建筑密集區(qū)盾構(gòu)垂直冷凍＋全套筒接收技術(shù)研究

廖日才

(中鐵十七局集團第六工程有限公司 福建福州 350009)

1 項目背景

盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)與到達是最易產(chǎn)生事故的工序，直接影響盾構(gòu)隧道的順利貫通。當盾構(gòu)接收端頭地質(zhì)條件復雜，毗鄰城市高危建(構(gòu))筑物、地下管線錯綜密集，不能采取主動降水時，如何確保盾構(gòu)機安全接收成為一個工程難點[1－3]。

南通地鐵的地質(zhì)條件為全斷面富水砂層，其承載力弱，流動性、敏感性強；存在弱隔水層或無隔水層，盾構(gòu)區(qū)間穿越土體主要為③-1粉砂夾砂質(zhì)粉土、③-2粉砂層。同時地表水資源豐富，洞門外水位較高，水頭壓力大，盾構(gòu)接收作業(yè)風險較高。

南通城市軌道交通1號線一期土建工程中級法院站～青年路站盾構(gòu)區(qū)間敷設(shè)于城市主干道工農(nóng)路正下方，青年路站為盾構(gòu)接收站，青年路站左線北端頭井處為全斷面透水砂層，主要穿越地層為③-1粉砂夾砂質(zhì)粉土、③-2粉砂，端頭井處地面標高為＋4.09 m，覆土埋深約10.916 m。區(qū)間地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

圖1 中青區(qū)間地質(zhì)剖面圖

青年路站北端頭道路兩側(cè)建筑物主要為崇川區(qū)人民檢察院、華辰大廈、南通大飯店，左線盾構(gòu)端頭洞門距離崇川區(qū)人民檢察院最近約8 m，地下管線極為密集且分布不規(guī)則，凍結(jié)施工時及解凍后周邊地表、建(構(gòu))筑物的沉降控制難度較大。建筑物與隧道關(guān)系平面與剖面關(guān)系如圖2、圖3所示，周圍管線分布明細如表1所示。在無法采取主動降水情況下，為有效規(guī)避盾構(gòu)接收過程出現(xiàn)滲漏水風險，對傳統(tǒng)盾構(gòu)接收方案進行優(yōu)化設(shè)計，采用“垂直冷凍加固＋鋼套筒接收”的盾構(gòu)接收技術(shù)[4－6]，安全性高，經(jīng)濟效果顯著。

表1 周圍管線分布一覽表

圖2 建筑物與隧道關(guān)系平面圖(單位:m)

圖3 建筑物與隧道關(guān)系剖面圖(單位:m)

2 盾構(gòu)接收關(guān)鍵技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計

盾構(gòu)接收單一使用鋼套筒接收或垂直冷凍加固的技術(shù)相對成熟，但是對于垂直冷凍加固＋鋼套筒雙重疊加接收措施并未形成詳細完善的施工技術(shù)[7－10]，本工程盾構(gòu)接收施工前洞門處地基已采用三軸攪拌樁及高壓旋噴加攪拌樁加固，結(jié)合工程地質(zhì)條件及同類工程施工經(jīng)驗，盾構(gòu)接收采用地面垂直冷凍法進行地基加固及間隙止水，加固范圍為自地面向下7.916 m至盾構(gòu)區(qū)間隧道底面向下3 m，盾構(gòu)區(qū)間隧道左右各3 m，凍結(jié)壁厚度為2 m。其施工技術(shù)的重點與難點有:

(1)冷凍管未拔除前，盾構(gòu)機刀盤前端太靠近冷凍加固體，對冷凍土體造成擠壓，造成拔管困難或斷管問題的發(fā)生。

(2)冷凍管拔除過早，洞門鑿除及鋼套筒回填所耗時間較長，加固體過分化凍導致凍結(jié)壁強度降低，接收過程中很有可能出現(xiàn)洞門滲漏及涌水涌砂問題。

(3)洞門未鑿除前，盾構(gòu)提前掘進至冷凍加固體外進行停機等待，導致刀盤被凍死。

(4)盾構(gòu)在穿越凍結(jié)區(qū)時，停留時間過長，或者拼裝管片出現(xiàn)故障時，刀盤轉(zhuǎn)動不及時，刀盤被凍死。

2.1 “先盾身、后兩側(cè)，先一排、后二排”冷凍管拔除技術(shù)

洞門垂直冷凍加固范圍為盾構(gòu)區(qū)間隧道上下、左右各3 m，凍結(jié)壁厚度為2 m(地墻外側(cè)2 m位置)。凍結(jié)孔施工完成后，統(tǒng)一加壓測試，所有管道合格方可進行冷凍施工。凍結(jié)壁如圖4所示。洞門凍結(jié)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖4 凍結(jié)壁(單位:mm)

表2 洞門凍結(jié)主要技術(shù)參數(shù)

2.1.1 冷凍管布置

中級法院站～青年路站左線盾構(gòu)接收洞門冷凍孔第一排14個(B1～B14，盾身范圍B4～B11)，第二排15個(A1～A15，盾身范圍A4～A12)，總量29個。圖5為冷凍孔分布范圍示意圖。

圖5 冷凍孔分布范圍示意(單位:mm)

2.1.2 冷凍管拔除工藝

冷凍管拔除采取循環(huán)熱鹽水(40～50℃)的方式進行，利用流量為50 m3/h以上的鹽水泵循環(huán)鹽水，熱鹽水循環(huán)10 min左右，可邊循環(huán)邊試拔(2個10 t千斤頂進行試拔)，拔起0.5 m左右時，便可停止循環(huán)熱鹽水，用壓風將管內(nèi)鹽水排出，然后用25 t吊車快速拔出凍結(jié)管，凍結(jié)管拔出后使用自拌砂漿或細石混凝土對凍結(jié)孔進行全孔充填，避免盾構(gòu)推進過程中刀盤失壓。

2.1.3 冷凍管拔除時序優(yōu)化

為充分考慮冷凍加固區(qū)的地層冷凍效果，以及降低冷凍管拔除后地層逐漸化凍對盾構(gòu)接收的不利影響，采取先拔除盾身范圍內(nèi)的冷凍管，并分第一、第二排依次進行拔除，拔除及后續(xù)接收過程中，盾身外側(cè)的冷凍管繼續(xù)進行積極凍結(jié)，保證冷凍效果。即第一排冷凍管共計14個(B1～B14)，先拔除盾身范圍8個(B4～B11)，第二排冷凍管共計15個(A1～A15)，先拔除盾身范圍9個(A4～A12)。

2.2 兩道彈簧止水鋼板洞門止水裝置技術(shù)

目前，常采用的洞門止水裝置有兩種:一是常規(guī)的橡膠簾布＋鋼鉸鏈板＋鋼絲繩的止水裝置(常規(guī)的設(shè)計方案)，二是洞門內(nèi)安裝一圈止水鋼刷的止水裝置。兩種止水裝置在使用過程中均存在一定的局限性:橡膠簾布＋鋼鉸鏈板＋鋼絲繩的止水裝置在水壓力很高時，水會從止水橡膠簾布板與車站墻壁間的間隙及止水橡膠簾布板與盾殼的間隙內(nèi)竄出，甚至會崩裂；止水鋼刷雖較簾布橡膠板相比止水效果更好一些，但是剛度不足，洞門在注漿封堵時易變形、漏水，且成本較高。故對洞門止水裝置進行進一步優(yōu)化研究，采取洞門內(nèi)設(shè)置兩道弧形彈簧鋼板加強洞門止水效果。

洞門防水裝置設(shè)置兩道“L型”弧形彈簧止水鋼板(止水鋼板厚5 mm，每塊鋼板長20 cm，高45 cm，兩道止水鋼板間距10～15 cm)與洞圈內(nèi)焊接成環(huán)，彈簧鋼板一端在洞門鋼環(huán)的內(nèi)側(cè)焊接成環(huán)，另一端與盾構(gòu)機相接觸，盾構(gòu)機通過洞門鋼環(huán)推動彈簧鋼板向盾構(gòu)機前行方向傾斜，直至與盾構(gòu)機殼體頂死，同時兩道鋼板之間填充250 mm×250 mm的海綿條，防止盾構(gòu)進洞時洞圈產(chǎn)生漏水、漏泥等問題，利于盾構(gòu)接收后洞門封堵效果。

2.3 自來水回填鋼套筒接收技術(shù)

全套筒接收所用鋼套筒為一端開口的圓桶狀結(jié)構(gòu)，總長為10.5 m，全套筒的組成為:1個過渡連接環(huán)、4個分段筒體、1個分段后蓋、3根立柱及工字鋼支撐等部分。

鋼套筒內(nèi)回填主要目的是模擬盾構(gòu)正常推進過程中的土壓平衡原理，考慮到向鋼套筒內(nèi)填盾構(gòu)掘進出來的渣土，一是鋼套筒下料口較小，填渣土施工時間長；二是泥水充填，不利于出渣控制。選擇使用自來水填充，同樣能起到反壓回填作用，通過鋼套筒這個密閉的空間提供平衡掌子面的水土壓力，盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)實現(xiàn)安全接收，接收完成后于連續(xù)墻及內(nèi)襯墻范圍內(nèi)的管片上通過雙液注漿機反復壓注水泥漿封堵管片與連續(xù)墻、內(nèi)襯墻之間的流水通道，使管片和端頭井結(jié)構(gòu)形成整體，注漿完成后進行鋼套筒的拆除。全套筒支撐示意如圖6所示。

圖6 全套筒支撐示意

2.3.1 鋼套筒質(zhì)量控制措施

(1)套筒法接收時，鋼套筒本身及鋼套筒與洞門之間的密封性是鋼套筒密閉環(huán)境始發(fā)的一個關(guān)鍵要素，接收前對全套筒進行密閉試驗，這是套筒接收的必要性要求。

(2)鋼套筒自身加固強度及固定性要滿足套筒接收的高壓要求，不能出現(xiàn)變形、位移的情況，這是鋼套筒始發(fā)、接收的最基本要求。

(3)鋼套筒接收時，盾構(gòu)機姿態(tài)偏差過大，易碰觸鋼套筒壁，造成鋼套筒或者盾構(gòu)刀盤損壞。

(4)在鋼套筒安裝、盾構(gòu)機組裝時，底板測量控制點必須建立并通過聯(lián)系測量復核，嚴禁無強制對中點、無聯(lián)系測量復核直接定位；定位水平誤差≤3 mm，高程誤差≤2 mm。

2.3.2 鋼套筒與冷凍加固配合施工的控制措施

(1)冷凍打孔施工完成后，方可安裝鋼套筒連接段，為避免鋼套筒連接段焊接作業(yè)時造成保溫層的損壞，在安裝鋼套筒連接段焊接施工時，焊接范圍內(nèi)不得使用易燃型保溫材料，待焊接完成后立即恢復保溫。

(2)盾構(gòu)機進洞時需拔除凍結(jié)管，凍結(jié)管的拔除分兩次進行，洞門全部鑿除后，盾構(gòu)機距離凍結(jié)壁2 m時拔出盾構(gòu)范圍內(nèi)的凍結(jié)管，兩側(cè)凍結(jié)管在盾構(gòu)機接收完成，壁后注漿完成后再進行拔除，拔除凍結(jié)管的孔洞及時用混凝土填密實[11－12]。

3 結(jié)論

(1)通過對冷凍管拔除時序進行優(yōu)化，采取“先盾身、后兩側(cè)，先一排、后二排”的冷凍管拔除技術(shù)，一方面可減少冷凍管接收前拔除數(shù)量，縮短加固體化凍時間；另一方面盾身范圍外的凍結(jié)孔在盾構(gòu)接收期間可繼續(xù)循環(huán)鹽水凍結(jié)，最大程度降低了冷凍拔管對整個加固體的影響。

(2)通過設(shè)置兩道“L型”弧形彈簧止水鋼板與洞圈內(nèi)焊接成環(huán)，能夠簡化施工工序，同時可有效防止洞門滲漏。

(3)利用盾構(gòu)土壓平衡原理，充分考慮鋼套筒下料口小，填渣功效低的現(xiàn)狀，采用自來水填充鋼套筒，滿足安全接收的同時，可加快盾構(gòu)穿過冷凍區(qū)速度，降低刀盤被凍死的風險，帶來比較高的經(jīng)濟效益和社會效益。

(4)垂直冷凍及鋼套筒接收施工過程中洞門鑿除、冷凍管拔除、鋼套筒回填、盾構(gòu)穿越冷凍加固區(qū)前、穿越冷凍加固區(qū)、盾構(gòu)進入鋼套筒等工序環(huán)環(huán)相扣，施工過程中做好各關(guān)鍵工序的控制銜接，對于盾構(gòu)順利接收非常關(guān)鍵。