凍結(jié)加固土壓平衡盾構(gòu)水下接收技術(shù)*

張中勇，邱光明，路林海，武朝軍，王 彪，耿傳政

(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308；3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

盾構(gòu)法因具有安全性與地層適應(yīng)性好、對環(huán)境影響小、施工快速等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市軌道交通建設(shè)常用工法。盾構(gòu)接收作為隧道施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在大埋深、高水壓等復(fù)雜工況下施工風(fēng)險較高，盾構(gòu)進(jìn)洞過程中常引發(fā)洞門涌水、涌砂事故。盾構(gòu)水下接收技術(shù)可有效避免洞門泥水噴涌，提供良好解決方案。葸振東等[1]對超大直徑泥水平衡盾構(gòu)水下接收技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)端頭加固及洞門止水措施；邢慧堂[2]以南京長江隧道工程為例，提出超大型泥水盾構(gòu)水中接收三軸攪拌加固、冷凍加固、強(qiáng)降水加固三重措施；賁志江等[3-4]分析了南京地鐵10號線過江隧道垂直凍結(jié)施工擋土墻溫度變化規(guī)律；徐延召[5]以武漢地鐵2號線為例，研究了盾構(gòu)水中接收技術(shù)。近年來，隨著隧道施工技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)水下接收技術(shù)已得到一定應(yīng)用[6-11]。

1 工程概況

濟(jì)南地鐵1號線王大區(qū)間(王府莊站—大楊站)含1座中間風(fēng)井，中間風(fēng)井至大楊站區(qū)間線路長2 033m，盾構(gòu)沿現(xiàn)狀黨楊路掘進(jìn)施工，于大楊站接收。大楊站位于經(jīng)十路與黨楊路、齊魯大道交匯處，呈南北向布置，是1號線與4號線換乘站，1號線位于地下2層，4號線位于地下3層。盾構(gòu)接收覆土深約10.2m，在接收井下沉1.6m處澆筑承托板，作為盾構(gòu)接收承托板。盾構(gòu)接收端上方存在臨時改遷的220kV供電管溝及給水管道，鄰近交通主干道，現(xiàn)場不具備改移條件。設(shè)計端頭加固方式為設(shè)置三重管高壓旋噴樁、800mm寬C20素混凝土地下連續(xù)墻止水帷幕(底部位于隧道結(jié)構(gòu)以下6m)、輔助降水井。三重管高壓旋噴樁長9m，直徑800mm，間距600mm，加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)上下左右各3m。大楊莊站地下水主要為潛水和承壓水，潛水層水位標(biāo)高16.830～30.140m，水位埋深11.5～18.3m；承壓含水層水位標(biāo)高25.200～28.740m，水位埋深5.1～13.7m。

2 加固與接收方案

盾構(gòu)接收前，在接收端頭上方靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)處進(jìn)行水平探孔取芯，左右線隧道下方均存在一定厚度的承壓含水層，加固體中地下連續(xù)墻未能完全隔斷承壓含水層。加固體外側(cè)和中部施作1～6號降水井備用，降水井井底標(biāo)高5.000m，埋深27.0m。降水井運(yùn)行后，動水位快速穩(wěn)定至井底位置附近。停止運(yùn)行4號降水井后作為凈水位觀測井，12h后測得4號降水井水位恢復(fù)至接近初始水位。根據(jù)接收洞門水平探孔取芯情況，端頭加固區(qū)降水井未能將承壓水水位降至隧道中心線下。隧道下部存在較厚砂卵石地層，其透水能力強(qiáng)、水壓大，洞門破除及盾構(gòu)接收期間易引發(fā)洞門涌水、涌砂事故。

本工程采用土壓平衡盾構(gòu)施工，在高壓旋噴樁加固失效的情況下，刀盤直徑大于殼體直徑。因接收端地質(zhì)條件復(fù)雜，存在富水砂層，高壓旋噴樁加固效果較差，洞門取芯后出現(xiàn)涌砂情況，且地面存在供電管溝，需進(jìn)行盾構(gòu)接收方案比選。對比分析普通接收、土中接收、水下接收方案，結(jié)果如表1所示。由表1可知，普通接收方案風(fēng)險高，無法避免洞門破除過程中水、砂從刀盤孔隙中涌出；土中接收方案風(fēng)險較高，可利用土壓力平衡地下水壓力，但破除洞門時須留出工作面，且破除過程中涌水、涌砂處置較慢；水下接收方案風(fēng)險低，可利用水壓力平衡地下水壓力，且可通過調(diào)節(jié)液面高低自由改變水頭壓力，洞門破除過程中可將涌水作為應(yīng)急注水。

表1 盾構(gòu)接收方案比選結(jié)果

經(jīng)方案比選，采用盾構(gòu)水下接收技術(shù)，以保證施工安全。采用液氮垂直凍結(jié)加固技術(shù)形成1道凍結(jié)土體帷幕，承載水土壓力，可對洞門進(jìn)行止水封堵，防止洞門涌水、涌砂。

3 加固與接收技術(shù)

3.1 端頭加固

盾構(gòu)接收前，需對接收井地下連續(xù)墻外側(cè)一定范圍內(nèi)的含水層進(jìn)行加固，增大地層強(qiáng)度，提高地層隔水性，以避免盾構(gòu)進(jìn)洞時洞門涌水、涌砂。采用液氮垂直凍結(jié)加固技術(shù)處理土體，使洞門破除后土體可承載水土壓力，并阻擋地下水?dāng)y砂流入接收井，保證洞門安全。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)土體帷幕引起的地表凍脹隆起一般≤20mm，可采用地面注漿和洞門水平注漿相結(jié)合的方式處理地層融沉，如無重要管線，可自然解凍恢復(fù)原貌。凍結(jié)管間距根據(jù)凍結(jié)發(fā)展速度(一般為80～150mm/d)確定，宜同時達(dá)到交圈，并在兩端設(shè)置測溫孔。考慮凍結(jié)管與既有地下連續(xù)墻的最近距離為300mm，預(yù)計凍結(jié)7d后凍結(jié)壁厚度可達(dá)1m，滿足承載水土壓力的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

盾構(gòu)接收時需驗(yàn)算承托板、臨時梁、墻承載力，混凝土擋水墻厚600mm。豎向分布鋼筋采用φ28 HRB400，間距150mm，通過植筋與承托板、地下1層中板連接。水平分布鋼筋采用φ20 HRB400，間距150mm，與側(cè)墻通過植筋連接，植筋與側(cè)墻豎向鋼筋通過L形鋼筋焊接。拉結(jié)筋按構(gòu)造布置，在地下1層中板上澆筑1.6m厚砂漿，為管片拼裝提供反力。盾構(gòu)接收井平面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)接收井平面

在承托板下方設(shè)置φ48×3.1鋼管滿堂支架，步距為0.6，0.9m。在承托板下方澆筑C40混凝土柱，截面尺寸為1 000mm×700mm(長×寬)，混凝土柱內(nèi)設(shè)置4根φ48×3.1鋼管及橫桿(步距為0.6m)。采用MIDAS Gen軟件建立計算模型，如圖2所示。

圖2 計算模型

計算得到承托板彎矩如圖3所示，由圖3可知，承托板邊緣彎矩較小，中部彎矩較大。計算得到臨時梁彎矩如圖4所示，由圖4可知，臨時梁跨中正彎矩較大，梁端負(fù)彎矩較大。

圖3 承托板彎矩云圖(單位：kN·m)

圖4 臨時梁彎矩云圖(單位：kN·m)

在不考慮設(shè)置鋼管滿堂支架的情況下，承托板、臨時梁裂縫寬度均約為1.7mm，不滿足要求；當(dāng)考慮滿堂支架支撐力為110kN/m2時，承托板裂縫寬度約為0.4mm，臨時梁裂縫寬度約為0.25mm，滿足要求。

3.3 盾構(gòu)水下接收

盾構(gòu)接收前，通過水平探孔檢驗(yàn)加固效果，對洞門底部靠近砂卵石地層范圍內(nèi)的加固效果進(jìn)行重點(diǎn)檢測，在無水或存在少量滴水的情況下破除洞門。大楊莊站小里程端洞門處地下連續(xù)墻厚1m，迎土面(外側(cè))混凝土保護(hù)層厚70mm，開挖面(內(nèi)側(cè))混凝土保護(hù)層厚70mm，采用工字形柔性接頭連接地下連續(xù)墻。洞門分3次破除，完成地下連續(xù)墻止水帷幕施工時進(jìn)行第1次洞門破除，第2次洞門破除至最外側(cè)鋼筋(不切斷)，當(dāng)盾構(gòu)刀盤到達(dá)凍結(jié)土體時切割鋼筋。洞門破除過程中做好施工監(jiān)測與應(yīng)急管理工作，發(fā)現(xiàn)異常變形或滲漏水現(xiàn)象立即停止破除，并采取一定措施。盾構(gòu)進(jìn)入加固區(qū)前完成洞門密封結(jié)構(gòu)安裝，密封簾布應(yīng)具備收緊功能。

垂直凍結(jié)、洞門破除及水下接收準(zhǔn)備工作完成后，應(yīng)迅速開展連續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)施工，并嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況動態(tài)調(diào)整、優(yōu)化施工參數(shù)，盾構(gòu)接收端做好同步配合工作。分層分次蓄水，擋水墻內(nèi)首次注水應(yīng)分次進(jìn)行，每次注水高度≤2m，觀察時間≥2h，啟動降水井，開始連續(xù)掘進(jìn)，控制總推力、盾構(gòu)姿態(tài)，減少掌子面凍結(jié)壁暴露時間，及時補(bǔ)充水位損失，保持水土平衡，避免涌水、涌砂。盾構(gòu)通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)時緩慢轉(zhuǎn)動刀盤，避免刀盤被卡。盾構(gòu)通過密封結(jié)構(gòu)時，停止轉(zhuǎn)動刀盤，通過密封結(jié)構(gòu)后第1次收緊壓板，然后啟動刀盤。

砂漿墊層掘進(jìn)期間，降低掘進(jìn)速度，重點(diǎn)控制掘進(jìn)姿態(tài)，避免盾構(gòu)上揚(yáng)，及時調(diào)整液位。盾尾脫離密封簾布前，停機(jī)1次，少量多次注入砂漿，為洞門封堵做好準(zhǔn)備。盾尾脫離密封簾布后第2次收緊壓板，并停機(jī)進(jìn)行洞門封堵，隧道內(nèi)部與洞門外部同時進(jìn)行封堵。通過抽排水分層降低液位，補(bǔ)充封堵洞門，盾構(gòu)脫離全部管片后進(jìn)入拆解階段。

4 結(jié)語

1)盾構(gòu)水下接收技術(shù)合理可行，具有安全可靠、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，可平衡水土壓力，有效控制地面沉降，保護(hù)地下管線。

2)液氮垂直凍結(jié)加固技術(shù)可使凍結(jié)土體有效承載水土壓力，阻擋地下水?dāng)y砂流入接收井，保證洞門破除安全。

3)為降低承托板開裂程度，可適當(dāng)考慮滿堂支架提供支撐力，但須經(jīng)計算確定。

4)分3次破除洞門，可有效降低地層涌水、涌砂風(fēng)險。

5)做好施工監(jiān)測與應(yīng)急管理工作，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取相應(yīng)措施，以提高施工安全性。