冷凍工法在全斷面砂層中更換盾構(gòu)機尾刷探析
——以福州地鐵4號線某區(qū)間為例

姚奮宗

(福州地鐵集團有限公司 福建福州 350001)

0 引言

盾構(gòu)施工因其具有施工安全、機械化程度高、掘進速度快、勞動強度低、不影響地面交通及設(shè)施、施工中沒有噪音等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)。盾構(gòu)機盾尾刷安裝在盾構(gòu)主體的最后端，作用是防止地下水、砂土、壁后同步注漿液從管片與盾尾的縫隙間進入。但施工過程中盾構(gòu)機盾尾刷易損壞且較難更換,影響了盾構(gòu)施工工法的掘進安全?；?，以福州地鐵4號線第3標段10工區(qū)會展中心——林浦站區(qū)間工程為例，探析其采用冷凍工藝在全斷面砂層更換盾構(gòu)機尾刷工藝。

1 工程概況

福州地鐵4號線會展中心站～林浦站區(qū)間左線起終點里程ZDK42+827.967～ZDK41+275.179，設(shè)一個長鏈9.774m，全長1562.562m、右線起終點里程YDK42+827.967～YDK41+275.642，全長1552.325m。會林區(qū)間南起4號線林浦站小里程端頭，依次側(cè)穿潘墩新城小區(qū)，下穿浦下河、DN2000雨污河流管、南江濱東大道、側(cè)穿霞洲路U型通道和會展中心進入會展中心站大里程端頭。區(qū)間隧道覆土最大厚度約21.4m，最小厚度約為10.7m，共設(shè)1個聯(lián)絡(luò)通道和1個聯(lián)絡(luò)通道兼廢水泵房。該區(qū)間兩臺盾構(gòu)機從4號線林浦站小里程端頭始發(fā)，掘進至?xí)怪行恼敬罄锍潭祟^接收吊出。

會林區(qū)間左線于4月8日～4月21日完成下穿浦下河及擋土墻(353～567環(huán))。在基巖突起段及富水砂層中，盾尾刷失效，在619～643環(huán)掘進過程中盾尾出現(xiàn)漏漿、漏水及少量中粗砂，于5月5日643環(huán)掘進完成后停機。此時，盾構(gòu)機處于全斷面含泥中細砂<2-4-6>中(圖1),隧頂埋深19m,與浦下河河水的水力聯(lián)系較密切，該地層透水性強，地下水水頭壓力高，更換尾刷施工風(fēng)險大。經(jīng)專家充分討論，為了滿足更換盾尾刷施工的止水需要，保證在富水砂層中更換盾尾刷施工的安全，決定采用冷凍功法輔助盾尾刷的更換。

圖1 盾構(gòu)機停機更換尾刷地層

2 冷凍工法在全斷面砂層中更換盾構(gòu)機尾刷的應(yīng)用

2.1 凍結(jié)施工工藝流程

采用鹽水循環(huán)作為冷量傳遞凍結(jié)封堵盾體外側(cè)的土體，在凍土帷幕保護下，更換盾構(gòu)機第1道盾尾刷。主要施工順序如圖2所示。

圖2 凍結(jié)施工工藝流程圖

2.2 凍結(jié)設(shè)計

為了滿足換盾尾刷施工的止水需要，對644環(huán)和645環(huán)鋼管片進行特殊加工，將每塊管片內(nèi)設(shè)置內(nèi)弧板和環(huán)向隔板，在每塊管片的內(nèi)、外弧面之間形成具有單向通道的隔腔；每環(huán)帶隔腔的鋼管片拼裝完成后，在每塊管片隔腔的兩端分別安裝去回路鹽水管，對整環(huán)鋼管片后面的土體進行凍結(jié)，鹽水流向示意與效果圖如圖3所示。

圖3 鹽水流向示意與效果圖

利用鋼管片預(yù)留隔腔，采用低溫鹽水循環(huán)與管片外的土體進行熱交換，形成有效凍結(jié)壁。設(shè)計凍結(jié)壁厚度≥0.5m，凍結(jié)壁平均溫度≤-8℃。

為減少鋼管片隔腔內(nèi)低溫鹽水的熱量損失，在鋼管片內(nèi)表面敷設(shè)多排冷凍排管，排管間距不大于400mm；冷凍排管采用φ45無縫鋼管，排管敷設(shè)密貼隧道管片。

管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層，敷設(shè)范圍不小于設(shè)計凍結(jié)壁邊界外2m。保溫層采用阻燃(或難燃)的軟質(zhì)塑料泡沫軟板，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04W/m·h，吸水率不大于2%，且不得浸泡在水中。保溫層厚度不小于40mm，保溫層厚度不小于60mm。保溫板材采用專用膠水將保溫板密貼在隧道管片上，板材之間確保沒有縫隙。

凍結(jié)壁厚度500mm，土體平均溫度-8℃，凍土發(fā)展速度以25mm/d計算，同時考慮凍土發(fā)展的不均勻性等因素，積極凍結(jié)時間約20d，形成凍土帷幕。根據(jù)計算分析理論結(jié)果，同時主要結(jié)合現(xiàn)場實際測溫結(jié)果而定，綜合把控凍結(jié)成效[1]。

通過有限元(ANSYS)有限元模擬分析，對簡化條件進行模擬分析，凍結(jié)壁設(shè)計縱剖面和截面圖如圖4所示。

圖4 凍結(jié)壁設(shè)計縱剖面和截面圖

2.3 冷凍施工

(1)冷凍管片保溫

在冷凍管片和前一環(huán)砼管片范圍內(nèi)的隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層，保溫層厚度50mm。保溫層采用橡塑保溫材料，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04w/mk[2]。

(2)積極凍結(jié)

積極凍結(jié)5d鹽水溫度降至-28℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃。如鹽水溫度和鹽水流量達不到計算要求，則延長積極凍結(jié)時間。為確保凍結(jié)封水的可靠性。凍結(jié)施工中，該工程根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，對凍結(jié)效果進行分析判斷，并在薄弱環(huán)節(jié)，打探孔檢驗實際凍結(jié)效果。根據(jù)具體情況，最終確定積極凍結(jié)時間。在積極凍結(jié)過程中，根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否達到設(shè)計厚度，測溫判斷凍土帷幕交圈并達到設(shè)計厚度后，通過鋼管片預(yù)留孔打探孔，確認凍土帷幕后更換盾尾刷[3]。

(3)解凍及融沉

盾尾刷更換完成后，盡快恢復(fù)盾構(gòu)推進。推進前，對盾構(gòu)機尾部盾殼環(huán)帶周邊的凍土實施解凍。即在原管路通熱水，采用電加熱法提供熱水，進行熱水循環(huán)解凍。同時，通過644環(huán)、645環(huán)鋼管片預(yù)留孔對凍結(jié)區(qū)域進行充填注漿、防止凍土融沉。融沉注漿配合測溫孔測溫及隧道變形、地面沉降監(jiān)測進行。

當(dāng)隧道單天沉降大于0.5mm，或累計隧道沉降大于1.0mm時，進行融沉補償注漿；當(dāng)?shù)乇砺∑疬_到2.0mm時暫停注漿，即停止融沉補償注漿[4]。在凍結(jié)壁已全部融化，且未注漿的情況下，實測地層沉降持續(xù)半個月，每天不大于0.1mm，停止融沉補償注漿[5]。

注漿開孔時，鉆桿深度穿透同步漿液(抽出鉆桿后，有滲水)，注漿順序為：“隧道底部→隧道兩側(cè)→隧道頂部”。注漿材料以水泥漿(P042.5)為主，水灰比為0.8～1.0，注漿壓力≤0.5MPa，單環(huán)注漿量≤4m3[6]。

2.4 盾尾刷更換

(1)管片拆除及安裝

①利用拼裝機抓舉頭抓緊K塊管片拼裝頭，拆除K塊管片縱向及環(huán)向螺栓，松開10點位推進油缸，拆除K塊管片，并放于電瓶車管片平板上；再利用拼裝機拆除L1塊管片，并放于電瓶車管片平板上。對原K、L1塊管片位置磨損盾尾刷進行更換；

②利用拼裝機抓舉頭抓緊L2塊管片拼裝頭，拆除L2塊管片縱向及環(huán)向螺栓，松開7、8、9點位推進油缸，將L2塊管片旋轉(zhuǎn)至K、L1塊管片位置進行拼裝，并安裝環(huán)向螺栓及油缸頂緊管片。對原L2塊管片位置磨損盾尾刷進行更換；

③利用拼裝機抓舉頭抓緊B2塊管片拼裝頭，拆除B2塊管片縱向及環(huán)向螺栓，松開4、5、6點位推進油缸，將B2塊管片旋轉(zhuǎn)至L2塊管片位置進行拼裝，并安裝環(huán)向螺栓及油缸頂緊管片。對B2塊管片位置磨損盾尾刷進行更換；

④利用拼裝機抓舉頭抓緊B3塊管片拼裝頭，拆除B3塊管片縱向及環(huán)向螺栓，松開1、2、3點位推進油缸，將B3塊管片旋轉(zhuǎn)至B2塊管片位置進行拼裝，并安裝環(huán)向螺栓及油缸頂緊管片。對原B3塊管片位置磨損盾尾刷進行更換；

⑤利用拼裝機抓舉頭抓緊B1塊管片拼裝頭，拆除B1塊管片縱向及環(huán)向螺栓，松開14、15、16點位推進油缸，將B1塊管片旋轉(zhuǎn)至B3塊管片位置進行拼裝，并安裝環(huán)向螺栓及油缸頂緊管片。對原B1塊管片位置磨損盾尾刷進行更換；

⑥利用拼裝機將拆下的L1、K塊管片拼裝到位，安裝縱向及環(huán)向管片螺栓，利用推進油缸頂緊管片；

⑦645環(huán)管片拼裝到位后，對縱向及環(huán)向螺栓進行復(fù)緊。

管片繞管環(huán)中心旋轉(zhuǎn)的角度以保證K塊位置為準，管環(huán)順時針旋轉(zhuǎn)67.5°，即K塊盾尾更換前位于10點位置，盾尾刷更換后位于13點位置。

(2)盾尾刷拆除

①拆除盾尾刷位置的一塊管片即可暴露盾尾刷。對暴露的盾尾刷立即進行清理工作，多人同時用鏟刀將盾殼、油脂腔內(nèi)附著的砂漿、油脂等雜物清理干凈。在清理雜物同時，檢查油脂注入孔是否暢通。

②清理完成后，對盾尾刷進行檢查，對于暴露出來的盾尾刷采用碳棒氣刨。氣刨前，利用石棉被將拼裝機油管、電纜等部分遮蓋，避免焊渣損壞管線、設(shè)備。割除完成后，對割除區(qū)域進行磨光處理。

③新盾尾刷安裝

割除的部分采用二保焊機重新焊接新的盾尾刷，按盾尾刷安裝順序依次搭接安裝，在最后1塊焊接時，根據(jù)實際尺寸需要進行切除，確保兩塊尾刷之間有足夠搭接長度。用Φ5mm焊條對密封盾尾刷進行重新焊接，焊接質(zhì)量要求相鄰盾尾刷之間的間距不大于3mm。

④清理或更換完成后的盾尾刷，往盾尾刷和盾尾刷之間的密封槽重新涂抹盾尾密封油脂。手涂盾尾油脂、飽滿，涂抹前，檢查機打油脂孔是否被堵塞，若堵塞，即予以疏通；涂抹時，分層將鋼絲刷撥開后填入油脂；涂抹后，每層油脂填塞飽滿，不掉落、不漏涂。油脂涂抹質(zhì)量須經(jīng)工程師檢驗合格后進行管片拼裝。對涂抹完成的油脂區(qū)域進行覆蓋保護膜，管片拼裝前撤除保護膜。

⑤管片安裝到位后，用盾尾油脂泵泵送盾尾密封油脂，填充人工涂抹不密實的盾尾刷凹槽和盾尾刷。設(shè)置盾尾油脂泵的工作壓力，達到設(shè)定壓力值后方可停止。

3 結(jié)語

綜上實踐認為：

(1)采用在鋼管片內(nèi)側(cè)布置凍結(jié)管進行鹽水循環(huán)，可大大增加與土體接觸面積，縮短冷凍施工工期，積極凍結(jié)20d時，外側(cè)凍結(jié)壁厚度可以達到0.5m以上。

(2)鋼管片和混凝土管片的導(dǎo)熱性能較好，為了強化凍結(jié)效果、減少隧道內(nèi)空氣對流換熱對凍結(jié)效果的影響，建議在鋼管片內(nèi)側(cè)布置冷凍排管，并敷設(shè)保溫層。

(3)受計算模型限制，本計算沒有考慮開挖后盾尾刷拆除焊接對凍結(jié)壁的影響，實際上由于焊接溫度過高，而鋼管片的導(dǎo)熱性能良好，對凍土長期暴露及焊接工作必然造成凍土融化。為了保證盾尾刷更換工作安全性，應(yīng)嚴格減少凍土暴露時間，加快焊接施工速度，將焊接造成的凍土融化范圍控制在30cm之內(nèi)。

(4)盾尾刷更換工作分片進行，在更換某環(huán)盾尾刷時，其余管片繼續(xù)保持凍結(jié)。更換后的鋼管片應(yīng)立即投入鹽水循環(huán)。