立刻关闭舱门。舱门打开后，首先由工程部安排专人检查掌子面稳定情况，确认安全后人员再进入，进行舱内剩余渣土清理。④待土舱清理完毕，开始从刀盘开孔处对掌子面进行开挖。开挖时自上而下开挖，开挖深度为800 mm，开挖直径超出刀盘外径150 mm；待第1次开挖结束，刀盘缓慢转动45°，进行第2次开挖，开挖要求相同。

待刀盘前砂浆开挖完成，对盾构顶部砂浆进行破除, 形成1个通道。开挖破除范围为盾构中心以上砂浆，截面为1 200 mm×1 200 mm(可根据实际开挖情况适当调整)，开挖长度为掌子面到结构端墙直接距离，如图2所示。顶部通道开挖接近结构端墙时,开挖范围沿盾壳向两边扩大,成180°，为之后的减阻孔施工提供空间。开挖时先人工开挖，若砂浆强度较高，掌子面稳定性好，可用风镐等机械设备进行开挖。

(a)

(b)

Fig. 2 Channel excavated on shield top

3.2 减阻孔施工实施要点

1)减阻孔施工理论依据。通过间距打孔取芯，与盾体接触处土体产生松动，盾构推进阻力系数、土体与盾构接触面积均会有较大程度减小，减阻效果比较明显。

2)减阻孔施工。减阻孔施工范围为盾壳中上部180°范围内土体，共计钻孔取芯48～51个，孔间距200 mm，孔深3 900 mm，与盾尾边缘保证有500 mm的距离，防止开孔太深造成地下水涌入。采用工程水钻机进行钻孔取芯。钻机型号为LA440205，电机功率为2.8 kW，钻头直径为100 mm。因钻孔取芯深度大，间距小，施工中应严格控制开孔角度。减阻孔分布如图3所示。

3.3 增加外置辅助油缸实施要点

由于盾构掘进推力增加到最大，约29 890 kN时，掘进仍无速度，而50个减阻孔只能减少约2 832 kN的阻力，故不能明确判断在进行减阻孔施工后能确保顺利推进。鉴于以上原因，在进行减阻孔施工的同时考虑增加外置辅助油缸和泵站，以确保推进顺利。

由于盾壳上半部开有减阻孔，顶部阻力最小，底部阻力最大，故采用辅助油缸时，顶部采用2 000 kN推力油缸，中部采用3 000 kN推力油缸，底部采用5 000 kN推力油缸。辅助泵站及油缸的具体型号：DBS2.0/2 kW泵站1台及QF200/200液压千斤顶2台，用于顶部辅助顶推；BZ50-4.47泵站、QYS500 t-200液压千斤顶各2台，用于底部辅助顶推；BZ30-16泵站、QYS300 t-200液压千斤顶各2台，用于中部辅助顶推。同时焊接6个大顶升座(300 mm×300 mm×600 mm)，6个小顶升座(300 mm×300 mm×200 mm)以增加外置油缸行程。辅助油缸使用时，一端顶在管片上，另一端顶在铰接油缸底座上；同时，为了防止顶推过程中油缸或顶升座脱落对人员和设备造成损害，应采用铁丝固定顶升座，用葫芦及吊带固定油缸。

(a)

(b)

Fig. 3 Layout of drag-reduction holes

增加辅助油缸如图4所示，中部辅助油缸安装实物照片见图5。

图4 辅助油缸布置

Fig. 4 Layout of auxiliary cylinders

图5 中部辅助油缸实物照片

Fig. 5 Photo of central auxiliary cylinder

3.4 盾尾与中前体分开脱困实施要点

盾尾与中前体分开脱困是另外一个重要的备用脱困方案。为了防止减阻孔太深而导致涌水涌砂，减阻孔与盾尾尾部尚有500 mm的距离，故盾尾的摩擦力相对于中前体较大，所以在开始推进之前把中体与盾尾连接的铰接销取下，推进时中前体不带动盾尾前进，盾尾部分的阻力为0，可以增大脱困的概率，从而实现中前体先脱困。在前盾和中盾推进约50 mm(视情况定，若脱开铰接油缸前，油缸行程较短，可以将此值适当减小；反之亦然)时，连接铰接油缸，保持推进油缸顶紧盾构后，利用外置油缸顶推盾尾铰接座，实现盾尾脱困。盾尾脱困后，先不拆除铰接油缸，而是持续顶推盾构，若能推动则表明盾构已实现脱困；若仍不能推动，则拆除铰接油缸后重复以上步骤，直至盾构脱困。

4 脱困过程及效果

4.1 方案实施过程

盾构在被困的第一时间采取增加外置油缸方案，盾构推进油缸压力未见明显减小，但盾构整机未有明显的位移，故考虑增加盾尾与中前体分开脱困的方法尝试脱困。当采用外置油缸+盾尾与中前体分开脱困的方法后，盾构推进油缸及外置油缸泵站压力均维持在满荷状态，中前体推进速度不明显，证明盾构阻力过大，当挂上盾尾后推不动的可能性极大，故考虑进行减阻孔施工。当减阻孔施工完成，外置油缸未增加时，顶部油缸压力明显减小，且顶部油缸位移有增加，证明减阻孔施工有效。未采用盾尾与中前体分开脱困前，增加外置油缸，盾构推进油缸压力未见明显减小，但盾构整机有缓慢的位移变化，推进速度较慢，证明外置油缸具有一定效果。收回外置油缸及推进油缸后拆除铰接油缸，采用盾尾与中前体分开脱困(因外置油缸是顶在盾尾铰接座上，此时无法再利用外置油缸)，顶推推进油缸，中前体顺利脱困；连接铰接油缸，并同时利用推进油缸与外置油缸顶推，盾尾也顺利脱困。

4.2 脱困效果

本次脱困处置方法得当，盾构最终成功完成脱困，但期间人力、物力投入较多，整个脱困持续时间较长，且对设备造成一定程度的损害，具体如表1所示。

表1 脱困期间人、机、材投入及时间消耗情况

5 结论与讨论

由本次研究可知，减阻孔施工法、外置辅助油缸泵站法和盾尾与中前体分开脱困法3种施工方法针对土压平衡盾构通过接收井强加固区被困问题均是有效的、可行的。其中，减阻孔施工效果最明显，但是施工难度较高、时间较长，故实际运用局限性较大，主要用在超大阻力下的盾构脱困；外置辅助油缸泵站法、盾尾与中前体分开脱困法实施简单，针对一般情况下的盾构脱困效果明显，能实现盾构快速脱困，故其应用较广。根据施工实际情况，合理的综合运用以上措施能起到更快速的脱困效果。

根据本文工程实例，对接收端采用注浆加固、水平冷冻加固相结合和做接收明洞的措施，造成接收端加固强度过高导致盾构被困，是不经济的、保守的方案。根据过往盾构接收实例，采用其中任意一项加固措施即可满足盾构出洞要求，同时采用3种加固方式是不科学的，也是对资源的浪费，实际施工中应引以为戒。

虽然本文根据施工情况总结分析了以上各方法的优缺点及其适用范围，但仍存在以下未解决的问题: 一是减阻孔施工工艺简化方法，二是以上各方法在泥水平衡盾构中的适用情况及改进方案。下一步研究的方向是如何简化减阻孔施工工艺，使其具有普适性，以及方案对其他类型盾构的适用性验证等。

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Jam Releasing Technologies for Earth Pressure Balance Shield in Shield Receiving Shaft

LI Hai1,2, ZHU Changsong1,2，*, ZHAO Dapeng1,2

(1.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450000,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

The jam releasing technologies for earth pressure balance (EPB) shield in shield receiving shaft applied to Tianjin Metro Line No.3 are introduced. The jam releasing technologies include drag reduction hole drilling after chamber opening under atmospheric pressure, thrusting force increaing by setting external pump station and cylinder and using separating jam releasing method. The advantages and disadvantages of above-mentioned technologies and their applicable fields are analyzed. Good effects have been achieved. The results can provide reference for jam releasing of shield of similar projects in the future.

Tianjin Metro; shield receiving; jam releasing; chamber opening under atmospheric pressure; external pump station; separating jam releasing method

2015-12-28；

2016-06-14

李海(1982—)，男，甘肃兰州人，2007年毕业于兰州交通大学，工业工程专业，本科，工程师，从事隧道及地下工程施工建设及设备管理工作。E-mail: 240269146@qq.com。*通讯作者：朱长松， E-mail: zcs767@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.017

U 455.43

B

1672-741X(2016)07-0872-05