水平冷凍與割盾尾相結(jié)合的盾構(gòu)接收工藝

顧龍強(qiáng)

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

近年來，在沿海地區(qū)富含粉砂地層中進(jìn)行盾構(gòu)接收的工況越來越多。為了防止盾構(gòu)接收風(fēng)險事故發(fā)生，各種新的工藝和方法應(yīng)運而生，形成了一些技術(shù)研究成果。盧曉慧[1]闡述了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)到達(dá)接收的技術(shù)內(nèi)容、施工流程以及關(guān)鍵技術(shù)控制。逯建棟[2]闡述了鋼套箱的結(jié)構(gòu)組成和盾構(gòu)接收方案，采用鋼套箱裝置能有效避免盾構(gòu)到達(dá)接收過程中涌水、涌砂等風(fēng)險，確保盾構(gòu)出洞安全。魏林春等[3]基于地鐵盾構(gòu)到達(dá)整體接收裝置的工作原理及盾構(gòu)到達(dá)應(yīng)用工程的實際特點，研究地鐵盾構(gòu)整體接收到達(dá)各關(guān)鍵施工工序的配合及盾構(gòu)達(dá)到施工技術(shù)，大大降低盾構(gòu)在到達(dá)施工過程中的施工風(fēng)險，避免盾構(gòu)達(dá)到施工重大事故的發(fā)生。王宗勇[4]對復(fù)雜地層注漿缺陷進(jìn)行分析和補救措施研究，在洞門鋼環(huán)內(nèi)設(shè)置橡膠止水環(huán)，實現(xiàn)了盾構(gòu)安全接收。張鵬[5]采用明洞結(jié)構(gòu)輔助盾構(gòu)接收，提高了盾構(gòu)接收的風(fēng)險可控性，大大降低了施工風(fēng)險。

本文介紹南通地鐵青年路站—五一路東站區(qū)間富水性砂層地質(zhì)條件下的一種水平冷凍加固與割盾尾接收相結(jié)合的盾構(gòu)接收方法，主要采用了“地面水泥土加固＋洞門水平冷凍加固＋短套筒＋洞門鋼絲刷＋割盾尾＋降水井輔助降水”的綜合接收施工工藝，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程線路概況

南通地鐵2號線青年路站—五一路東站區(qū)間出青年路站后，沿青年中路敷設(shè)，下穿江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院過街通道、張家橋暗涵、學(xué)田河箱涵，進(jìn)入五一路東站。本區(qū)間采用一段曲線，左右線曲線半徑均為600 m；線路中心線間距為14～17 m。線路出青年路站以1.34%坡度上升至五一路東站，區(qū)間隧道最大埋深22 m，盾構(gòu)始發(fā)站為地下2層車站。盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5.5 m，外徑6.2 m，由6塊管片組成，管片寬1.2 m，厚35 cm，混凝土為C50，抗?jié)B等級P10。

1.2 工程水文地質(zhì)

工程地處長江下游沖積平原，地形平坦，地貌類型單一，盾構(gòu)區(qū)間穿越③2層粉砂及④1層粉質(zhì)黏土層。

本工程擬建場地分布有厚度1.9～6.0 m（平均厚度為4.43 m）的④1層及厚度1.3～5.0 m（平均厚度為3.47 m）的④1t層黏性土夾粉土。土層有一定的隔水性能，屬微-弱透水層。第Ⅰ承壓水一般賦存于50 m深度以下的砂土、粉土層中，即⑥層粉砂、⑦層粉砂夾中粗砂中，主要接受徑流及越流補給，據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，水頭埋深2～5 m。

本工點④1t層下部分布的⑤1層、⑤2層、⑤3層與⑥層及⑦層直接相連，可作為第Ⅰ承壓含水層考慮，故該層地下水存在承壓性。由于④1層較薄，且局部缺失，④1t層夾粉土較多，潛水與承壓水之間有弱水力聯(lián)系。

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，青年路站西端頭左線接收出洞為③2層粉砂及④1層粉質(zhì)黏土。

1.3 凍結(jié)加固概況

青年路站接收端左線軌面標(biāo)高為－18.87 m（左），地面標(biāo)高約為＋4.76 m（左），端頭井內(nèi)襯結(jié)構(gòu)厚度1 m，地下連續(xù)墻厚度1 m，在地下連續(xù)墻外采用φ850 mm@600 mm攪拌樁加固，靠近車站端頭雙排φ800 mm@500 mm旋噴樁。接收段端頭加固長度為12 m，加固寬度為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)每側(cè)3 m，豎向加固范圍為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)上部3 m，下部3 m。

總結(jié)南通地區(qū)類似地層盾構(gòu)端頭加固，在洞門鑿除、盾構(gòu)接收過程中出現(xiàn)過的滲漏水處理經(jīng)驗，在原水泥土加固基礎(chǔ)上，采用洞門水平凍結(jié)加固的輔助措施效果顯著。本工程水平凍結(jié)加固主要目的為破除洞門時封水，凍結(jié)強(qiáng)度達(dá)設(shè)計要求后，鑿除地下連續(xù)墻拔出推進(jìn)區(qū)域內(nèi)的凍結(jié)管，盾構(gòu)可直接推出。盾構(gòu)接收端左線靠近工作井設(shè)置水平杯形凍結(jié)加固區(qū)，長14 m，杯底厚2 m，杯壁厚1.5 m。

2 工程重難點

青年路站為地下3層車站，周邊環(huán)境復(fù)雜，盾構(gòu)接收土層為全斷面富水粉砂地層，盾構(gòu)接收風(fēng)險較大，考慮在原有水泥土加固的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前青年路站的實際盾構(gòu)接收工況，準(zhǔn)備青年路站左線盾構(gòu)接收采用水平冷凍＋短套筒＋割除盾尾的方式進(jìn)行盾構(gòu)接收。

為保證在盾構(gòu)接收過程中洞門水平冷凍、凍結(jié)管拔管、洞門密封裝置、短套箱、盾尾環(huán)箍注漿、洞門鑿除、盾構(gòu)機(jī)穿過冷凍區(qū)、盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞應(yīng)急措施、封閉洞門鋼板、割盾尾等各項工藝的有效實施，對青年路站—五一路東站區(qū)間左線盾構(gòu)接收過程進(jìn)行研究。

3 施工工藝流程

3.1 全斷面粉砂地層中水平凍結(jié)工藝

青年路站接收端頭井水平凍結(jié)，設(shè)計凍結(jié)壁厚為2.0 m（內(nèi)圈凍結(jié)壁）、1.5 m（外圈徑向凍結(jié)壁）、14.0 m（外圈凍結(jié)壁縱向有效長度），凍結(jié)壁平均溫度小于－10 ℃，凍結(jié)壁與混凝土連續(xù)墻交界面處平均溫度不高于－5 ℃。

青年路站盾構(gòu)接收洞門水平凍結(jié)加固，設(shè)計單個洞門凍結(jié)孔57個，測溫孔8個（圖1）。圖1中凍結(jié)孔為青色、測溫孔為黑色，水平鉆孔最大偏斜不得大于1.2%，外圈凍結(jié)孔最大終孔間距不得大于1 000 mm，內(nèi)圈孔最大終孔間距不得大于1 400 mm。凍結(jié)孔開孔位置誤差不宜大于50 mm，凍結(jié)管下放長度不得小于設(shè)計凍結(jié)深度，不大于設(shè)計凍結(jié)深度＋0.50 m；鉆孔施工開孔誤差不大于50 mm。

圖1 青年路站水平凍結(jié)孔布置示意

3.2 全斷面粉砂地層中凍結(jié)管拔管

采用人工解凍，人工使用千斤頂或?qū)ф溊蔚姆桨高M(jìn)行拔管。盾構(gòu)掘進(jìn)至538環(huán)刀盤距離地下連續(xù)墻2.5 m，盾構(gòu)停機(jī)刀盤不停止轉(zhuǎn)動，開始拔除內(nèi)圈水平凍結(jié)管，拔除洞門圈內(nèi)Z1～Z16，N1～N9，共25根凍結(jié)管及CX1～CX4共計4根測溫管，計劃拔管時間30 h。

1）在2 m3左右的鹽水箱中安裝總功率約為110 kW電熱管，用電熱管加熱鹽水至70 ℃。

2）以1～2組凍結(jié)孔為1批，在凍結(jié)孔中循環(huán)熱鹽水。

3）待凍結(jié)管周圍凍土融化1～3 cm時，先用千斤頂將凍結(jié)管頂松動后再用葫蘆拔松凍結(jié)管。

4）水平凍結(jié)孔拔管后凍結(jié)孔拔管后用M10水泥砂漿圓柱封孔，預(yù)制圓柱直徑同凍結(jié)管，每截長度0.3 m，每個凍結(jié)孔充填1～3截。

5）預(yù)計凍結(jié)孔正常起拔力為1～50 kN。凍結(jié)管的破斷力約為320 kN，要求起拔力小于50 kN。

3.3 洞門密封裝置安裝

洞門密封裝置的安裝安排在洞門外層混凝土鑿除之后及地下連續(xù)墻最后1層鋼筋網(wǎng)拆除之前。在預(yù)埋鋼洞圈上安裝2道洞門止水裝置，同時在內(nèi)襯墻上的洞門圈周圍安裝橡膠簾布板止水裝置。洞門止水裝置包括洞門鋼絲刷、油脂。環(huán)形鋼絲刷滿焊在預(yù)埋的洞門鋼環(huán)上，在盾構(gòu)接收之前在洞門鋼絲刷上填充油脂。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)沿推進(jìn)方向掘進(jìn)時，被填充油脂的環(huán)形鋼絲刷被盾構(gòu)機(jī)帶動向順時針方向轉(zhuǎn)動，封閉在盾體外徑處，止住水向洞口方向流出。同理也可封住沿管片外徑向洞口方向的流水和同步注漿漿液。洞門止水裝置可以有效阻止或隔斷盾體外向洞口流水流砂，若存在少量漏水，可以直接進(jìn)行壓密注漿填充（圖2）。

圖2 洞門止水裝置示意（洞門鋼絲刷＋油脂填充）

3.4 洞門短套箱安裝

青年路站左線洞門鋼環(huán)外側(cè)安裝洞門短套箱，短套箱長35 cm，套箱與洞門焊接，橡膠簾幕板布置于套箱內(nèi)。

在洞門鋼環(huán)內(nèi)部焊接2道洞門鋼絲刷，洞門鋼絲刷上嵌滿手涂盾尾油脂。洞門鋼絲刷和彈簧鋼板內(nèi)部的空腔在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和接收時通過短套筒外側(cè)預(yù)留的12個注漿管進(jìn)行應(yīng)急聚氨酯或雙液漿注入，確保洞門部位可以應(yīng)急堵漏。

3.5 全斷面粉砂地層中盾尾環(huán)箍注漿

區(qū)間接收洞門前從537環(huán)開始向544環(huán)注漿，均為多孔管片，注漿以雙液漿注漿材料為主，可以采取跳孔注漿方式，必要時間隔打設(shè)1～2環(huán)聚氨酯環(huán)箍注漿，確保環(huán)箍注漿的效果達(dá)到洞門封閉的要求。

雙液漿注漿要求，注漿壓力0.3～0.5 MPa，注漿量0.6 m3/孔。先單液漿注完后，達(dá)到強(qiáng)度要求，再對注漿孔逐一開孔檢查有無滲漏，有滲漏情況再注雙液漿。隧道內(nèi)和洞門位置都提前接好聚氨酯泵和注漿球閥。環(huán)箍注漿完成后，采用管片注漿孔長鉆桿開孔檢查，對仍有環(huán)箍注漿未交圈存在通道的孔號再用聚氨酯進(jìn)行封堵。

3.6 全斷面粉砂地層中洞門鑿除

洞門采用人工鑿除，采用垂直從上至下、先中間后兩側(cè)的順序進(jìn)行，洞門分2次鑿除。洞門鑿除完成后要立即用鋼卷尺檢查洞門鑿除的尺寸，洞門凈空尺寸檢查至少要丈量4處，且每處最小尺寸不小于盾構(gòu)機(jī)最大直徑，對于尺寸不足之處需人工進(jìn)行修整，直到滿足凈空尺寸要求為止。

3.7 全斷面粉砂地層中盾構(gòu)機(jī)刀盤出冷凍區(qū)

盾構(gòu)機(jī)穿越冷凍區(qū)（冷凍區(qū)域按照2.5 m考慮：538環(huán)油缸行程1.23 m至541環(huán)油缸行程1.08 m），洞門鑿除過程中，刀盤已位于冷凍加固區(qū)內(nèi)，要求司機(jī)24 h值班，盾構(gòu)機(jī)刀盤一直轉(zhuǎn)動，避免被凍住，穿越冷凍區(qū)注意事項如下：盾構(gòu)機(jī)鉸接全開；開啟慢速泵，刀盤不能停，推進(jìn)速度1 cm/min；凍土適當(dāng)加注泡沫；盾構(gòu)機(jī)刀盤連鎖解除，檢查設(shè)備，避免不必要的刀盤停轉(zhuǎn)；準(zhǔn)備適當(dāng)鹽水應(yīng)急，避免凍住刀盤，推進(jìn)凍土前排凈場內(nèi)土。

3.8 全斷面粉砂地層中盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞應(yīng)急處置

封閉洞門鋼板期間共開啟5口降水井（另外1口備用降水井兼觀測井），將承壓水的水頭降低到洞圈底部以下2.5～5.0 m，降低接收洞門周邊的水頭高度和水頭壓力?，F(xiàn)場技術(shù)員通過測繩檢測降水井內(nèi)水位高度，每小時1次，降水井運行情況巡查及水位高度觀測每小時1次。

盾構(gòu)掘進(jìn)至549環(huán)，盾尾留置1.6 m于洞門鋼環(huán)內(nèi)，此時盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。最后一環(huán)549環(huán)為P6接收環(huán)管片，端部和背后為背負(fù)鋼板，為洞門封閉做好準(zhǔn)備。檢查洞門止水裝置滲漏滴水情況，開始分塊焊接封閉洞門鋼板，隧道內(nèi)和洞門位置都準(zhǔn)備好應(yīng)急注聚氨酯的設(shè)備、材料、人員。隧道內(nèi)聚氨酯配備2 t，聚氨酯泵配備3個，其他應(yīng)急物資若干；洞門位置聚氨酯配備2 t，聚氨酯泵配備3個，其他應(yīng)急物資若干。從下到上逐塊封閉洞門鋼板，完成盾構(gòu)接收工作。

3.9 全斷面粉砂地層中盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)完成停機(jī)

盾構(gòu)掘進(jìn)至549環(huán)，盾尾留置至少0.9 m于洞門鋼環(huán)內(nèi)，此時盾構(gòu)機(jī)停機(jī)。其中545、546環(huán)設(shè)置1 m規(guī)格管片，549環(huán)為P6管片，端部和背后為背負(fù)鋼板。

3.10 全斷面粉砂地層中封閉洞門鋼板、割除盾尾

盾構(gòu)機(jī)停到位置后，打開應(yīng)急降水井，降水深度到位后，利用弧形鋼板封閉洞門間隙，隧道內(nèi)部采用①號弧形鋼板從盾構(gòu)機(jī)內(nèi)側(cè)封閉盾尾間隙。洞門外側(cè)采用②號弧形鋼板將盾尾與洞門短套筒焊接。洞門鋼板寬度分別為25、30 cm，分為30塊，將短套筒外側(cè)壁與接收環(huán)背負(fù)鋼板分塊滿焊成環(huán)，封閉整個洞門。封閉完成后，割除盾尾，盾構(gòu)機(jī)接收呈下坡趨勢，上下左右?guī)讉€方向管片凸出洞門長度不一，割除過程中，應(yīng)留適當(dāng)?shù)挠嗔?，避免?nèi)外割穿。

4 結(jié)語

青年路站—五一路東站區(qū)間左線盾構(gòu)采用“地面水泥土加固＋洞門水平冷凍加固＋短套筒＋洞門鋼絲刷＋割盾尾＋降水井輔助降水”多道防水堵水措施設(shè)防的綜合接收施工工藝，洞門凍結(jié)壁厚度和溫度及凍結(jié)效果均滿足設(shè)計要求，凍結(jié)設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，滿足地下連續(xù)墻破除和盾構(gòu)接收過程止水要求，具有很好的參考價值。