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盾构螺旋机出土异常案例分析

摘  要:以广州地铁 13 号线盾构机掘进过程中螺旋机出土异常情况为例,对盾构螺旋机出土异常情况进行解析,根据相关施工经验,总结后续施工过程中为避免出现类似情况而采取的处理措施和预防措施,以对今后类似情况有所帮助。 
1 工程概况
  广州地铁 13 号线首期工程(鱼珠—象颈岭)施工9 标盾构区间位于增城区新塘镇北广深铁路旁。区间起于新新公路和港口大道以西的新塘站,出站后沿规划107 国道向东行进,沿途穿越新新公路、荔新公路、厂区及农田后,经龙塘村、瑶田村,终止于官湖村。区间中间设置 32 号风井兼盾构始发井,向西为新塘站,向东为官湖站。区间主要采用 2 台土压平衡三菱盾构机(1636#、1637# Φ6260 EPB)进行盾构施工,先从32号风井往新塘站方向始发,左、右线分别掘进至31 号盾构井,在新塘站吊出,转场回到 32 号风井进行二次始发,再向官湖站掘进,最后在官湖站吊出。 区间盾构掘进示意见图 1。
2 始发端头加固方法及地质条件
2. 1 端头加固方法
  32 号风井—官湖站右线盾构区间,长 1706.162 m。始发端头加固采用 800 mm 厚 C20 素混凝土连续墙+袖阀管注浆+降水井加固措施,沿隧道纵向加固 10 m长。 盾构始发洞门维护结构采用 800 mm 厚玻璃纤维筋混凝土,始发前已人工破除 500 mm 厚,剩余 300 mm厚混凝土由盾构机直接切削。
2. 2 端头地质条件
  隧道上方有杂填土层①1 标高为 12.62~14.92 m,素填土层①2 标高为 8.92~12.62 m,粉质黏土层②4 标高为 7.72~8.92 m,中粗砂层③2 标高为 3.72~7.72 m,砂质黏土层⑤Z1 标高为 0.92~3.72 m,砂质黏土层⑤Z2 标高为-1.48~0.92 m,全风化混合岩层⑥Z 标高为-10.38~-1.48 m,强风化混合岩层⑦Z 标高为-14.08~-10.38 m。隧道洞身有砂质黏土层⑤Z2,全风化混合岩层⑥Z。 隧道埋深为 14 m。
3 盾构螺旋机出土异常处理过程
1)2015 年 3 月 26 日上午 11:00 左右,该区间右线盾构正在推进正 5 环时,出现螺旋机出土不顺畅,之后螺旋机无法排土,但螺旋机能正常正反转,且相关盾构掘进参数无异常,盾构掘进推力、刀盘扭矩、速度和土仓压力均无异常。根据初步断定,可能是因为盾构机在破除加固区素混凝土连续墙时突然出现崩裂,碎落的大混凝土块将螺旋机进土口堵住,导致土仓内渣土难以排出。 针对该种情况,现场施工人员尝试利用刀盘搅拌臂将螺旋机进土口的混凝土块挪开、打碎并迅速排出,但效果并不明显,螺旋机还是无法排土。
2)在尝试螺旋机多次正反转措施失败后,决定从螺旋机闸门口填塞 200 多个泥袋,通过螺旋机反转将泥袋送入土仓,并在螺旋机上安接注浆管路,把闸门关上,利用柱塞泵往螺旋机内注入体积约 6 m³膨润土浆液,尝试通过注浆压力及泥袋将堵在螺旋机进土口的混凝土块冲开。 在注入 3 m³膨润土浆液时土仓压力从1.85 MPa 慢慢上升到 1.95 MPa,后迅速上升到 2.40 MPa,说明螺旋机进土口已被疏通,再转动刀盘将渣土搅拌均匀,最后尝试顺转螺旋机,土仓渣土顺利排出,并完成第 5、6 环掘进及管片拼装。
3)2015 年 3 月 27 日推进第 7 环时,发现螺旋机再次排土不顺畅,断断续续。 土仓压力因排土不畅从1.80 MPa 迅速上升到 2.10 MPa,因此只能停止推进,再次采取螺旋机内填入泥袋和注入膨润土浆液疏通螺旋机进土口的措施。螺旋机进土口再一次被疏通,并继续掘进施工,在向前推进 32 cm 时,螺旋机排土又开始不通畅,后将螺旋机转速调到 17 r/min,扭矩调到 18 kN·m,螺旋机还是无法排土,反复多次采取上述措施,均无法排土;随后又将土仓各个点位的球阀注浆管打开,核实注浆管是否有泥浆漏出或土仓压力是否会突然下降。打开各个球阀注浆管后,均未出现明显的变化,较下面点位的球阀注浆管,仅有少量的泥浆冒出,因土仓里的土基本上满仓,加上盾构掘进过程中往仓内注入泡沫剂等,会有些泥浆冒出,但还是不能正常排土。
4)考虑到盾构机始发至今,仅掘进了 7 环,且盾构机刀盘也刚脱离端头加固区,因此尽量不采取开仓检查方案,于是再次尝试采用混凝土碎渣装袋通过螺旋机反转送入进土口,并注膨润土浆液将螺旋机进土口疏通的方式进行处理。
4 盾构螺旋机出土异常原因分析
4. 1 地质条件变化
  盾构掘进第 5、6、7 环时,洞身范围内的地质情况均以砂质黏土层⑤地层为主,以及少量的全风化混合岩层⑥地层。 盾构刀盘所在位置未设有地质勘察孔和地质补勘孔,不能准确有效地反映该区域内真实的地质情况,与后来盾构螺旋机排出的高岭土相差甚远。
4. 2 渣样分析不及时
  盾构掘进第 4 环时,现场有作业工人在皮带机上发现少量类似高岭土的渣样,但未引起足够的重视,未及时将情况反映给现场技术员,耽误了最佳解决时间。
4. 3 螺旋机连接杆出现裂痕
  在螺旋机不能正常排土时,未及时打开螺旋机上、下观察口,以致于不断往螺旋机里加混凝土试块和注入膨润土浆液,导致螺旋机连接杆转动时负荷加重,产生裂痕
4. 4 螺旋机不能伸缩
  该盾构机在设计上没能考虑到螺旋机伸缩的问题,所以在螺旋机排土异常时,不能采用伸缩螺旋机的方式来解决问题。 现如今市场中的螺旋机均能伸缩,为解决施工过程中出现的类似问题提供了便利。
4. 5 渣土中存在大量高岭土
  高岭土化学成分相当稳定,外观依成因不同可呈松散的土块状及致密状态岩块状,湿土能塑成各种形状而不易破碎,并能长期保持形状不变。因高岭土成份稳定,且致密性强,不易被搅拌棒搅碎,如在螺旋机进土口出现大块的高岭土时,极易将螺旋机进土口封死,导致螺旋机不能正常排土。 高岭土土样见下图 。
5 盾构螺旋机出土异常处理措施
5. 1 焊接螺旋机连接杆裂痕
  首先将螺旋机连接杆焊接好,在焊接时要注意温度的升降,不能急速降温。 经过约 1.5 d 的焊接,螺旋机连接杆焊接完成,并经现场检查确认后,关闭螺旋机上观察口。
5. 2 减少渣样中的高岭土
  再次往螺旋机里塞混凝土块,同时注入膨润土浆液,增加螺旋机筒内润滑流动性,一段时间后螺旋机出了体积约 30 m3的土,该部分土中大部分为原来填入螺旋机中的土,也发现少量的高岭土。 随后继续出土,发现后续出的渣样中含有大量的高岭土。在第 7 环出的渣土中,超过 2/3 渣样为高岭土,随后第 8 环的渣样中的高岭有所减少,之后的第 9 环渣样中已基本无高岭土。
6 结论
1)时时关注掌子面地质情况,及时对盾构掘进渣样进行分析,如有异常时,应及时做好相关的应对措施并进行渣土改良。
2)加强对盾构设备的维修保养,如有异常时,应及时维修并确保相关设备不带病作业。
3)如遇到地质情况和地勘报告均与现场实际情况不相符时,应及时再次对刀盘前方土体进行地质补勘,以确认地质情况。
4)不可盲目开仓检查,如遇到突发情况,必须得开仓时,须制定切实可行、安全可靠的开仓方案和做好应急准备工作。
5)螺旋机如不能排土时,首先应打开上、中、下观察口,确认螺旋机设备是否有故障,不可盲目正反转,以免损坏螺旋机叶片、连接杆等。

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