盾構(gòu)隧道凍結(jié)法與鋼套筒聯(lián)合接收施工技術(shù)

沈 偉，俞 淼，付春青，劉 維*

(1. 蘇州軌道交通集團有限公司，江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215131；3. 北京住總集團有限責(zé)任公司，北京 100101)

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下進行盾構(gòu)進出洞施工有很大的風(fēng)險，端頭加固措施被應(yīng)用于工程中來提高洞門區(qū)域土體強度.端頭加固可以較好地提高進出洞區(qū)域土體強度，降低土體透水特性.針對端頭加固土體穩(wěn)定性，有學(xué)者利用經(jīng)典土體穩(wěn)定理論[1-3]，建立了洞門土體穩(wěn)定模型，并由此估算端頭加固范圍[4].此外，不少學(xué)者采用現(xiàn)場壓水試驗對端頭加固土滲透性進行研究，并提出了加固土滲透系數(shù)參考值(k<10-5cm/s)[5].

凍結(jié)法是端頭加固方法之一，可用于不穩(wěn)定土層以及含水豐富的裂隙巖層，適用于涌水量較大的流砂層.并且凍結(jié)法加固的地層具有強度高、封水性好等優(yōu)點.鋼套筒接收技術(shù)可以在破除洞門前為盾構(gòu)掘進施工建立水土平衡環(huán)境，具有較高的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，被逐漸應(yīng)用到盾構(gòu)接收施工中.針對鋼套筒技術(shù)的研究主要從填料、密封性及施工適應(yīng)性等方面展開[6-7].目前，富水地區(qū)盾構(gòu)接收工程中主要采取鋼套筒技術(shù)與端頭加固聯(lián)合使用[8-11]，例如：武漢軌道交通3號線一期工程香港路～惠濟二路區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)采用鋼套筒與凍結(jié)法端頭加固聯(lián)合工法；蘇州軌道交通4號線陽澄湖路站—金民西路站區(qū)間盾構(gòu)接收工程采用鋼套筒及素混凝土連續(xù)墻組合加固措施.

本文以蘇州軌道交通5號線某區(qū)間中間風(fēng)井盾構(gòu)接收工程為例，場地周圍水系復(fù)雜，地下水豐富，土層透水性極強，工程性質(zhì)差.為使盾構(gòu)接收能夠在富水軟弱土層中順利安全地進行，并且對地層擾動較小，設(shè)計采用凍結(jié)法與鋼套筒法聯(lián)合施工技術(shù).

1 工程概況

蘇州市軌道交通5號線某盾構(gòu)區(qū)間左線隧道全長1 677.361 m，采用直徑為6 440 mm土壓平衡盾構(gòu)進行施工.盾構(gòu)隧道沿途下穿河流、立交橋樁基、橋梁等建構(gòu)筑物、管線及312國道后接至中間風(fēng)井.

中間風(fēng)井場地區(qū)域地層分布如圖1所示.風(fēng)井基坑深度約為23.8 m，地連墻圍護結(jié)構(gòu)深度為36.3 m.端頭區(qū)間隧道洞門范圍主要分布有④粉砂、⑤粉質(zhì)粘土、⑥-1粉質(zhì)粘土，其中洞門范圍內(nèi)約有1/2斷面為粉砂層.各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所列，地層含水量較高，其中④層灰色粉砂液性指數(shù)大于1，透水性強，自穩(wěn)性差，滲流作用下容易發(fā)生涌沙；⑤粉質(zhì)粘土、⑥-1粉質(zhì)粘土呈軟塑狀，具有壓縮性高、靈敏度高、抗剪強度低等特點，擾動作用下容易產(chǎn)生較大變形.場地周邊水系復(fù)雜，周邊50 m范圍內(nèi)有江河連通，流量極大，地下水豐富.地下水穩(wěn)定埋深約為1 m，微承壓水主要賦存于③層砂質(zhì)粉土和④層粉砂中，承壓水主要賦存于⑦層砂質(zhì)粉土中.

圖1 中間風(fēng)井端頭區(qū)域示意圖(單位：m)Fig.1 Profile of the tip area of the intermediate wind well (unit:m)

隧道洞門區(qū)域地層工程性質(zhì)差，中間風(fēng)井接收施工風(fēng)險高.因此，現(xiàn)場采取凍結(jié)加固與鋼套筒法聯(lián)合接收施工技術(shù)，以提高土體強度和穩(wěn)定性，降低施工洞門滲漏風(fēng)險，提高盾構(gòu)到達接收的安全性.

2 凍結(jié)加固與鋼套筒聯(lián)合工法設(shè)計

2.1 洞門冷凍加固設(shè)計

凍結(jié)法在隧道工程端頭井加固中得到了廣泛的應(yīng)用[12-15].如圖2所示，中間風(fēng)井端頭加固采用“杯形”凍結(jié)壁設(shè)計，“杯底”有效厚度為3.0 m；“杯壁”長度為4.0 m，有效厚度為1.6 m.凍結(jié)時間為35 d，設(shè)計最低鹽水溫度為-28～-30 ℃，凍結(jié)壁設(shè)計平均溫度不高于-10～-15 ℃，凍結(jié)孔單孔鹽水流量為5 m3/h.設(shè)計取凍土單軸抗壓強度為2.93 MPa，彎折強度為1.8 MPa，直剪強度為1.5 MPa(-10 ℃).

如圖3所示，洞門區(qū)域采用梅花形布置，共打設(shè)Φ89 mm×10 mm水平凍結(jié)孔共57個，凍結(jié)孔共布置3圈凍結(jié)孔和洞門正中1個凍結(jié)孔.最外圈凍結(jié)孔沿直徑8.0 m的圓周邊布置32個孔即W1-W32，深度6.0 m.外數(shù)第二圈凍結(jié)孔沿直徑5.4 m的圓周邊布置16個凍結(jié)孔即及Z1-Z16，深度5.0 m.外數(shù)第三圈凍結(jié)孔沿直徑2.7 m的圓周布置8個孔即N1-N8，深度5.0 m.洞門正中心的1個凍結(jié)孔即N9，深度為5.0 m.洞門在凍結(jié)范圍內(nèi)布置8個測溫孔，凍結(jié)壁外緣輪廓線上布置測溫孔T1-T5，孔深為5.5 m；凍結(jié)壁區(qū)域內(nèi)分散布置測溫孔T6-T8，孔深為3.6 m.

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 凍結(jié)加固示意圖 (單位：mm)Fig.2 Freeze reinforcement diagram (unit:mm)

圖3 凍結(jié)孔布置圖Fig.3 Layout of freezing holes

2.2 鋼套筒設(shè)計

接收鋼套筒是一端開口、另一端封閉的圓筒狀鋼結(jié)構(gòu)，如圖4所示，由1個過渡連接環(huán)、4個筒體、1個后端蓋、3根立柱以及左、右工字鋼支撐等部分組成.鋼套筒整體組裝好長度為11 460 mm(含裝配成型橡膠密封板)，直徑(內(nèi)徑)6 950 mm，外直徑7 190 mm.鋼套筒施工現(xiàn)場圖如圖5所示.

鋼套筒采用上下半圓拼接，單塊套筒長2 500 mm，筒體材料為厚度20 mm的鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環(huán)向筋板以保證筒體剛度，筋板厚20 mm，高100 mm，間隔約550～600 mm.每段筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭，法蘭寬200 mm、厚24 mm，上下兩半圓以及兩段筒體之間均采用M30、8.8級螺栓連接，中間加8 mm厚橡膠墊.反力架為三根立柱，是采用厚20 mm的Q235A鋼板焊接而成的箱式結(jié)構(gòu)，反力架與車站結(jié)構(gòu)的支撐采用3根直徑A530 mm(壁厚10 mm)鋼管斜撐于車站結(jié)構(gòu)底板.

如圖6所示，鋼套筒過渡環(huán)的長度設(shè)置為800 mm，與洞門鋼環(huán)之間采用燒焊形式連接，以保證其密封性.在過渡環(huán)上注漿球閥2寸呈360°等分布置，共12個，油脂管球閥1寸呈360°等分布置，共12個，2寸和1寸球閥之間呈交叉布置，用于檢查洞門密封質(zhì)量.鋼套筒后端蓋為平面蓋，材料是厚度為30 mm的Q235A鋼板，平面環(huán)板加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板筋板，井字形焊接在后端蓋上.筒體中部右上角設(shè)置600 mm×600 mm進料口，在每段鋼套筒底部預(yù)留3個2寸帶球閥注排漿管，共6個等間距布置，一旦盾構(gòu)機有栽頭趨勢，即可在下部注雙液漿回頂.

圖4 鋼套筒總體設(shè)計(單位：mm)Fig.4 Steel sleeve assembling (unit:mm)

圖5 鋼套筒現(xiàn)場圖Fig.5 Field picture of steel sleeve

3 盾構(gòu)接收施工過程

盾構(gòu)接收前中首先采用凍結(jié)法進行端頭地基加

固.凍結(jié)管選用Φ89 mm×10 mm，20#低碳鋼無縫鋼管，絲扣連接，另加手工電弧焊焊接.供液管用Φ48 mm×4 mm鋼管，凍結(jié)器羊角均用1.5″鋼管加工.接收期間，測得鹽水進水溫度為-32 ℃，回水溫度為-30 ℃.測溫孔最高溫度：-9.5 ℃(T′1、5.5 m)；最低溫度：-29.1 ℃(T′6、1.9 m).冷凍效果達到設(shè)計要求的強度，接收井主體具備接收條件后，根據(jù)洞門實際中心進行測量放樣，精確定位鋼套筒安裝位置.

3.1 鋼套筒施工流程及關(guān)鍵環(huán)節(jié)

鋼套筒安裝流程主要包括：1) 主體部分連接；2) 筒體間各連接處密封；3) 鋼套筒頂升及平移；4) 反力架及支撐安裝；5) 鋼套筒壓力密封性檢查；6) 套筒內(nèi)澆筑砂漿基座；7) 套筒內(nèi)填料.

圖6 鋼套筒設(shè)計Fig.6 Steel sleeve assembling

施工過程中，筒體間密封采用兩種方式：1) 連接法蘭間采用8 mm厚環(huán)形橡膠密封墊，在螺栓緊固力的作用下夾緊橡膠板起到第一層密封的作用；2) 筒體連接處內(nèi)壁上采用涂抹20 mm厚快速水泥層來起到內(nèi)側(cè)密封的作用.密封后要注意檢查各部連接處，尤其是對于鋼套筒的上下半圓和節(jié)與節(jié)部分之間聯(lián)結(jié)的檢查，還要檢查過渡連接板與洞門環(huán)板之間的焊接.

鋼套筒安裝完成后要進行壓力密封性檢查.在筒體下方設(shè)置200 mm的檢查孔.從加水孔向鋼套筒內(nèi)加水，至加滿水后，檢查壓力，每級加壓過程及停留保壓時間如表2所列.如果壓力能夠達到2.5 bar.則停止加水，并維持壓力穩(wěn)定.如無法通過水壓達到2.5 bar，則將水管解開，利用空壓機向鋼套筒內(nèi)加氣壓，直至壓力達到2.5 bar為止，并對各個連接部分進行檢查，觀察洞門連接板、鋼套筒環(huán)向與縱向連接位置、鋼套筒與反力架的連接處有無漏水現(xiàn)象.

表2 壓力試驗參數(shù)

在鋼套筒試壓完畢、底部砂漿基座施工完畢之后即可進行洞門鑿除；水平冷凍管拔除要分兩次進行，在鋼套筒試壓完成后，洞門全部鑿除后，開始拔除內(nèi)圈冷凍管，水平凍結(jié)外圈冷凍管割除在盾構(gòu)接收完成后，盾構(gòu)接收期間維持凍結(jié).

3.2 盾構(gòu)接收段的推進施工

洞門加固區(qū)域及鋼套筒位置如圖7所示，盾構(gòu)進洞段的推進施工分為三個主要階段，掘進主要在④粉砂層和⑤粉質(zhì)粘土層中進行.

第一階段掘進(盾尾位于1 401環(huán)～1 403環(huán))，盾構(gòu)尚未入冷凍加固區(qū)域，為防止盾構(gòu)機刀盤過于貼近冷凍體，受凍卡死，故在掘進過程中需注意以下事項：1)土倉壓力保持0.24 MPa以上推進，以阻擋地層水壓力，防止土倉涌入地層水，螺旋機噴涌.2)推進速度控制在3 cm/min，不宜過大，否則扭矩增大，影響加固體整體性.3)管片拼裝過程中，刀盤開啟0.3 rpm旋轉(zhuǎn)，防止凍結(jié).掘進完成第1 403環(huán)后，從管片1 400環(huán)往小里程方向，連續(xù)5環(huán)，進行整環(huán)環(huán)箍施工，封堵后方來水.

圖7 盾構(gòu)機接收階段掘進示意圖Fig.7 Schematic diagram of tunneling during receiving phase of shield tunneling

第二階段掘進(盾尾位于第1 404環(huán)～1 408環(huán))，盾構(gòu)位于冷凍加固區(qū)，待洞門破除完畢，鋼套筒填充完畢，再啟動盾構(gòu)機.當從管片上預(yù)留的注漿孔向管片外側(cè)注雙液漿，及時施作環(huán)箍，有效封堵開挖土體與管片外殼之間的滲漏通道.鋼套筒接收時，選擇在管片脫出盾尾3環(huán)后開始二次注漿.嚴格控制二次注漿孔位和注漿壓力、注漿量，采取隔1環(huán)注1環(huán)的方式，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿.

第三階段掘進(盾尾位于1 409環(huán)～1 415環(huán))，盾構(gòu)進入鋼套筒，為便于推進，增加一環(huán)工作環(huán)，即圖7中進洞環(huán)，將盾構(gòu)機推到合適位置后停機，待檢查沒有滲漏，鋼套筒泄壓后，拆機前先拆除工作環(huán).至此，盾構(gòu)機完成鋼套筒接收，下步轉(zhuǎn)入拆除、吊裝階段.

接收施工過程中盾構(gòu)主要掘進參數(shù)如表3所列，可以發(fā)現(xiàn)，階段I和II中，盾構(gòu)主要掘進參數(shù)相近.階段I未加固地區(qū)，為了防止富水地層中掘進面失穩(wěn)，倉內(nèi)壓力較高約為0.24 MPa；階段II凍結(jié)區(qū)域地層穩(wěn)定性較好，土倉壓力維持在0.2 MPa，適當降低土倉壓力有利于降低掘進載荷提升掘進功效.考慮到套筒內(nèi)填料強度較低且利于開挖，階段III盾構(gòu)掘進速度降低至<5 mm/min，最大推力降至400 t，扭矩和轉(zhuǎn)速分別降至1 500 kN·m和0.6～0.8 rpm，土倉壓力降低至0.18 MPa，降低掘進荷載有利于控制鋼套筒內(nèi)壓力，減小鋼套筒及支撐架受力變形.

表3 盾構(gòu)掘進參數(shù)

4 接收施工段地表沉降規(guī)律

隧道軸線上方地表沉降發(fā)展規(guī)律如圖8所示.階段I中(盾尾位于1 402環(huán))，地表最大沉降發(fā)生在盾尾正上方，沉降量約為12 mm；盾尾前方地表沉降隨著距洞門距離的減小而減小，距離洞門4 m區(qū)域地表出現(xiàn)隆起，最大隆起約為2 mm，這主要是冷凍加固時土體凍脹引起的；階段II中，盾構(gòu)完成1 407環(huán)施工，盾尾處地表沉降約為12 mm；階段III完成1 413環(huán)施工，距離洞門4 m范圍之外未加固區(qū)域地表沉降大于10 mm，距離洞門4 m范圍內(nèi)地表沉降呈現(xiàn)顯著減小.監(jiān)測結(jié)果表明凍結(jié)加固能有效控制地層沉降，另外施工中及時采用雙液漿二次補漿對控制洞門區(qū)域水土流失也起到了較好的作用.

圖8 地表沉降Fig.8 Ground settlement

洞門加固區(qū)域地表沉降如圖9所示.由于土體凍脹，加固范圍地表出現(xiàn)隆起，最大隆起量為2 mm.隨著盾尾逐漸接近洞門加固范圍，地表變形由隆起逐漸變化為沉降，當盾尾完全進入加固區(qū)域后，地表沉降發(fā)展逐漸趨于穩(wěn)定.距離洞門4 m處地表最大沉降約為8 mm，距離洞門2 m處最大沉降約為4 mm.并且套筒和洞門連接處無漏水漏砂，表明聯(lián)合工法對富水地層變形控制較好.

本文施工現(xiàn)場盾構(gòu)接收過程中監(jiān)測的地表沉降值與已有研究對比如表4所列.其中理論預(yù)測的地表沉降值最小，這是因為忽視了掘進過程中孔隙壓力變化對地表沉降的影響.已有的一例監(jiān)測研究顯示地表沉降最大值為5.8 mm.本文現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示盾構(gòu)在結(jié)凍加固區(qū)內(nèi)推進時較平穩(wěn)，地表沉降值較小，距離洞門2 m處地表最大沉降約為4 mm，距離洞門4 m處地表最大沉降約為8 mm，距離洞門2 m處地表沉降較小，由于靠近洞門，土體和地墻相互作用，地墻對土體有加固作用，因此土體位移較小.洞門加固區(qū)域整體沉降可控在10 mm以內(nèi).

圖9 洞門加固區(qū)域地表沉降Fig.9 Ground surface settlement in freeze area

表4 盾構(gòu)接收過程中地表沉降對比

5 結(jié)論

本文以蘇州軌道交通5號線某區(qū)間中間風(fēng)井盾構(gòu)接收工程為背景，蘇州富水地層具有地下水豐富、土層軟弱且透水性強的特點，極易發(fā)生漏水、漏砂等工程問題，引發(fā)安全問題.針對此地質(zhì)特點，設(shè)計采用凍結(jié)法與鋼套筒法聯(lián)合接收施工技術(shù)，以降低盾構(gòu)接收施工洞門滲漏等風(fēng)險，提高安全性.盾構(gòu)接收施工全程都應(yīng)注意鋼套筒的保壓性及止水性是否滿足施工要求，應(yīng)密切關(guān)注其密封性能，監(jiān)測壓力大小保證密封性，時刻觀察是否有漏水漏砂.接收施工段監(jiān)測的地表沉降數(shù)據(jù)表明冷凍加固以及鋼套筒內(nèi)接收對地層變形有較好的控制效果.鋼套筒與凍結(jié)聯(lián)合工法能有效抑制洞門漏水漏砂、有效控制地層變形，在蘇州富水地層中的成功應(yīng)用對長三角富水軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道施工具有參考借鑒價值.