富水砂層中鋼管片凍結(jié)法更換盾尾刷技術(shù)探析

饒 彪

（佛山市鐵路投資建設(shè)集團有限公司 廣東佛山 528041）

0 引言

隨著城市開發(fā)向縱深發(fā)展和地下空間的充分利用，地鐵施工范圍越來約寬泛，大部分沿海城市多有在建或規(guī)劃中的地鐵線路，而盾構(gòu)施工技術(shù)作為一種高效先進安全的隧道施工工法，具有自動化作業(yè)程度高、掘進速度快、對周邊環(huán)境干擾小、受氣候因素影響小等優(yōu)點，現(xiàn)被廣泛應用于隧道施工中［1?5］。然而，在長距離、曲率較大的隧道掘進過程中，盾構(gòu)機盾尾刷極易磨損，從而造成盾尾滲漏，2018年佛山“2·7”事故就是前車之鑒。為保證工程質(zhì)量與施工安全性，必須定期更換盾尾刷。為確保盾尾刷檢修、更換作業(yè)的安全性，有必要先對地下水進行阻隔?，F(xiàn)行常用加固方法有注漿加固法、開孔凍結(jié)加固法等［6?7］。這些傳統(tǒng)加固方法，均不同程度存在著工期長、效果差、費用高等問題［8?10］。相比較而言，鋼管片凍結(jié)更換盾尾刷技術(shù)是采用將凍結(jié)管預埋在鋼管片內(nèi)，并按管片拼裝要求拼裝在盾尾，注入冷媒將盾構(gòu)前后位置進行凍結(jié)，形成環(huán)形凍結(jié)帷幕。凍結(jié)體具有強度高、均勻性好、環(huán)向保護可靠，能精準地保證盾尾刷更換期間的施工安全［11］。

1 工程概況與分析

佛山地鐵某區(qū)間右線長度為1 393 m，共計928環(huán)管片。盾構(gòu)隧道管片厚度380 mm，內(nèi)徑φ5 440 mm，外徑φ6 200 mm，標準環(huán)環(huán)寬1 500 mm。本工程采用盾構(gòu)機盾尾安裝了3 道密封鋼絲刷及6 根油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂以防止隧道周邊區(qū)域水土流失和工程結(jié)構(gòu)內(nèi)滲水，盾尾刷結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機盾尾刷結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Shield Tail Brush Structure of Shield Machine

盾構(gòu)掘進至758 環(huán)時出現(xiàn)滲漏水，現(xiàn)場采取加大盾尾油脂用量，盾尾管片間隙填塞海綿條，焊接盾尾止?jié){小鋼板等措施進行盾尾封堵，經(jīng)處理復推后掘進30環(huán)至786環(huán)，滲漏情況未得到改善，經(jīng)分析判斷3道盾尾刷均已經(jīng)磨損，無法恢復原設(shè)計功能［12?13］?？紤]后期盾構(gòu)掘進安全，決定進行盾尾刷更換作業(yè)。

2 凍結(jié)鋼管片分析與設(shè)計

鋼管片的橫截面設(shè)計如圖2 所示，鋼管片凍結(jié)更換盾尾刷技術(shù)采用具有預埋凍結(jié)管的鋼管片，鋼管片內(nèi)部為網(wǎng)格型，凍結(jié)管互相連接，形成完整凍結(jié)去回路，通過冷凍機組將冷媒輸送到凍結(jié)管，依據(jù)熱傳遞原理吸收土體中的熱量，達到將盾構(gòu)機尾部環(huán)狀土層凍結(jié)的目的，最終形成一道環(huán)向凍結(jié)帷幕，對盾尾進行保護。為保證盾構(gòu)四周環(huán)形區(qū)域凍結(jié)帷幕均勻，鋼管片間連接處設(shè)置盲管，各節(jié)管片的內(nèi)置凍結(jié)管通過U型管路首尾相連，形成閉合凍結(jié)去回路。

圖2 鋼管片橫斷面設(shè)計Fig.2 Cross Section Design of Steel Pipe Sheet

3 凍結(jié)準備工作

3.1 盾構(gòu)機選型

盾構(gòu)機選型應考慮拼裝機行程及盾尾尺寸匹配問題，需滿足管片拼裝好后推出到露出盾尾刷位置時，拼裝機行程足夠拆除并重新拼裝管片的要求。當拼裝機行程不足時還需額外采取措施進行人工管片裝拆和頂推。另外，還需考慮盾構(gòu)機前進千斤頂行程滿足推出盾尾刷距離。

本區(qū)間所選盾構(gòu)機的特點為拼裝機行程滿足第一道尾刷位置管片拼裝要求，但前進千斤頂行程不足。綜合考慮，最終采用臨時鋼支撐予以前進千斤頂行程補償?shù)霓k法，更換第一道盾尾刷。

3.2 凍結(jié)位置選擇

盾構(gòu)刷更換位置宜結(jié)合區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道段，選取地面次生風險較小，地質(zhì)條件好的位置。本區(qū)間結(jié)合富水砂層及盾尾刷滲漏情況，選擇在788 環(huán)作為盾尾刷更換點，在787 環(huán)安裝預埋凍結(jié)管鋼管片。

通過現(xiàn)場補勘情況揭示可知，其地址勘測如圖3所示，更換盾尾刷位置地層從上至下依次為：〈1?1〉素填土、〈2?2〉淤泥質(zhì)粉（細）砂、〈2?1B〉淤泥質(zhì)土、〈2?2〉淤泥質(zhì)粉（細）砂、〈3?1〉沖洪積粉細砂、〈3?2〉沖洪積中粗砂、〈8?2〉中風化泥質(zhì)粉砂巖。地下水位深度約為1.42 m，隧道周邊區(qū)域為淤泥質(zhì)土，含水率及滲透系數(shù)高，適用于凍土固結(jié)加固。

圖3 地質(zhì)勘測Fig.3 Geological Survey （mm）

3.3 凍結(jié)位置預加固

⑴為盡快充填盾尾與土體之間的空隙，及時支撐管片周圍土體，防止掘進過程中產(chǎn)生過大變形從而危及周圍環(huán)境安全，在掘進至785環(huán)時，將盾尾同步注漿量提高至常規(guī)同步注漿量的1.2 倍，以期形成止水帷幕，作為第一道安全保險。同時，在第783、784、785、786 環(huán)采用雙液漿從吊裝孔進行二次注漿，填充管片背后局部不均勻或因同步注漿漿液固結(jié)收縮而產(chǎn)生的空隙，提高同步注漿層的防水性和密實度，從而達到管片與土體之間加固封水效果，作為第二道安全保險。其中，漿液配合比為水泥漿漿液水灰比為0.8∶1（質(zhì)量比），水泥漿液∶水玻璃溶液=10∶1（體積比）。

⑵注漿順序從下而上進行，注漿鉆孔深度為40～50 cm，注漿壓力以不超過0.4 MPa，注漿過程中需密切觀察，防止管片因受力不均出現(xiàn)錯臺，二次注漿凝結(jié)后，打開吊裝孔封蓋檢查注漿效果，用鋼筋打穿凝結(jié)漿液層，若發(fā)生漏水則繼續(xù)注入水泥漿以堵塞滲水通道。為預防突發(fā)漏水風險，現(xiàn)場需準備聚氨酯隨時準備堵漏。

⑶在對784、785、786 環(huán)混凝土管片拼裝過程中，在下半部分放置數(shù)條約10 cm厚的海綿條，作為第三道安全保險，以期減少盾尾漏漿，提升雙液注漿止水效果。

3.4 凍結(jié)前盾構(gòu)掘進

凍結(jié)鋼管片依照由下至上順序拼裝，拼裝過程應緩慢、穩(wěn)定地進行，嚴防磕碰損傷，保護管片凍結(jié)管不被破壞。拼裝完成后，使用保溫隔熱材料，填實管段肋板空隙。

為預防漏出盾尾刷更換過程中出現(xiàn)盾尾滲漏，凍結(jié)前需將788 環(huán)作為預拆環(huán)進行拼裝。預拆環(huán)由6塊節(jié)段組成，現(xiàn)場拼裝5 塊節(jié)段，預留11 點位置的K 塊不拼裝，其空隙用兩根I20工字鋼支撐代替，便于觀察盾尾刷的露出情況及管片拆卸。

預拆環(huán)管片示意圖如圖4所示，拼裝預拆環(huán)后，需將千斤頂繼續(xù)頂進2 500 mm，才能將第1道盾尾刷完全外露。而推進千斤頂僅有行程2 000 mm，需額外增加長度為500 mm 的鋼支撐，此時總計行程長2 000 mm+500 mm=2 500 mm，其行程示意圖如圖5所示。

圖4 預拆環(huán)管片示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Pre-disassembly Ring Sheet

圖5 千斤頂行程示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Jack Stroke （mm）

當預拆環(huán)拼裝完成，需繼續(xù)推進時，推進至預拆除環(huán)K塊缺口處，直至觀察到第1排尾刷露出為止，以保證第1 排尾刷更換的可操作性，此時必須確保第2排盾尾刷不能漏出管片，避免造成盾尾脫出過多，影響后續(xù)復推時管片拼裝。

尾刷預留位置示意圖如圖6所示，其中，加長鋼管支撐長500 mm，等級Q235，直徑240 mm，壁厚16 mm，設(shè)計12根。根據(jù)該地區(qū)類似盾構(gòu)施工經(jīng)驗，盾構(gòu)泥土壓力一般在2.5 bar 以內(nèi)，本工程偏安全考慮，取P1=3.0 bar代入計算。據(jù)土壓計算總推力F1=P1×π×D2÷4=0.3 MPa×3.14×6.492÷4≈992.4 t?？刂仆屏2=1 600 t，施工過程掘進推力計算值未超過控制推力F2，故取F=max（F1，F(xiàn)2）=1 600 t，單根加長鋼管支撐需要承壓Fe=1 600 t/12×10≈1 340 kN。

圖6 尾刷預留位置示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Reserved Position of Tail Brush （mm）

在有限元中輸入鋼管支撐截面幾何特性、材料特性、荷載等信息，對其強度、穩(wěn)定性進行構(gòu)件驗算，計算結(jié)果顯示構(gòu)件處于安全狀態(tài)。

4 土體凍結(jié)工作

4.1 地層凍結(jié)設(shè)計

地層凍結(jié)設(shè)計主要包括凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計和凍結(jié)三大系統(tǒng)（制冷、冷媒、冷卻水）設(shè)計。

⑴凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計直接采用結(jié)構(gòu)設(shè)計力學模型，除考慮抗滑移，抗傾覆，抗?jié)B透外，還需考慮地質(zhì)水文條件。當?shù)叵滤魉俅笥谝欢ㄏ薅龋? m/d）時，將影響正常凍結(jié)，因此當凍結(jié)點附近600 m范圍抽水試驗大于200 m3/h，或有水源時，必須實測凍結(jié)點含水層流速。此外地層含鹽量或地下熱源影響結(jié)冰度，當?shù)陀? ℃時需專項設(shè)計。

凍土結(jié)構(gòu)設(shè)計首先應考慮功能要求，是只止水或即止水又承載。人工凍土力學性能可參考《人工凍土物理力學性能實驗：MT/T 593—1996》規(guī)定。關(guān)鍵考慮地層含水量和擾動值對土體凍結(jié)的影響。

⑵ 凍制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)永久結(jié)構(gòu)及凍結(jié)土帷幕厚度確定凍結(jié)孔布置。凍結(jié)孔間距需根據(jù)凍結(jié)土帷幕厚度，凍結(jié)土帷幕平均溫度，凍結(jié)工期確定。其中凍結(jié)壁溫度采用恒定溫度場假設(shè)，并通過測溫推定平均值。

冷凍站包括氨制冷設(shè)備、鹽水泵、冷卻水泵及其管路系統(tǒng)，其安裝需符合《制冷設(shè)備、空氣分離設(shè)備安裝工程施工及驗收規(guī)范：GB 50274—2010》、《氨制冷系統(tǒng)安裝工程施工及驗收規(guī)范：SBJ 12—2011》、《機械設(shè)備安裝工程施工及驗收通用規(guī)范：GB 50231—2009》、《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范：GB 50235—2010》的有關(guān)規(guī)定。此外配電系統(tǒng)應符合《電氣裝置安裝工程盤、柜及二次回路接線施工及驗收規(guī)范：GB 50171—2012》的有關(guān)規(guī)定。制冷站密封性實驗應滿足《煤礦井巷工程施工規(guī)范：GB 50511—2010》的有關(guān)規(guī)定?？傮w設(shè)計需考慮地層熱容值計算總體制冷量。

本凍結(jié)方案的凍結(jié)站設(shè)備包括凍結(jié)機、鹽水箱、鹽水泵以及電箱等（見圖7）。凍結(jié)站安裝在鋪設(shè)6 mm 厚木板的電瓶臺車平臺中，平臺長20.747 m、寬1.5 m，面積約31.1 m2。其中，凍結(jié)液采用比重為1.26～1.27 的氯化鈣鹽水溶液，制冷劑選用氟立昂R?22，冷卻水則采用本盾構(gòu)掘進系統(tǒng)的循環(huán)水。

圖7 凍結(jié)站平面布置示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Freezing Station Layout （mm）

凍結(jié)管及鋼管片視為一個整體，作為傳熱介質(zhì)，凍結(jié)管焊接于鋼管片內(nèi)側(cè)和外側(cè)。各塊管片內(nèi)凍結(jié)管均獨立并留有連接口，在管片拼裝完成后，通過U 型管將預留連接口連接，使凍結(jié)管形成完整回路，凍結(jié)管路設(shè)置伸縮接頭、壓力表和測溫儀、閥門、流量計等控制測量元件。正式使用前進行管路嚴密性試驗，確認鹽水無滲漏情況，使用橡塑材料和塑料薄膜對管路進行密封。同時，為保證凍結(jié)效果，需對鋼管片前后一環(huán)進行保溫處理。

4.2 凍結(jié)施工

凍結(jié)系統(tǒng)積極凍結(jié)鹽水溫度應降至?28 ℃以下，鹽水去回、路溫差不大于2 ℃。在積極凍結(jié)中，凍土發(fā)展速度未25～35 mm/d，綜合考慮凍結(jié)施工的不均勻性等因素，為形成半徑為300 mm 的凍土帷幕，凍結(jié)施工時間約為8～12 d。

每塊管片（除K 塊）設(shè)置2 個監(jiān)測孔，分別為測溫孔、泄壓孔，整環(huán)鋼管片共設(shè)置共計10 個的監(jiān)測孔。測溫孔用于監(jiān)測凍結(jié)期間溫度場，凍結(jié)施工期間觀測頻率12 h/次，尾刷更換期間8 h/次，解凍期間24 h/次。泄壓孔孔口安裝壓力表和用于泄水的通道和控制閥門。壓力表精度為0.02 MPa。在運轉(zhuǎn)前，檢測地層初始水壓，當泄壓孔實際水壓超過其初始壓力0.2 MPa時，應放水泄壓。凍結(jié)期間，地層水壓觀測頻率為12 h/次。若水壓發(fā)生持續(xù)上漲，應加強觀測頻率至6 h/次。

為確保凍結(jié)施工形成可靠凍結(jié)帷幕，在凍結(jié)施工中，應進行實時溫度、壓力監(jiān)測，對凍結(jié)效果進行分析判斷。對于薄弱環(huán)節(jié)，應打探孔檢驗實際凍結(jié)效果。根據(jù)計算分析理論結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際測溫結(jié)果，分析凍結(jié)帷幕的形成情況，確定積極凍結(jié)時間，評價凍結(jié)帷幕成型的質(zhì)量與安全性。

5 盾尾刷更換工作

5.1 預拆環(huán)拆除

積極凍結(jié)期間，及時用測溫傳感器進行溫控監(jiān)測，當判定盾構(gòu)管片周邊環(huán)形凍壁厚度達300 mm 以上、管片無滲漏水現(xiàn)象，即可進行預拆環(huán)拆除。

預拆環(huán)管片拆卸應分步自上而下進行，隨拆同步增設(shè)加長鋼管支撐（L=500 mm），加長鋼支撐采用焊接20 mm 鋼筋與盾尾連接的防墜構(gòu)造。液壓千斤通過加長鋼支撐頂住上一環(huán)管片，在盾尾間隙填充泡沫，用螺栓固定1 cm 厚止?jié){壓板，在盾構(gòu)掘進恢復后須取下止?jié){板，重新粘貼緩沖墊及止水膠條等，其示意圖如圖8所示。

圖8 泡沫止?jié){板示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Foam Stop Board

5.2 盾尾清理

管片拆除后，在清理干凈密封尾刷處的油脂、砂漿等物質(zhì)后，對尾刷進行割除工作，作業(yè)前應提前采用濕潤的石棉覆蓋盾尾內(nèi)的機械和電線，做好保護措施，防止作業(yè)時的火花引起火災。也可防止作業(yè)時的碎料進入機械影響機械使用，盾尾刷割除后及時對割除區(qū)域進行磨光處理。

5.3 尾刷切除及焊接

盾尾刷切除時，需采用接觸式溫度計檢測盾體內(nèi)表面溫度，當其溫度高于?5°C 時進行盾尾刷更換、焊接作業(yè)，避免低溫環(huán)境下焊接質(zhì)量問題。作業(yè)人員應佩戴防寒用品，為避免焊接作業(yè)產(chǎn)生的溫度對凍結(jié)效果影響，應采用跳焊方式對盾尾刷進行更換。焊條規(guī)格采用φ5mm 506，焊接尾刷間距應不大于3 mm。焊接過程隨時監(jiān)測盾尾筒體溫度，特別注意靠近鋼管片的位置，防止焊接熱量影響凍結(jié)效果。焊接工作結(jié)束后，應立即進行保溫保護，使用巖棉包裹焊接接頭，進行自然冷卻，防止溫度驟降影響焊縫成型質(zhì)量。

5.4 尾刷涂抹油脂

在盾尾刷焊接完成并經(jīng)驗收通過后，方可開始進行盾尾油脂涂抹工作，涂抹時將鋼絲刷分層撥開后注入油脂，涂刷油脂應填塞飽滿、不掉落、不漏涂。

5.5 解凍及融沉

土壤凍結(jié)過程不僅使土本身性質(zhì)發(fā)生顯著變化，同時由于水分向凍結(jié)鋒面遷移及相變致使體積增加。一般來說凍結(jié)工程完成后產(chǎn)生的沉降由融化體積收縮及地層模量下降導致壓縮沉降兩部分組成。粉土層結(jié)合水強度及透水性強度適中，地層的融沉效果十分明顯。融沉控制方法主要包括埋設(shè)泄壓孔，間歇供冷，速凍模式，強制解凍，跟蹤注漿等方法。

本區(qū)間盾尾刷更換完成后，掘進前先對盾構(gòu)機尾部盾殼交圈周邊的凍土實施解凍，在原有凍結(jié)管中注入熱水進行循環(huán)解凍。同時，為防止凍土融沉，應通過管片預留孔對凍結(jié)區(qū)域進行充填注漿。

6 結(jié)語

本次鋼管片凍結(jié)更換盾尾刷技術(shù)在富水砂層中的應用效果非常明顯，整個更換作業(yè)施工工期約20 d左右，較地面注漿加固更換盾尾刷、管片開孔凍結(jié)更換盾尾刷節(jié)省工期約2 個月時間；施工費用共計200 萬左右，較其他兩種傳統(tǒng)更換盾尾刷技術(shù)節(jié)省一半費用，同時鋼管片凍結(jié)更換盾尾刷技術(shù)更加安全可控，凍結(jié)效果和施工情況可以很直觀地察控制。因此，鋼管片凍結(jié)更換盾尾刷技術(shù)值得在富水軟弱地層廣泛推廣。