盾壳包裹砂浆处理技术研究

彭飞 刘小龙 刘可 林赉贶

摘要：盾构掘进机是集光、机、电、液、传感、信息技术于一体的大型掘进设备，被广泛应用于隧道施工中。基于泥水盾构机在珠海兴业路施工过程中，砂浆包裹盾体情况进行分析，提出相应的应对措施，并加以改进，进而保证施工工作过程中的安全性，并为类似盾构施工技术提供一定的借鉴经验。

关键词：盾构施工；注浆；砂浆包裹；处理技术

0   引言

近年来，随着地下空间工程建设的需要和科学技术水平不断提高，盾构法作为地下空间工程施工的主要手段，盾构掘进机及施工技术在我国得到了广泛应用，盾构掘进机技术的发展也得到了国家相关部门和施工企业的高度重视[1-2]。

目前，已有不少学者已对盾壳包裹砂浆处理技术进行了研究。蒲晓波[3]借助城市隧道施工的经验并结合现场实际情况，详细介绍处理盾构壳被固结砂浆包裹的措施和注意事项。邓友涛[4]以成都地铁砂卵石地层工程为例，采用膨润土泥浆处理技术来改善渣土的稠度和流动性，并配置合适的膨润土泥浆，以提高掘进速率和合理控制出渣量。张国云[5]以超大型泥水平衡盾构穿越某近海河道盾构掘进为例，介绍了泥水处理系统的选型方法和实际工程中的配置及应用。本文基于泥水盾构机在珠海兴业路施工过程中，砂浆包裹盾体的情况进行分析，提出相应的应对措施，并加以改进。

1   盾壳包裹砂浆现象

19286工号15.76m泥水盾构机在珠海兴业路施工过程中，盾构始发驶出银桦路始发端头加固区后，技术人员发现盾构机在掘进18～61环时，在盾构机壳体范围内，地面逐渐隆起。隆起位置多发生在B环末端至盾尾后部这一段经过的地层，且隆起位置在脱出盾尾后迅速开始下沉。地面隆起情况从离开加固区开始，一直持续到60环，隆起量从10mm逐渐增大，到7月19日第59环掘进及掘进完成后，里程DK1+620位置该点单日最大隆起达到59.59mm，累计隆起达到106.05mm，超出预警值（50mm）一倍以上。

2   原因分析

分析认为，配置铰接时，超大直径盾构包裹砂浆的情况不易出现。本次出现盾壳包裹砂浆，是因为该盾构为第一台配置有主动铰接的超大直径盾构，在铰接处留出凹槽（高110mm，宽405mm），为砂浆凝固留有空间。

盾构始发期间，砂浆配比不合理也是造成砂浆包裹的主要因素。始发时间长，从5月25日建压到6月24日盾构机整体出加固区，始发加固区与盾体间空隙大（盾体直径15710mm，管片外径15200mm），砂浆非常容易流动到盾体中部。

始发到120环内隧道顶部埋深10～11m时，盾构机上部地层为液化砂层和粉质黏土。隧道顶部液化砂层和粉质黏土、淤泥质土和填筑土。整体来看，覆土浅和地层较软。且同步注浆注入位置选择靠上且注浆量偏大。前24环注浆口选择在盾构机上半部，前20环顶部两个注浆口注浆量在10～4.3m?之间。前24环同步注浆选择位置如图1所示。

3   解决方案

3.1   准备工作

3.1.1   确定振动位置

根据盾构机所在位置和砂浆包裹部位以及需避开地层内的管线的原则，首先确定施工区域和振动位置，再根据盾构轴线范围和埋深确定钢板桩规格和打入深度和数量以及间距。离切口环5.26处打第一排钢板桩如图2所示。铰接及盾尾地面位置如图3所示。

3.1.2   确定止水隔离措施

60环掘进完成后，切口里程DK1+611.536。在距离切口3.365m的B环左侧、右侧径向注浆孔位置注入450kg聚氨酯，在55环L2块位置（10点位置）注入200kg聚氨酯。聚氨酯运至一号台车前端如图3所示。注入聚氨酯如图4所示。

3.2   处理过程

61环掘进前，在盾构机顶部里程DK1+615，切口里程往盾尾方向4m处，先打一排钢板桩，其中12m的钢板桩8根，15m的钢板桩4根，共计12根，间距1m。预埋钢板桩如图6所示。现场预埋钢板桩如图7所示。

63环掘进前，在里程DK1+611，切口里程往盾尾方向4m处，再打入一排钢板桩，共计11根，间隔1m。第一排钢板桩如图8所示。第二排钢板桩如图9所示。

在61～66环掘进时，采用交替停机多点振动和边掘进边振动相结合的方法。振动遵循先中间后两侧交替进行原则，直至钢板桩领近铰接位置适当减少振动。掘进过程中保持推进速度10mm/min，每掘进5～10min，钢板桩逐次振动10～15次。钢板桩接近铰接位置时，拔高3.5cm。振动结束后钢板桩拔出后及时进行回填处理。交替多点振动如图10所示。

62环单次振动过程如下：第一阶段振动推进至200mm，开始提钻，提钻高度20cm，每根钢板桩振动时间20s；第二阶段振动推进至400mm，开始提钻，提钻高度5cm，根据振动情况分析，已打到盾壳；第三阶段振动推进至600mm，开始振动，每根钢板桩振动时间35s，距离盾壳5cm，所有钢板桩提钻5cm，恢復掘进；第四阶段振动推进至800mm，开始振动，钢板桩整体下压至离盾壳3cm，每根钢板桩振动时间35s；第五阶段振动推进至1000mm，开始振动，钢板桩整体下压至离盾壳3cm，每根钢板桩振动时间35s；第六阶段振动推进至1200mm，开始振动，钢板桩整体下压至离盾壳3cm，每根钢板桩振动时间35s；62环推进结束，开始振动，钢板桩整体下压至离盾壳3cm，每根钢板桩振动时间35s。

3.3   砂浆配备调整

经过盾壳内取样和地面打孔取芯，确认砂浆包裹盾体后，决定更改砂浆配合比。原砂浆配比水泥含量高，凝固时间短。新的砂浆去掉了水泥，提高了纤维、石灰、细沙和粉煤灰、膨润土含量。

3.4   砂浆隔离及盾壳润滑措施

从70环开始，盾构机每掘进完成一环后，在中盾与盾尾顶部超前注浆孔注入500L的膨润土。注入膨润土主要起到润滑盾壳、稀释砂浆作用，有利于防止砂浆凝结，并可有效将砂浆隔离，防止砂浆涌入铰接凹槽内。此措施一直持续到137环。膨润土注入位置如图11所示。

4   处理过程数据及效果

从61～66环开始采取钢板桩振动，经过包裹盾体的砂浆大部分被振掉后，停留在洞顶地层内，继而造成更大数值隆起，期间最大累计隆起256.12mm。根据监测数据显示，盾构机掘经过此段地层后，仍然有部分砂浆在盾体上部形成包裹。但经过振动处理和调整砂浆配比，74～102环期间，累计隆起值已下降至56.38mm，与处理前最大隆起106mm相比下降近50%。随着盾构机继续掘进，从103环开始地面隆起值已下降至10mm以内，直至114环下降至5mm以内。

4.1   砂浆脱壳处理期数据

61～66环掘进期间，采用钢板桩振动砂浆脱壳措施后，部分砂浆被振掉留在地层中，造成7月23日单日最大隆起145.39mm，24日单日隆起最大85.88，如表1所示。

4.2   振掉砂浆堆积在盾体上部时期数据

67～73环最大隆起点位数据如表2所示。67～73环掘进期间，大量砂浆被振掉脱落盾体，但掘进时振掉的凝固砂浆堆积地层中，仍然引起地面累计值隆起值较大，但单日隆起值已开始有明显下降的趋势。

4.3   仍有少量砂浆跟随时期数据

74～102环最大隆起点位数据表如表3所示。74环～102环掘进期间，包裹的砂浆大部分已经留在DK1+611和DK1+615之间，盾构主机范围地面隆起单日最大28.59mm，累计最大56.38mm，单日隆起值仍然超限。盾壳上仍有部分残留砂浆包裹盾体，跟随盾构机沿掘进轴线前进。但通过隆起数据已能明显看出，钢板桩振动砂浆脱壳处理措施已初见成效。

4.4   砂浆完全脱离盾体时期数据

103～132环最大隆起点位数据如表4所示。103～133环掘进期间，残留砂浆已基本被挂掉，留在地层中。地面隆起值也有明显变化，钢板桩振动砂浆脱壳处理措施的效果已达到。

5   结束语

泥水盾構机在珠海兴业路浅覆土段掘进中，盾体铰接前后位置出现砂浆凝结、包裹上半部盾体现象，将盾构行进线路上地面顶起，从而引起掘进里程沿线隆起，基于此提出地面立桩垂直振动的处理措施。此次砂浆凝固包裹盾体上半部，造成盾构主机铰接至盾尾沿线地面隆起，在超大直径泥水盾构上尚属全国首例。同时证明了采取钢板桩振动处理盾体包裹砂浆（脱壳）技术，是一种经济高效可复制的工程处理措施。

本次工程实例虽有其独特的因素和项目自身的原因，但也说明了钢板桩振动措施能有效的处理此类施工问题，为超大直径泥水盾构和其他盾构出现盾体包裹情况，提供了一种实用、经济、便捷的处理方式方法。

参考文献

[1] Liu Q，Huang X，Gong Q， et al. Application and development

of hard rock TBM and its prospect in China[J].Tunnelling

and Underground Space Technology，2016，57： 33-46.

[2] Huo J，Wu H，Yang J， et al. Multi-directional coupling

dynamic characteristics analysis of TBM cutterhead

system based on tunnelling field test[J].Journal of

Mechanical Science and Technology， 2015， 29（8）.

[3] 蒲晓波，赵江涛.盾构盾壳被固结砂浆包裹处理技术[J].建

筑机械化，2019，40（5）：36-38.

[4] 邓友涛.泥浆处理技术在地铁盾构施工中的应用[J].工程

与建设，2022，36（6）：1753-1755+1811.

[5] 张国云，潘真，李家洋，等.近海河道盾构施工泥水处理

技术的研究与应用[J].建筑机械，2020（10）：62-67.DOI：10.

14189/j.cnki.cm1981.2020.10.007.