復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)機(jī)水平冰凍始發(fā)技術(shù)

盧禮順

（上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司,上海 200065）

0 引言

盾構(gòu)施工隧道的工法已成為城市軌道交通、市政管道等各種隧道建設(shè)的常用方法[1]。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工技術(shù)的一大關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是盾構(gòu)施工隧道主要風(fēng)險(xiǎn)之一。盾構(gòu)始發(fā)涉及洞門端頭加固處理、洞門鑿除、盾構(gòu)始發(fā)基座安設(shè)、支撐系統(tǒng)、洞門環(huán)的安設(shè)等技術(shù)。而洞門端頭加固處理又是盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的核心，加固的成敗直接影響盾構(gòu)始發(fā)安全。本文盾構(gòu)始發(fā)周邊環(huán)境有重要管線、高架橋及社會道路，常規(guī)攪拌樁、旋噴樁、垂直冰凍加固方式因無施工場地條件而無法實(shí)施，只能選用水平冰凍加固方法。因該盾構(gòu)始發(fā)范圍中心埋深達(dá)到15.9 m，且下臥微承壓水⑤2砂質(zhì)粉土，要求選用的水平冰凍必須安全、可靠。

1 工程概況

某地鐵隧道區(qū)間上行線、下行線采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工完成，兩條隧道始發(fā)段隧道中心相距12 m。盾構(gòu)始發(fā)段隧道中心標(biāo)高-11.502 m，地面標(biāo)高4.4 m。

盾構(gòu)始發(fā)段區(qū)域地質(zhì)及地層水文參數(shù)見表1所列。盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域主要位于④灰色淤泥質(zhì)粘土和⑤2灰色砂質(zhì)粉土層，下臥⑤2層灰色砂質(zhì)粉土約占洞圈的1/5，且下臥⑤2層灰色砂質(zhì)粉土厚度達(dá)到5 m。⑤2灰色砂質(zhì)粉土層帶有微承壓水特性,易在一定的水動(dòng)力條件下易對隧道的施工產(chǎn)生涌水、涌砂等不利影響。第④層軟粘性土含水量高，孔隙比大，靈敏度高，顆粒較細(xì)，具較高的觸、流變特征。

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)及水文力學(xué)參數(shù)

該隧道盾構(gòu)始發(fā)段區(qū)域位于中山南二路上，周邊環(huán)境復(fù)雜，車流量大，緊鄰有年代久遠(yuǎn)的φ300煤氣管（鑄鐵管）和φ500上水管（鑄鐵管）等管線。另外車站施工時(shí)，新鋪設(shè)了一根φ300煤氣管（焊管）。盾構(gòu)始發(fā)口15 m處即為內(nèi)環(huán)線高架（1994年建成通車）。該高架位樁基為450 mm×450 mm預(yù)制方樁，樁長30.0 m與43.0 m。具體如圖1所示。

車站施工時(shí)，已造成了管線和高架橋的較大沉降，上水管（S242）累計(jì)最大沉降達(dá)-64.75 mm，煤氣管（M149）累計(jì)最大沉降達(dá)-62.93 mm。

盾構(gòu)始發(fā)周邊環(huán)境有重要管線、高架橋及社會道路，常規(guī)攪拌樁、旋噴樁、垂直冰凍加固方式因無施工場地條件而無法實(shí)施，只能選用水平冰凍加固方法。

圖1 隧道與內(nèi)環(huán)線高架樁基關(guān)系圖

2 基于水平凍結(jié)加固盾構(gòu)始發(fā)流程（見圖2）

圖2 基于水平凍結(jié)加固的盾構(gòu)始發(fā)流程圖

3 水平冰凍加固的設(shè)計(jì)及施工

采用在盾構(gòu)始發(fā)口周圍土層中布置水平凍結(jié)孔的加固方法，在洞口外側(cè)形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側(cè)壓力的作用，防止泥砂和地下水進(jìn)入隧道始發(fā)口，確保盾構(gòu)始發(fā)安全順利。

3.1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1.1 關(guān)于凍土墻強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

凍土墻強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用日本和我國的建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算公式，凍土墻按周邊固定圓板考慮。凍土的強(qiáng)度取值，參考上海和日本類似土層的試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)取值，原則上考慮較大的安全儲備。

3.1.2 凍土墻對地連墻的作用力問題

根據(jù)平衡關(guān)系，凍土墻與地連墻的水平作用力不會大于土層的被動(dòng)土壓力。根據(jù)永凍土地區(qū)的大量現(xiàn)場量測與試驗(yàn)，凍土作用于建筑物的法向凍脹力一般不會大于0.2 MPa。根據(jù)已有類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)凍結(jié)施工對工作井有明顯不利作用。

3.1.3 凍結(jié)引起的地表隆起和融沉處理

根據(jù)上海地鐵和煤礦凍結(jié)施工監(jiān)測，凍土墻內(nèi)的地表凍脹隆起一般不大于20 mm，地層融沉可采用隧道內(nèi)注漿相結(jié)合的方式來處理。隧道底部的凍土體可以利用隧道內(nèi)管片上預(yù)留的注漿孔進(jìn)行注漿，從而控制隧道的沉降。頂部和幫部也從隧道內(nèi)進(jìn)行分層跟蹤注漿處理。

考慮到隧道底部位于⑤2砂質(zhì)粉土中，打鉆易出現(xiàn)涌砂涌水現(xiàn)象，地層的沉降可能比較大，因此，在打鉆之前，對隧道底部進(jìn)行雙液漿注漿加固，增加土體自身的承載力。最終達(dá)到減少沉降的目的。

3.2 設(shè)計(jì)及施工

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算，盾構(gòu)始發(fā)設(shè)計(jì)凍結(jié)壁有效厚度為2.5 m即滿足要求，實(shí)際設(shè)計(jì)凍土帷幕有效厚度4.0 m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度小于-10℃。

外圈凍結(jié)孔深度6m（φ7700），中圈凍結(jié)孔深度5.4 m，內(nèi)圈凍結(jié)孔深度5.4 m。單根管材長度以2～3 m為宜，凍結(jié)管采用絲扣連接而成。凍結(jié)管長度和偏斜合格后進(jìn)行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制在0.7～1.0 MPa之間，穩(wěn)定30 min，壓力無變化者為試壓合格。

凍結(jié)管試壓合格后下入供液管，供液管底端連接0.3 m高的支架。然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。供液管用ф48×4mm鋼管，凍結(jié)器羊角均用1.5"鋼管加工。

水平凍結(jié)孔上、下行線各設(shè)置56個(gè)。具體水平凍結(jié)孔布置如圖3所示和主要參數(shù)如表2所列。

凍土墻的擴(kuò)展速度取25 mm/d。估計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間40d后可以進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)工作。

3.3 輔助措施

3.3.1 端頭井底部預(yù)注漿

在打鉆之前，對隧道底部進(jìn)行雙液漿注漿加固，增加土體自身的承載力。

圖3 盾構(gòu)始發(fā)水平凍結(jié)孔布置圖

表2 盾構(gòu)始發(fā)水平凍結(jié)加固凍結(jié)主要參數(shù)表

在端頭底部布置8個(gè)預(yù)注漿孔，深度6 m。鉆孔直徑Φ50 mm，用Φ50取芯鉆頭鉆進(jìn)。鉆孔完成后，下入注漿花管。花管直徑Φ38.1 mm，長度為6 m，沿管子縱向每隔200 mm為一個(gè)斷面，鉆一組出漿孔，沿環(huán)向每90°布置一個(gè)注漿孔。單孔注漿12 m3，分三次注漿。注漿壓力不大于6 kg/cm2。8個(gè)預(yù)注漿孔跳隔間隙式注漿。

3.3.2 融沉處理

盾構(gòu)始發(fā)部位安置4環(huán)多注漿孔的特殊管片。每環(huán)預(yù)留注漿孔15個(gè)，其位置如圖4所示。

圖4 融沉處理布孔示意圖

3.3.3 雙液漿配合比（見表3）

表3 基準(zhǔn)配合比表（1 000L）

4 水平凍結(jié)加固盾構(gòu)始發(fā)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)及對策

4.1 洞門滲漏而產(chǎn)生涌水、涌砂

盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域主要位于④灰色淤泥質(zhì)粘土和⑤2灰色砂質(zhì)粉土層，⑤2層為微承壓含水層，需注意土層中的承壓水頭，在一定的水動(dòng)力條件下易對隧道的施工產(chǎn)生涌水、涌砂等不利影響。盾構(gòu)機(jī)停留時(shí)間較長，導(dǎo)致洞門外圈凍結(jié)壁破壞時(shí)，微承壓水通過盾構(gòu)機(jī)縫隙滲漏。洞門外圈凍結(jié)管有效長度僅4.5 m，無法將盾構(gòu)機(jī)全部全包，待盾構(gòu)機(jī)推出凍結(jié)區(qū)域后，微承壓水可能通過盾構(gòu)機(jī)縫隙及盾構(gòu)機(jī)注漿包管滲漏。

防止洞門涌水涌砂的輔助措施：

安裝止水箱體2套（簾布橡膠板、圓環(huán)板、扇形板及相應(yīng)的連接螺栓和墊圈）。安裝時(shí)壓板螺栓應(yīng)可靠擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，防止盾構(gòu)始發(fā)后同步注漿漿液泄漏。

盾構(gòu)在始發(fā)前，在千斤頂最前端位置打6個(gè)注漿孔（開孔時(shí)避開千斤頂油缸）。若洞門有漏水情況時(shí)，盾構(gòu)機(jī)靠上洞門后，先通過止水箱上預(yù)留注漿孔壓注雙液漿或聚氨酯止水，待盾構(gòu)開孔位置進(jìn)入洞圈后壓注雙液漿、厚漿或聚氨酯止水。盾構(gòu)完全進(jìn)入洞圈后，在止水箱、+2、+4環(huán)位置打環(huán)箍止水。

在盾構(gòu)始發(fā)期間，外排凍結(jié)管繼續(xù)凍結(jié)，確保盾構(gòu)機(jī)與加固土體間無流水通道。

由于盾構(gòu)機(jī)外部注漿孔(4點(diǎn))與簾布橡膠板存在流水通道,始發(fā)前用砂漿將這個(gè)空隙抹平。

洞圈內(nèi)的凍結(jié)管長度為4.2 m或4.7 m，此次分兩次進(jìn)行拔除，在鹽水箱內(nèi)安裝80kW電熱管，鹽水加熱至70℃后開始拔管，拔管后用預(yù)制好的水泥砂漿柱塞入凍結(jié)孔，凍結(jié)孔端部用水不漏封堵。

4.2 刀盤凍結(jié)

盾構(gòu)刀盤出現(xiàn)故障或長時(shí)間停留時(shí)，導(dǎo)致盾構(gòu)凍住，無法推進(jìn)；盾構(gòu)不均勻推進(jìn)，導(dǎo)致盾構(gòu)刀盤卡死，無法推進(jìn)。

防止刀盤與凍結(jié)土體凍結(jié)措施：

（1）保證盾構(gòu)機(jī)始發(fā)期間刀盤不出任何故障：a.始發(fā)前，進(jìn)行充分調(diào)試，組織專家加強(qiáng)對刀盤的驗(yàn)收工作，并解除刀盤連鎖；

b.始發(fā)期間，有豐富經(jīng)驗(yàn)的盾構(gòu)機(jī)保駕人員24 h就位，一旦有機(jī)械故障，能第一時(shí)間排除故障。

（2）人員配備：

盾構(gòu)司機(jī)選用經(jīng)驗(yàn)豐富、素質(zhì)高、技術(shù)好、有責(zé)任心的人員來完成此次盾構(gòu)推進(jìn)工作，以確保每個(gè)施工環(huán)節(jié)不出錯(cuò)。

（3）始發(fā)期間，刀盤應(yīng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，增設(shè)刀盤輔助系統(tǒng)，以備緊急情況時(shí)使用。

（4）在隧道安裝軸流風(fēng)機(jī)，能大大緩解盾構(gòu)設(shè)備冰凍。

（5）磨凍結(jié)區(qū)時(shí)盾構(gòu)勻速推進(jìn)，正面適當(dāng)加注鹽水，防止刀盤凍住或卡死。

4.3 管線及高架沉降

盾構(gòu)刀盤卡死或凍住，采取強(qiáng)制解凍的方式對周邊管線及內(nèi)環(huán)線高架樁基存在較大風(fēng)險(xiǎn)；洞門發(fā)生滲漏情況時(shí)，導(dǎo)致地表驟降，嚴(yán)重影響周邊管線及高架的安全。

減小管線及高架沉降措施：

為了確保盾構(gòu)始發(fā)和周邊環(huán)境（尤其是管線）的安全，如圖5所示，在車站下一層板上預(yù)埋2排共9根Φ32注漿花管（向下傾斜5°）。根據(jù)地面沉降情況進(jìn)行注漿（地面略有上臺），并在管線上布設(shè)直接監(jiān)測點(diǎn)，在盾尾到達(dá)管線前可起一定的應(yīng)急作用，一旦盾尾過管線后，還可在隧道內(nèi)進(jìn)行注漿。

圖5 水平注漿管布置圖

為確保始發(fā)期間，組織落實(shí)、管理落實(shí)、材料落實(shí)、人員及時(shí)到位，項(xiàng)目部主要管理人員24小時(shí)輪流值班，監(jiān)測人員24 h現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測。管理人員根據(jù)沉降變化數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，將指令通過內(nèi)線電話通知盾構(gòu)駕駛室，盾構(gòu)推進(jìn)后的效果又反映到監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化。如此循環(huán)，做到動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)信息化施工。其具體細(xì)節(jié)處理如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)始發(fā)細(xì)節(jié)處理圖

該區(qū)間采用洞門水平凍結(jié)加固效果良好，上、下行線盾構(gòu)機(jī)均順利始發(fā)，在始發(fā)過程中雖洞門有少許的漏水和漏砂，但通過注雙液漿和聚氨酯能迅速的將其封堵。

另外，洞門上加裝止水箱體起到了很好的止水效果，在洞門有漏水、漏砂情況時(shí)，盾構(gòu)機(jī)迅速靠上洞門后，可以先通過止水箱上預(yù)留注漿孔壓注雙液漿或聚氨酯止水，待盾構(gòu)機(jī)開孔位置進(jìn)入止水箱體后壓注雙液漿、厚漿或聚氨酯止水。盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)入洞圈后，在止水箱位置打環(huán)箍止水。

由于采用洞門水平凍結(jié)加固，周邊環(huán)境比較復(fù)雜，待停止凍結(jié)后，融沉?xí)χ苓叚h(huán)境產(chǎn)生較大影響。為了控制沉降，并根據(jù)地表及隧道沉降監(jiān)測結(jié)果，采取了兩種方式：（1）隧道內(nèi)融沉注漿；（2）預(yù)留水平注漿管內(nèi)注漿。

5 結(jié)論與建議

（1）在復(fù)雜工況下采用洞門水平凍結(jié)加固確保了上、下行線盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)。

（2）在復(fù)雜地層施工時(shí)要加強(qiáng)管理，減少承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)，施工時(shí)仔細(xì)研究地質(zhì)勘察報(bào)告，并制定科學(xué)合理的施工管理方法。

（3）洞門外圈凍結(jié)管在有條件的情況下，適量加長，最好將盾構(gòu)機(jī)全部包住，但是必須防止刀盤被凍住。

（4）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)前，必須做好始發(fā)的一切準(zhǔn)備工作，已確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)施工的萬無一失。

[1]劉建航、侯學(xué)淵,盾構(gòu)法隧道[M].