盾構(gòu)“液氮冷凍加固+鋼套筒”始發(fā)冷凍區(qū)脫困技術(shù)

楊永強(qiáng)，武金城

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054；2.中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214104)

近年來(lái)，在復(fù)雜地質(zhì)和施工環(huán)境條件下，采用盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法與冷凍法加固端頭地層相組合的方法，大大降低了涌水涌砂、地面沉降過(guò)大等施工風(fēng)險(xiǎn)。但盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法在凍結(jié)體始發(fā)時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)處于鋼套筒中，遇到盾構(gòu)機(jī)被凍住時(shí)的脫困難度較大。

結(jié)合某地鐵隧道工程盾構(gòu)“液氮冷凍加固+鋼套筒”始發(fā)的施工案例，采用型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板連接固定以提供反力，通過(guò)盾構(gòu)鉸接回縮，使盾構(gòu)刀盤后退并脫離開挖面，刀盤后退一定距離后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，成功實(shí)現(xiàn)了冷凍體內(nèi)刀盤快速脫困。

1 工程概況

某地鐵6號(hào)線三堡站—曇花庵站盾構(gòu)區(qū)間長(zhǎng)1 103m， 盾構(gòu)隧道管片外徑6 200mm，管片厚350mm。盾構(gòu)從曇花庵站端頭始發(fā)，始發(fā)端隧道埋深14.1m，地下水位位于地面以下1.77m，盾構(gòu)穿越砂粉土等地層，地下水較豐富；始發(fā)端頭有電力管廊等建(構(gòu))筑物和給水、雨水、燃?xì)獾鹊叵鹿芫€，工程地質(zhì)條件和施工環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)始發(fā)采用鋼套筒始發(fā)工法，端頭地層采用液氮凍結(jié)加固。

1.1 盾構(gòu)始發(fā)端頭地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，盾構(gòu)始發(fā)端頭主要有雜填土、素填土、砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂等地層，地質(zhì)斷面如圖1所示，隧道范圍地層物理力學(xué)性能指標(biāo)為：③5砂質(zhì)粉土含水量24.8%，天然重度19.53kN/m3，固結(jié)快剪c為4.9kPa、直剪快剪φ為28.9kPa，地基承載力特征值140kPa，滲透系數(shù)Kh(水平)為937×10-6cm/s、Kv(垂直)為392.23×10-6cm/s；③7砂質(zhì)粉土含水量29%，天然重度19.34kN/m3，固結(jié)快剪c為6.9kPa、直剪快剪φ為22.6 kPa，地基承載力特征值100kPa，滲透系數(shù)Kh(水平)為244.48×10-6cm/s、Kv(垂直)為159.18×10-6cm/s。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)端頭地層

1.2 始發(fā)端頭地層液氮凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

盾構(gòu)始發(fā)端頭地層采用垂直液氮凍結(jié)加固，如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)始發(fā)端頭冷凍設(shè)計(jì)

1)垂直液氮冷凍板塊有效厚度為2.2m，凍結(jié)區(qū)寬11.2m，高度為隧道上、下各3m范圍，凍結(jié)管長(zhǎng)23.211m；凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度≤-15℃。單洞設(shè)置2口應(yīng)急降水井。

單洞門設(shè)計(jì)采用A，B 2排共計(jì)27個(gè)凍結(jié)孔，A排14個(gè)、B排13個(gè)，A排孔距槽壁0.5m，排間距0.9m，A排1～2號(hào)孔間距0.7m、2～14號(hào)孔間距0.8m，B排孔間距均為0.8m。凍結(jié)管采用φ108×5 R304不銹鋼管，供液管規(guī)格采用φ40×3 R304不銹鋼管。

2)在凍結(jié)區(qū)域布置5個(gè)垂直測(cè)溫孔，監(jiān)測(cè)凍結(jié)壁厚度、平均溫度、開挖面溫度等。測(cè)溫管采用φ89×8 不銹鋼管。

1.3 鋼套筒始發(fā)工法

在盾構(gòu)始發(fā)工作井內(nèi)安裝鋼套筒，如圖3所示，將鋼套筒與洞門鋼環(huán)進(jìn)行密封連接，在鋼套筒內(nèi)組裝盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)尾部負(fù)環(huán)管片與鋼套筒尾部始發(fā)基準(zhǔn)環(huán)緊密連接，向鋼套筒與盾構(gòu)、負(fù)環(huán)管片間充填砂土，并在鋼套筒后部設(shè)置反力架，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)始發(fā)，保證盾構(gòu)始發(fā)階段開挖面和倉(cāng)壓穩(wěn)定。

圖3 盾構(gòu)鋼套筒始發(fā)工法

1.4 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

施工采用的是1臺(tái)面板輻條式盾構(gòu)機(jī)，刀盤直徑6 400mm日本小松盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)為：主機(jī)長(zhǎng)度8.68m，最大推力37 730kN，開挖直徑6 440mm， 鉸接形式為主動(dòng)鉸接，額定扭矩5 813kN·m， 切刀90把、高140mm，撕裂刀86把、高160mm。盾構(gòu)機(jī)刀盤如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)機(jī)刀盤

2 施工中遇到的問(wèn)題及原因分析

盾構(gòu)端頭地層液氮凍結(jié)8d，凍結(jié)加固體溫度-25℃， 滿足設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)始發(fā)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成，滿足始發(fā)條件后進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)作業(yè)，盾構(gòu)掘進(jìn)完-3環(huán)時(shí)，刀盤進(jìn)入液氮冷凍加固土體1.26m，盾尾處于鋼套筒內(nèi)，由于發(fā)生了盾構(gòu)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，故障處理40min，之后轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)，刀盤扭矩急劇增加，而刀盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)，停機(jī)位置剖面如圖5所示。

圖5 盾構(gòu)機(jī)停機(jī)位置剖面

盾構(gòu)在穿越凍結(jié)體時(shí)出現(xiàn)被凍住現(xiàn)象，大多發(fā)生在盾構(gòu)始發(fā)階段，盾構(gòu)機(jī)需負(fù)載調(diào)試，易出現(xiàn)由于設(shè)備故障等原因?qū)е露軜?gòu)停機(jī)情況。

盾構(gòu)凍結(jié)體中掘進(jìn)時(shí)需保持刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)以防凍住，同時(shí)采取維持凍結(jié)防止開挖面凍融坍塌，但當(dāng)盾構(gòu)停機(jī)刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后，刀盤面板、刀具與開挖面凍結(jié)土體間的水土被逐漸凍結(jié)，同時(shí)由于掘進(jìn)狀態(tài)下刀盤上的刀具切入凍結(jié)土體，刀盤啟動(dòng)時(shí)扭矩增大，大于盾構(gòu)機(jī)脫困扭矩時(shí)，刀盤被困住，需采取盾構(gòu)脫困措施。

3 盾構(gòu)脫困方案

3.1 方案比選

由于采用液氮凍結(jié)，凍結(jié)土體溫度低、強(qiáng)度高，盾構(gòu)脫困難度較大，常規(guī)方法耗時(shí)長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)大，因此，盾構(gòu)脫困方案選擇時(shí)應(yīng)以不損壞盾構(gòu)機(jī)、管片和鋼套筒，減少脫困時(shí)間為原則。

對(duì)主動(dòng)解凍脫困和通過(guò)鉸接后退刀盤脫困2種方案進(jìn)行比選研究。

1)方案1(主動(dòng)解凍脫困方案) 通過(guò)向土倉(cāng)內(nèi)注入高溫鹽水和加注高溫蒸汽，使土倉(cāng)內(nèi)升溫，融化開挖面與刀盤冷凍面，實(shí)現(xiàn)刀盤脫困。通過(guò)主動(dòng)加熱解凍可解除刀盤與凍結(jié)體間的凍結(jié)約束，但由于液氮凍結(jié)溫度低(-25℃)，采用加熱解凍需要的時(shí)間長(zhǎng)且不可控，高溫可能會(huì)對(duì)盾構(gòu)主軸密封等造成損壞，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)和鹽水置換過(guò)程等還可能造成開挖面局部不穩(wěn)定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)方案2(后退刀盤脫困方案) 先將盾構(gòu)機(jī)與車站底板采用型鋼連接固定，如圖6所示，提供盾構(gòu)后退的反力，再通過(guò)盾構(gòu)機(jī)鉸接裝置使盾構(gòu)機(jī)前盾和刀盤回縮，使盾構(gòu)機(jī)刀盤后退并脫離開挖面，實(shí)現(xiàn)刀盤脫困。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)前盾和刀盤施加向后的拉力將刀盤與凍結(jié)土體拉開脫離，需采取措施穩(wěn)定盾構(gòu)機(jī)、管片和鋼套筒，并提供盾構(gòu)后退的反力，該方案盾構(gòu)脫困時(shí)間較短，開挖面失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)較小。

圖6 盾構(gòu)機(jī)與車站底板型鋼連接固定示意

通過(guò)分析比較，方案2具有較明顯優(yōu)勢(shì)，本次盾構(gòu)脫困采用方案2。

3.2 方案設(shè)計(jì)

3.2.1盾構(gòu)機(jī)后退所需拉力估算

由常規(guī)盾構(gòu)始發(fā)可知，使盾構(gòu)機(jī)在托架上移動(dòng)需采用2臺(tái)100t千斤頂實(shí)現(xiàn)，本次是將盾構(gòu)機(jī)前端及刀盤縮回，并非將整臺(tái)盾構(gòu)機(jī)后退，所以在無(wú)約束情況下，200t滿足回拖要求，但考慮到刀盤同冷凍體掌子面的黏結(jié)力及周邊土體對(duì)盾構(gòu)的約束，最終確定回縮力按整臺(tái)盾構(gòu)機(jī)回拖力的2倍考慮，設(shè)計(jì)回拖力按4 000kN設(shè)定。盾構(gòu)同車站底板的連接材料拉伸值按≤1cm設(shè)計(jì)，便于精準(zhǔn)確定回拖量。

3.2.2盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定設(shè)計(jì)

采用6根HW200×200 H型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定，如圖7所示，H型鋼一端與盾構(gòu)機(jī)中盾的法蘭支撐構(gòu)件焊接連接固定，另一端與車站底板上設(shè)置的鋼板底座焊接連接固定，為盾構(gòu)后退提供反力支撐，同時(shí)防止盾尾后退和管片位移。

圖7 盾構(gòu)機(jī)與車站底板型鋼拉結(jié)固定示意

拉結(jié)材料為Q235a ，采用HW200×200 H型鋼，截面積63.53cm2，單根長(zhǎng)12m，型鋼端面與預(yù)加工200mm×230mm鋼板焊接，考慮焊縫質(zhì)量等影響，安全系數(shù)取1.5。

1)型鋼抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算 單根H型鋼抗拉強(qiáng)度為21.5×63.53=1 365.9kN，6根H型鋼理論抗拉強(qiáng)度1 365.9×6=8 195.4kN，考慮安全系數(shù)后6根H型鋼抗拉強(qiáng)度為8 195.4÷1.5=5 463.6kN=546.36t> 400t，滿足要求。

2)型鋼變形量驗(yàn)算 6根H型鋼共計(jì)拉力4 000kN， 單根拉力667kN，單根長(zhǎng)12m，彈性模量為2.1×107N/cm2，截面積為63.53cm2。

3)焊縫強(qiáng)度驗(yàn)算 本次焊接要求焊縫寬度8mm，型鋼與預(yù)加工200mm×230mm鋼板雙面焊接，單根焊縫總長(zhǎng)度1 200mm；鋼板與法蘭面及支座單面焊接，單塊鋼板焊接長(zhǎng)度為630mm，Q235-A鋼的焊縫許用拉應(yīng)力為167MPa，取焊縫最薄弱處(鋼板與法蘭面及支座焊接處)進(jìn)行拉力計(jì)算：63×0.8×1 670×6=505 008kg=505t≥400t，滿足要求。

經(jīng)驗(yàn)算，錨固鋼筋抗剪強(qiáng)度、底板混凝土抗壓強(qiáng)度等均能滿足要求。

4 盾構(gòu)凍結(jié)加固區(qū)脫困施工方法

4.1 方案實(shí)施流程

鋼套筒及反力架加固→采用鉸接油缸使中盾后部及盾尾后退一定距離→中盾及盾尾固定→收縮鉸接，拖動(dòng)前盾及刀盤后退→脫困完成，恢復(fù)掘進(jìn)。

4.2 鋼套筒及反力架加固

1)對(duì)鋼套筒底座橫向支撐，兩側(cè)采用雙拼[20支撐加固，如圖8所示，防止鋼套筒變形；并采用φ16鋼絲繩對(duì)鋼套筒進(jìn)行拉結(jié)加固，鋼絲繩底部與車站結(jié)構(gòu)拉結(jié)牢固。

圖8 鋼套筒加固示意

2)對(duì)反力架頂部和底部采取加密支撐措施，防止反力架發(fā)生位移及扭轉(zhuǎn)。

4.3 中盾后部及盾尾后退

1)安裝負(fù)環(huán)管片固定裝置將負(fù)環(huán)管片與鋼套筒進(jìn)行加固 如圖9所示，在負(fù)環(huán)管片每個(gè)吊裝孔安裝球閥，并采用沖擊鉆將吊裝孔后部管片混凝土打穿，插入固定鋼筋頂至鋼套筒內(nèi)邊，在球閥內(nèi)塞入隔水膠泥，并采用隔水鋼墊片將球閥端口與固定鋼筋焊接牢固，防止管片發(fā)生位移和滲漏。對(duì)脫出盾尾的每個(gè)負(fù)環(huán)管片進(jìn)行加固。

圖9 負(fù)環(huán)管片固定裝置位置

2)確定盾構(gòu)機(jī)后退距離 本工程所采用的盾構(gòu)機(jī)刀盤、刀具主要以切刀和撕裂刀為主，切刀高140mm，撕裂刀高160mm，刀盤被困主要是因?yàn)榈侗P與開挖面間的土體凍結(jié)形成整體，而刀具插入凍結(jié)土體中造成阻力大，導(dǎo)致刀盤扭矩過(guò)大，需使刀具從冷凍土體中退出，才能降低刀盤扭矩。結(jié)合刀具高度，確定本次脫困將刀具退回160mm，即需將盾構(gòu)機(jī)后退160mm，使刀具前端脫離開挖面。

3)中盾后部及盾尾后退 在脫出盾尾管片固定完成后，將盾構(gòu)推進(jìn)油缸全部回縮160mm，之后啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)主動(dòng)鉸接油缸，將主動(dòng)鉸接油缸向后伸出160mm，且推進(jìn)油缸再次接觸到盾尾內(nèi)管片時(shí)停止鉸接油缸伸出，確保盾構(gòu)前盾和刀盤后退時(shí)鉸接油缸有足夠的回縮空間。

4.4 中盾及盾尾固定

1)施作車站底板型鋼固定底座 將3 500mm×2 200mm鋼板(厚度t=30mm)采用18根φ50圓鋼與車站結(jié)構(gòu)底板錨固，圓鋼錨入底板500mm，并與鋼板穿孔塞焊，形成底板固定底座。

2)盾構(gòu)機(jī)與車站底板拉結(jié)固定 采用6根HW200×200H型鋼(Q235a)，一端用200mm×230mm鋼板(t=20mm)與型鋼截面焊接后，與盾構(gòu)機(jī)中盾后部法蘭面焊接連接牢固，如圖10所示；另一端與車站底板上設(shè)置的固定底座焊接牢固，如圖7所示，底板支座迎盾構(gòu)側(cè)采用I20斜撐加固，并在H型鋼與底部鋼板間采用鋼板或型鋼加固連接。

圖10 H型鋼與盾構(gòu)機(jī)中盾法蘭連接示意

3)每間隔1.2m，采用[20將其連接成整體，如圖7所示，并與兩側(cè)負(fù)環(huán)管片吊裝孔固定裝置連接牢固。

4.5 收縮鉸接，拖動(dòng)前盾及刀盤后退

1)為保證盾構(gòu)前盾及刀盤在回縮過(guò)程中不損壞盾構(gòu)與車站底板連接裝置，在鉸接回縮前，對(duì)鉸接回縮力與回拖油壓進(jìn)行換算，確定最大允許回拖油壓值。

2)通過(guò)盾構(gòu)鉸接油缸的自由控制伸縮功能，對(duì)盾構(gòu)機(jī)各組分區(qū)油缸分別進(jìn)行20mm以內(nèi)的伸縮微活動(dòng)，使刀盤、刀具與冷凍土體連接面有一定的松動(dòng)，同時(shí)使盾體與周邊土體產(chǎn)生一定的松動(dòng)。

3)采用盾構(gòu)機(jī)鉸接逐級(jí)增加拉力的方式進(jìn)行回拖，最大拉力4 000kN，首次回拖采用1 000kN進(jìn)行，再每級(jí)增加500kN進(jìn)行回拖，直到拖動(dòng)盾構(gòu)機(jī)前部，且每回拖20mm進(jìn)行1次刀盤啟動(dòng)，直至盾構(gòu)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)確定的最大允許回拖油壓值，逐級(jí)對(duì)鉸接油缸加壓回縮，在回縮過(guò)程中當(dāng)達(dá)到最大允許回拖油壓值，盾體不再向后回縮時(shí)，停止回縮，盾構(gòu)各組鉸接油缸分別伸縮，讓盾構(gòu)進(jìn)行伸縮活動(dòng)，減小盾構(gòu)后退阻力，然后再進(jìn)行回縮，通過(guò)反復(fù)的盾體活動(dòng)和回縮，使盾構(gòu)刀盤與凍結(jié)土體脫離，并逐漸達(dá)到確定的160mm的后退距離。

4.6 盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)

1)盾構(gòu)刀盤后退160mm后，啟動(dòng)盾構(gòu)刀盤，進(jìn)行刀盤正反轉(zhuǎn)，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸靈活；然后根據(jù)設(shè)定的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，采用盾構(gòu)推進(jìn)油缸逐漸加力，使盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)掘進(jìn)。

2)盾構(gòu)恢復(fù)掘進(jìn)后應(yīng)控制掘進(jìn)速度，避免因貫入度過(guò)大導(dǎo)致刀盤再次被困。

3)盾構(gòu)恢復(fù)正常始發(fā)施工后，拆除盾構(gòu)與車站底板間的型鋼連接。

4)在盾構(gòu)穿越液氮凍結(jié)體施工過(guò)程中保持刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，并應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)維護(hù)保養(yǎng)，確保機(jī)況良好，防止發(fā)生因盾構(gòu)停機(jī)造成其被困事故。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程案例中，采用鋼套筒始發(fā)工法進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，盾構(gòu)液氮凍結(jié)體中脫困歷時(shí)僅3d時(shí)間，過(guò)程順利，快速、安全、高效。

結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道施工實(shí)踐，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和施工環(huán)境下采用“液氮冷凍加固+鋼套筒”盾構(gòu)始發(fā)施工中遇到的盾構(gòu)被凍住難題，研究采用型鋼將盾構(gòu)機(jī)與車站底板連接固定，以提供盾構(gòu)鉸接回縮反力，通過(guò)鉸接使刀盤后退脫離開挖面并后退一定距離，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤脫困的方法，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)刀盤在液氮凍結(jié)體中快速脫困，施工風(fēng)險(xiǎn)低，提高了施工效率；采取盾構(gòu)機(jī)、鋼套筒和管片加固等施工措施，保證了盾構(gòu)脫困方案實(shí)施過(guò)程中的設(shè)備安全和工程質(zhì)量。

鉸接后退刀盤脫困方法取得了良好效果，但對(duì)防止在液氮凍結(jié)體中盾構(gòu)被凍住的措施還有待進(jìn)一步研究與完善。