盾构始发冷冻区中盾构机刀盘冻结脱困技术探究

冯屾

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

1 引言

随着地下城市空间建设的发展，盾构法施工应用越来越多，然而由于地质条件以及施工工法存在差异，在盾构施工过程中会有不同的困难。盐水冻结加固具有均匀性好、隔水效果好、污染小、冻结强度高等特点，但当冷冻机组停止工作的情况下，由于冰析效应会产生较大的膨胀量，从而导致刀盘被冻住，盾体抱死。

2 工程简介

2.1 区间概况

某工程的盾构区间为一条单线隧道，且左右线各一条盾构隧道。区间线路盾构穿越段建构筑物密集，存在有大量多层砖混结构浅基础住宅，以及1 层住宅和1～2 层办公用房，都建于20 世纪80 年代至90 年代。下穿大量5～6 层砖混结构浅基础住宅，区间右线起止里程为DK26+933.399～DK28+322.364，区间长1 388.965 m；左线起止里程为DK26+933.399～DK28+322.364，短链14.498 m，区间长度1 374.467 m。区间平面共设半径R=300 m、800 m、700 m、1 200 m 四处曲线，区间左右线线间距13～17 m。线路纵断面大致呈“V”形，最大纵坡24‰，最小纵坡2‰。

2.2 地质条件

区间穿越地层为⑥4 粉质黏土、⑦1 粉质黏土、⑧1 粉质黏土、⑧2 黏质粉土、⑨1 粉质黏土、⑨2 黏质粉土、⑩1 粉质黏土。区间场地土类别为Ⅲ类，场地土类型为中软场地土。

2.3 水文条件

区间线路场地浅层地下水主要以第四系孔隙潜水为主，赋存于Ⅱ陆相层及以下的粉土、砂层的地下水具承压性，为承压水。本段地下水埋深1.05～1.70 m。

根据地勘资料可知，该地段在勘察深度范围内的地下水有潜水、第一承压水、第二承压水；地下静止水位埋深为1.05～1.70 m，主要存在于人工填土、黏性土和粉质土中；含水层的水平向渗透性与竖向渗透性差异较大；该地段地下水在枯水期与丰水期变化明显，年平均变化值为0.8 m[1]。

第一承压水主要赋存于⑧2、⑧23、⑧24、⑨2、⑨23、⑨24粉土、粉砂层中；第二承压水主要赋存于⑪2、⑪23、⑪24、⑪25、⑪4、⑪43、⑪44、⑪45 粉土、粉砂层中，其中夹有多层相对隔水层的黏性土。承压水的渗透补给与潜水水力联系紧密，以相对含水层中的径流形式排泄为主，同时以渗透方式补给深层地下水。第一承压含水层水头标高为-1.854～-1.941 m；第二承压含水层水头标高为-2.803～-2.911 m。

2.4 冷冻设计

采用注浆+水平冻结加固的方式，加固区为杯形，杯底厚度4 m，杯壁厚2 m，杯壁长11 m（见图1）。冻结壁设计平均温度＜-12 ℃，冻结壁与地连墙交界面设计平均温度＜-5 ℃，经加固的土体无侧限抗压强度不小于3.6 MPa，抗拉强度不小于2.0 MPa，抗弯强度不小于1.5 MPa（平均温度-10 ℃）。根据冻结壁厚度布设冻结管，洞门圈内布设3 圈，钻孔间距约1.073 m；洞门圈外布设1 圈，钻孔间距约0.779 m；单洞冻结管共58 根，测温管8 根，总计66 根；单洞总长度约641.8 m（见图2）。

图1 冷冻管平面布置图

图2 冷冻加固立面图

2.5 周边建筑物、管线情况

本工程施工区域内下（侧）穿居民楼，区间正穿多层建筑，分别是砖混结构片筏基础、2 栋6 层职工宿舍（砖混结构片筏基础），基础埋深1.2 m。此范围区间覆土厚度19 m，距建筑物基础竖向距离在17 m 以上。盾构始发洞门区域内地面无重要管线。

3 刀盘脱困

3.1 盾构机主要参数

盾构机为海瑞克S757，刀盘开挖直径为φ6 440 mm，盾体直径为φ6 410 mm(前盾)/φ6 400 mm（中盾）/φ6 390 mm（尾盾），刀盘开口率为37%，脱困扭矩为6 619 kN·m，最大推力为43 426.5 kN（4 342.65t）。

3.2 刀盘受困经过

冷冻管拔除作业完成后，盾构机开始推进，推进至-3 环时，刀盘补油泵出现跳停，无法启动，导致刀盘无法启动。经过现场抢修，1.7 h 后补油泵修理完成，随后立即启动刀盘，发现刀盘出现受阻卡顿，即采取左右转动刀盘、收回交接油缸、伸缩刀盘等措施，均未能有效解决。

此时盾构机刀盘进入冷冻体93 cm，停机位置距房屋28 m（见图3）。

图3 盾构机停机位置平面图

3.3 受困原因分析

经过分析，主要受困原因如下：始发端采用杯式冷冻加固，受装机调试时间延误影响，冷冻时间超出设计冻结时间20 d；盾构机停机所处地层上部为⑧24 粉砂，下部为⑨1 粉质黏土，且上部处于承压水地层中；测温孔的平均温度均不高于-10 ℃，加固区杯底、杯壁的厚度都有不同程度的加厚，停机位置冻结壁温度达到-15 ℃左右；且掘进过程中向刀盘前注入泡沫及水，停机维修故障期间，刀盘无法进行转动，刀盘下部的泡沫、水、已切削土体结块形成整体，造成刀盘卡死[2]。

3.4 解决措施

3.4.1 地面措施

1）注浆加固

盾构机停机位置距离楼房28 m，在脱困过程中，必须保证地面不发生沉降。盾构机位置进入冷冻体93 cm，尚不具备同步注浆条件。考虑到脱困解冻过程中冷冻体融沉，为保证解冻过程中刀盘前方土体不发生流失从而导致地面塌陷，需进行地面深层注浆，控制加固体地层稳定。同时，通过地面雷达对始发加固体地面扫描，探究地层是否有空洞，判断是否会出现较大沉降，提前进行地面注浆。

2）加强监测

盾构机停机过程中，应安排专人进行地面监测；解冻过程中，应增加监测频率，根据现场实际情况增设监测点，明确掌握地表变化情况。

3.4.2 洞内措施

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）通过刀盘正反转

每15 min 启动1 次刀盘，通过刀盘正反转使刀盘突破土体，试图脱困。但由于正反转过程中，刀盘扭矩已达到设定极限值，此方案并未达到理想效果。

2）对掌子面进行升温解冻处理

通过土仓下部隔板阀门向土仓内注入热盐水（70 ℃左右），从上部隔板阀门处放出，使土仓内形成盐水循环。同时利用蒸汽机加热土仓隔板，通过热传导原理，提高土仓温度。

解冻的同时保证土仓压力，一旦冷冻体失效，土体融化进入土仓，要逐渐开始建立土仓压力进行保压。同时，根据监测情况及时调整，通过螺旋机进行排渣，安排专人对渣温进行测试，并形成记录[3]。

3）临时混凝土洞门环梁

停机位置刀盘上方⑧24 地质中存在承压水，土体解冻盾构机脱困后，在承压水的渗透下冷冻可能完全失效。盾构机脱困后，洞门密封仅依靠短套筒的止水装置，为保障盾构机的安全掘进，防止洞门发生渗漏，对钢箱外圈设置混凝土环梁加固。混凝土环梁内配筋，同时向侧墙植筋锚入混凝土环梁。

4）加设弧形钢板

盾构脱困脱出0 环后，采用2 mm 弧形钢板，将钢箱与0环管片密封，并增加注浆球阀，保证土体解冻后洞门密封的安全性。当出现渗漏时，通过球阀进行水泥-水玻璃双液浆压注。

3.5 冷冻加固区掘进的注意事项

根据现场实际刀盘受困至脱困的具体情况，相应注意事项措施如下。

1）始发前，应对盾构机进行系统性的全面调试与检修，备足相应的易损件。在盾构机调试完成至顶进冷冻体之前48 h，应反复多次进行空载运行，安排专人跟进始发筹备措施，确保盾构机的正常运行。

2）将刀盘系统与盾构机的其他系统解锁，保证盾构机在刀盘驱动以外的其他系统出现故障时，在冷冻区仍可以继续保持转动而不被冻住。

3）提前调试相关解冻设备（盐水加热及蒸汽机），刀盘一旦出现冷冻受困，立即启动应急解冻措施。

4）在盾构机台车上的膨润土箱内备满防冻液，在掘进冷冻加固区的过程中适当注入防冻液。

5）推进时，每5 min 测量1 次渣温。低于-10 ℃时，间断性地注入少量热盐水，提高土仓内渣土温度，降低并及时排土，减少仓内冻土堆积。

4 结语

在盾构法施工过程中，冷冻法加固应用越来越广泛，因此，防止盾构机在冻结土中冻住变得尤为重要。掘进前，必须做好对设备各方面的检修及保养；掘进中，要控制好盾构机的掘进参数。