林永奇
上海三维工程建设咨询有限公司 上海市 200060
摘要：以兰州轨道一号线1期迎门滩站至马滩站区间盾构机脱困为实例，具体介绍了盾构机在卵石地层的停机检查和地层加固施工技术。
关键词：盾构机；卵石地层；停机检查；地层加固
0引言
某泥水盾构机掘进过程中出现刀盘卡转故障，并且在施工处理中由于无法稳定刀盘上方和前方土体，导致刀盘清理无法正常进行，为解决刀盘周围土体塌落问题，拟采用特种油性聚氨酯对刀盘上方土体进行加固，和竖井+挖孔桩对掌子面进行支护，再进仓人工清理堆积物，恢复刀盘正常转动。
1工程概况及现状调查
兰州轨道一号线1期迎门滩站—马滩站区间共配置2台泥水盾构机，分别从迎门滩站始发，沿银安路南行，穿越黄河后到达马滩站。区间右线盾构施工自2014年11月1日始发至2015年1月7日临时停机，共掘进195环，里程为13+388.647。盾构机临时停机位置所处地质为3-11卵石层，覆土厚度14.6m。
1.1盾构刀盘周边环境
1.1.1刀盘卡转位置
盾构机卡转位置里程为13+388.647，距始发竖井230m，距黄河453m，距离风井350m，平面所处位置为银安路辅道与人行道交叉口位置。
1.1.2刀盘卡转位置地质条件
盾构机临时停机位置，刀盘断面所处地质为3-11卵石层，刀盘上方土体组成为：杂填土（1.0m）、2-10砂卵石地层（11.8m）、3-11砂卵石地层（1.2m），刀盘顶部覆土总厚度约为14m，根据地勘报告，刀盘顶部覆水高度为7.2m。另根据施工日志，刀盘所处位置曾出现地面冒浆和坑洞，先后进行了3次回填，回填骨料分别为：砂卵石及杂填土20m?，C15混凝土17m?，C10砂浆48m?。
1.1.3刀盘卡转位置地面管线
刀盘卡转位置地下管线有雨水、污水、通信、电力等管线，地上管线有10KV高压线。
1.2盾构掌子面情况
根据开仓检查的情况，在充分降水的条件下，仓内掌子面除刀盘顶部开口处有卵石塌落需通过模板支护外，其他部位的砂卵石都较密实。
2 制定方案
2.1洞内解决面临的问题
1、刀盘顶部土体不稳定，在清仓完毕撤除支护措施后，顶部渣土重新塌落到开挖仓内。
2、顶部土体塌落，导致开挖仓V17、V18冲洗管堵塞，并进一步导致泥水循环无法通过开挖仓正常建立。在试验的过程中，掌子面压力的剧烈波动进一步扩大了塌方的体积。
3、由于盾构机目前是以28‰的坡度向下掘进，仅清理刀盘底部渣土，刀盘是否能够转动不确定。而刀盘试转的过程中，可能会重复导致1、2两个问题，形成恶性循环。
分析判断，刀盘前方堆积了大量卵石和杂填物，影响了刀盘的正常转动，人工进仓清除堆积物风险大，无法作业，需要对土体进行加固或者支护。
2.2处理方案
从仓内对刀盘顶部土体进行注聚氨酯加固，同时在刀盘上部施作一个竖井，井底靠刀盘前方施作一排挖孔桩，对掌子面进行支护，在刀盘的顶部和前方为清仓创造一个保护壳。再从仓内清除堆积物，恢复刀盘转动。
3 聚氨酯加固方案
3.1 HK-9105油性聚氨酯介绍
3.1.1产品概述
HK-9105油溶性聚氨酯化学灌浆材料，是一种能快速防渗堵漏、补强加固的单组份环保型灌浆材料。浆液在快速反应时会产生很大的膨胀压力，促使浆液二次扩散，推动浆液向裂缝、孔隙深入渗透，故有更大的扩散和固结范围。由于它无刺激性气味，因此特别适用于密闭环境内施工，已在上海、杭州、南京等城市地铁工程中大量使用。
3.1.2适用范围
富水土层的快速加固及土壤稳定处理。
3.2聚氨酯加固方法
3.2.1浆液配制
1、浆液配比：A：B=10：1（重量比），即A组分聚氨酯10kg，B组分催化剂1kg。如在实际使用中发现固化速度过快，则适量减少催化剂用量即可延长固化时间。
2、灌浆前先将确定用量的催化剂加入聚氨酯浆液中，搅拌均匀，待用；带有催化剂的浆液不会反应，直到接触水才会开始反应。
3、由于聚氨酯混合液遇水即开始反应发泡，因此在未使用前，混合液应避免接触水。
3.2.2注酯范围
注酯范围：根据实际开仓检查情况，刀盘中心以下区域的卵石堆积非常密实，不需要进行加固，仅对刀盘中心以上部分进行局部加固，具体加固范围为：刀盘直径外1.5m范围内的上半圆，注酯宽度为刀盘面板正前方1.5m，盾体切口后0.5m。（目前聚氨酯的扩散半径尚无计算公式或经验数据，实际的扩散半径由现场根据压力及注入量判断，同时可辅以注酯试验。）
注酯加固范围图
3.2.3注酯步骤
1、确定需加固的区域，并在加固区域埋设直径25mm，长度1.5m的PVC或PPR注酯管。管壁上设置直径5mm的注酯孔。注酯孔的数量根据实际情况设定，一般不应少于3排。埋设注酯管时，可使用钢套管或使用钻孔机在降水的条件下进行布设。也可使用钢性注酯管，但钢性注酯管必须在注入完毕后，浆液上强度前拔出，以免妨碍盾构机恢复工作。
2、将聚氨酯泵连接到注浆管，通过注浆管加注聚氨酯；
3、在泵口压力达到设定值后，更换另一根注浆管。如此往复注入，直至达到要求为止。
4、注聚氨酯完毕后，关闭仓门4小时。
5、聚氨酯注入完毕4小时后，打开仓门通风2小时，至仓内基本无气味为止。
6、人员进入开挖仓，通过凿子、手电钻等工具检查聚氨酯的实际注入效果。
7、硬化效果达到要求则进行下一步工作，如部分区域效果不佳则对注入效果不佳处补充注酯。如此循环，直至加固区满足要求为止。
8、注酯孔的间距一般为20～50cm，可视实际工况扩大或缩小注酯孔间距，一般注酯孔的孔距不宜超过1.5m。
9、注酯过程中，如注酯口渗漏，则可用快速紧固密封的孔口装置或高强快凝材料来封堵灌浆管口。
10、聚氨酯混合液固化后，去除灌浆管，用堵漏王或HK-EQ环氧胶泥进行封闭。
3.2.3注酯效果检查
1、注酯完毕4小时后即可开仓检查，人员进入密闭空间检查前，需先进行通风。
2、检查方法主要是通过凿子或手电钻等工具对加固区域进行检查，空间允许的部位可采用取芯检查。
3、在加固体上打眼，并通过眼位进行注水，通过水流的分散情况，判断加固体的整体性。对断裂带可进行补注酯。
4 竖井+挖孔桩方案
4.1技术参数
竖井开挖尺寸为4100×8000mm，深度15.6m。顶部设置C30钢筋混凝土锁口圈梁（断面尺寸1000×1000mm）。基坑侧壁支护采用φ22砂浆锚杆+钢筋格栅+300mm厚C25喷射混凝土，其中砂浆锚杆长2m，竖向间距0.5m，环向间距1m；钢筋格栅采用φ18主筋、φ16蹬筋、φ6.5外箍筋；竖向设置内外两排φ18连接筋，环向间距1m。竖井设置横向支撑，采用工20b工字钢，水平间距2.5m，竖向间距3m。
人工挖孔桩直径1.4m，深8m。护壁采用100mm厚模筑C30混凝土，随挖随支护，成孔后灌注C10混凝土。
竖井底板封闭采用1000mm厚C30钢筋混凝土，双层φ18钢筋网（200×200mm）。
竖井与桩平面布置图 竖井与桩剖面示意图
4.2施工措施
4.2.1管线保护
根据现场调查，竖井开挖范围内的管线主要是雨水管、通讯线缆。雨水管暂时截断，待竖井回填后恢复。通讯线缆底部有一层混凝土板，施工时将锁口圈梁降至通讯线缆底，并沿线缆方向浇筑一道钢筋混凝土梁（技术参数同锁口圈梁），将通讯线缆放置梁上，顶部覆盖型钢保护。
4.2.2锁口圈梁
锁口圈梁断面尺寸1000×1000mm，内净空3500×7400mm（同竖井内净空）。施工时，先将土方开挖至梁底高程，再绑扎钢筋、支立模板，浇筑C30混凝土。
4.2.3降水
已经在刀盘区域（10*19m范围内）施作了4口降水井，井深29m，将水位降低至22.5m以下。
4.2.4竖井土方开挖
竖井顶部3m范围内的土方采用小型挖掘机机械开挖；剩余土方开挖采用人工开挖，中间可能存在以前回填的混凝土，采用风镐凿除。现场配备8T汽车吊一辆和1m3土斗一个，土方随挖随吊至地面，然后直接转场运至风井场地内。
4.2.5基坑支护
基坑支护采用φ22砂浆锚杆+钢筋格栅+300mm厚C25喷射混凝土，并设置横向支撑。
1）砂浆锚杆
锚杆采用φ22钢筋，长2m，竖向间距0.5m，环向间距1m，向下俯角15°，梅花形布置。
2）钢筋格栅
钢筋格栅竖向间距500mm，采用φ18主筋、φ16蹬筋、φ6.5外箍筋，每榀由4段组成，M16螺栓连接成环闭合。钢筋保护层厚度50mm。
格栅在风井场地内集中加工，完成后运至竖井施工场地。竖向内外两排φ18连接筋，环向间距1m，与格栅点焊连接，连接筋锚入锁口圈梁内，锚入长度不小于35d。
3）喷射混凝土
竖井侧壁喷射300mm厚C25混凝土，混凝土掺入适量速凝剂，提高凝固时间。
4.2.6内支撑
竖井设置横向支撑，采用工20b工字钢，水平间距2.5m，竖向间距3m。支撑两端设置10mm厚端板，尺寸400×400mm，与工字钢焊接。支撑架设位置在格栅上焊接角钢牛腿（同车站围檩下部支撑），工字钢支撑放置与牛腿上，顶部两端采用钢丝绳悬挂保护。
4.2.7基坑底板
基坑底板采用C30钢筋混凝土封闭，厚度1000mm，设置φ18双层钢筋网（200×200mm），钢筋网与底部格栅点焊连接，同时竖向连接筋锚入底板内，锚入长度不小于35d。
底板在盾构仓内堆积物清理干净，刀盘恢复正常转动后封闭。
4.2.8人工挖孔桩
人工挖孔桩在竖井开挖完成后进行，桩径1400mm，侧壁支护采用100mm厚模筑C30混凝土，每次开挖1.5m，施作一次支护，随挖随支护，施工时采取隔一挖一的措施，流水作业，成孔后灌注C10混凝土。
4.3后续处理
1、竖井回填
盾构恢复掘进并向前掘进20环后，对竖井进行回填。回填采用车站基坑开挖的砂卵石土，不掺杂其他杂土。回填分层进行，逐层夯实。
2、雨水管恢复
竖井回填至原雨水管高度后，按原状恢复雨水管。
3、路面绿化恢复
按原设计情况对路面和绿地进行恢复。
5 刀盘恢复转动施工步骤
5.1 清理刀盘
加固支护完成并检查合格后，即可进行刀盘清理工作。根据前期的检查情况，本次刀盘清理按如下步骤进行：
1、清理开挖仓；
2、从刀盘底部开始清理刀盘开口处，开口处卵石清理出来后，第一时间使用预装好的沙袋或膨润土袋进行堆叠封堵。
3、刀盘正前方无法清理的部位，可通过拆除相邻部位刀具进行清理。同时可对刀具进行检查。
4、刀盘四周必须清理至无卵石堆积，在清理过程中如遇较松散部位，可通过注酯进行加固防护，或通过换填沙袋防护。
5、刀盘自下至上一直清理至刀盘顶部，直至整个刀盘与前方土体脱空。
6、所有清空的部位均应使用沙袋堆垒，防止渣土掉落。
5.2 试转刀盘步骤
刀盘清理完毕后，试验转动刀盘。转动刀盘时，技术人员在气压舱进行观察，如有渣土掉落情况应及时与司机沟通停止试转，并上报领导采取进一步的处理措施。如试转成功，则时关闭前舱门，恢复掘进。
恢复掘进步骤
6 安全保证措施
6.1仓内加固作业安全保证措施
1、仓内加固作业前，需对开挖面进行检查，并对较大的开口处进行封堵。
2、加固作业时，对开挖仓内持续通风，仓内气体条件应符合规定：
3、加固作业时，做好地面沉降、工作面稳定性、地下水量及盾构姿态的监测和反馈。
4、严禁仓外作业人员进行转动刀盘、出渣、泥浆循环等危及仓内作业人员安全的操作。
5、加固作业时，必须保证进出开挖仓的通道畅通无阻。
6、专人分时段监测地面沉降，每日记录地表变化；若地面发生变化时，分析地面变化原因，进行针对性应对措施。
7、洞内及时跟进二次注浆，同时采用适宜的同步注浆量，提高管片拼装效率，加快日掘进量。
8、泥水注意参数对比，调节泥水参数，粘度参考值28~30s，密度参考值为1.05~1.1g/cm3。
9、仓内加固作业人员必须带口罩，同时每2小时换班一次，对作业过程中感觉不适人员，及时出仓休息。
10、进仓作业期间主控室、人闸仓专人专岗负责。
6.2泥浆加浆安全保证措施
1、加浆作业前，应确保各个系统正常。
2、加浆作业过程中，刀盘始终保持低速转动。
3、加浆作业必须严格按照步骤进行操作，即先进行旁通循环，旁通循环稳定后，在保持旁通的状态下，通过V3V4V5V17V18快速加浆。
4、加浆的过程中，避免掌子面压力波动过大，导致塌方。
5、泥浆加至0.5m开始建立气压，设定值为0.5bar，泥浆液位加至1.0m，工作舱气压加至1.8bar，并保持3-5分钟，使其稳定。
6、泥浆液位及压力稳定后，即关闭旁通，进入正常循环，恢复掘进。
6.3竖井开挖安全保证措施
1、随着开挖深度的增加，及时设置供施工人员的上下的安全梯，并设置安全护栏，安全梯与竖井出土区隔开，保证安全梯区域人员通行安全。
2、开挖土方时，有专人指挥。挖土应自上而下，逐层进行，开挖完一个工作面及时施作支护。
3、开挖人员每次到达开挖面后，首先观察工作面是否处于安全状态，并检查支护是否牢固。
4、竖井内设置集水坑，放置抽水泵。
5、竖井靠马路一侧专人值守，严禁大型车辆通过。
6.4人工挖孔桩安全保证措施
1、井内作业人员戴好安全帽，系好安全带，安全带挂在自井口而下的专用保险绳上。井孔内设置应急时使用的安全绳。井内人员乘坐专用安全吊笼上下；井孔内作业人员经常轮换，连续作业时间不超过4小时。
2、桩孔每挖深1.5左右就护壁一次，保证护壁混凝土强度不低于3Mpa。
3、当孔深超过5m后，每次下孔作业前先通风；作业过程中保持连续通风。并在距井底2m处设置一道钢制弓形防护挡板，周边宽30cm，并在护壁上固定牢固。吊运物料时，井下人员应紧贴护壁，站在弓形护板下，以防物体打击。弓形护板的设置高度随孔桩进尺深度同步。
4、井下作业时，设一人作井上监护。监护人员不得擅自离开岗位，并密切注意井下情况，经常与井下工作人员保持联系，发现异常情况立即帮助井下作业人员撤离井底回到地面，并立即向施工负责人报告发生的真实情况。
7 盾构进仓应急预案
1、停止加固作业的情况
（1）工作人员进入土仓进行作业过程中，突然感觉身体不适；
（2）掌子面出现部分失稳，涌、漏水的现象；
（3）其它需要停止加固作业的情况。
处理措施：人员退回至工作仓，并由技术人员确定是否继续加固。
2、地面在停机过程中发生沉降
在进行停机或者进行加固过程中，安排专人对停机位置进行检测，并进行日报。若出现地面发生沉降应采取以下措施：
（1）检查掌子面情况，观察土体是否松动；若松动则停止作业待稳定后再行施工；
（2）如需要并且有可能的话，采取地面防沉措施，如加桩固定等
3、地面降水井故障
如出现地面降水井将水泵故障，则注意观察掌子面渗透水情况，如渗水情况较严重，且有逐步上行的趋势，则立即撤离人员，停止加固作业，待故障处理后再行恢复施工。
8 总结
通过兰州轨道一号线1期迎门滩站至马滩站区间盾构机脱困的施工，我们取得了卵石地层盾构机脱困的成功经验，实现了预期目标。
参考文献：
[1]《建筑施工手册》中国建筑工业出版社
[2]《混凝土结构工程施工规范》中华人民共和国国家标准
论文作者:林永奇
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：竖井论文; 作业论文; 盾构论文; 卵石论文; 聚氨酯论文; 间距论文; 混凝土论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;