地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)接收的冷凍鋼套筒施工技術(shù)研究

牛國(guó)亮

(中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇無(wú)錫 214000)

1 引言

近幾年，盾構(gòu)工程建設(shè)的機(jī)械化程度已逐步提高，并逐步應(yīng)用于城市軌道交通建設(shè)中。而在地鐵隧道整個(gè)施工環(huán)節(jié)中，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)與接收是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在施工過(guò)程中遇到相對(duì)較弱的地層時(shí)，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的接收可能面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)，為了安全地進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)接收，通常需要加強(qiáng)對(duì)端頭的固定處理，主要采取注漿、凍結(jié)方式。當(dāng)單獨(dú)使用一種固定方式無(wú)法穩(wěn)固地層時(shí)，則需要采取更多的加固措施以保證其穩(wěn)定性。目前，盡管我國(guó)對(duì)于鋼套筒接收技術(shù)已經(jīng)有了較多的研究，但由于地質(zhì)條件的不確定性以及復(fù)雜性的影響，在施工過(guò)程中仍可能出現(xiàn)較多的問(wèn)題。因此，需要對(duì)地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)接收的冷凍鋼套筒施工技術(shù)開(kāi)展的可行性進(jìn)行分析，并制訂合理的解決方案保證施工安全。本文將針對(duì)盾構(gòu)的冷凍聯(lián)合鋼套筒接收技術(shù)進(jìn)行深入分析。

2 冷凍與鋼套筒施工

2.1 冷凍施工

一般情況下，根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)，接收洞門(mén)凍結(jié)孔水平角度布置，凍結(jié)孔開(kāi)始鉆孔的順序一般為：定位開(kāi)孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測(cè)量→封閉孔底部→打壓試驗(yàn)。由于鉆孔封閉后的冷凍效果十分關(guān)鍵，因此，鉆孔孔口的密封十分關(guān)鍵。

根據(jù)相關(guān)要求調(diào)整鉆機(jī)的方位角和螺距角位置后，將旁通閥安裝在孔口裝置上，并固定密封裝置。施工時(shí)，應(yīng)選擇無(wú)泥漿鉆井技術(shù)，當(dāng)鉆孔工藝可調(diào)整為采用泥漿鉆井方法時(shí)，應(yīng)打開(kāi)孔口裝置上的旁通閥，觀察水、砂的情況。在施工過(guò)程中，鉆孔可采用MX-120A 鉆機(jī)，扭矩為2 000 N·m，推力為17 kN。鉆孔完成后，需要檢查冷卻孔密封情況。檢驗(yàn)方法為：將水注入成型管，進(jìn)行冷凍管密封試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)壓力設(shè)置在0.8 MPa，30 min 內(nèi)的壓力值變化范圍在0.05 MPa 內(nèi)，在密封45 min 后壓力并無(wú)變化則視為密封性合格。

2.2 鋼套筒施工

1）鋼套筒主體結(jié)構(gòu)：鋼套筒是一種一端開(kāi)口的桶狀結(jié)構(gòu)，其整個(gè)接收的總長(zhǎng)可達(dá)到11 170 mm，主要由1 個(gè)過(guò)渡連接環(huán)（長(zhǎng)度在700 mm）、4 個(gè)筒體（長(zhǎng)度為2 500 mm）、左右工字鋼支撐以及1 個(gè)長(zhǎng)470 mm 的后端蓋組成。此外，根據(jù)每個(gè)地鐵站點(diǎn)的不同，接收井的接收方式也不相同，多數(shù)情況下接收井多為封閉式，需要將鋼套筒的筒體進(jìn)行分塊，使用10 t 龍門(mén)吊架平板車(chē)分別運(yùn)輸至西端頭。

在鋼套管開(kāi)始安裝前，需要確定線(xiàn)路的中心線(xiàn)，即鋼套管的中心線(xiàn)。在完成鋼制套管的定位后，要確保鋼套管底中心線(xiàn)、隧道中心線(xiàn)和控制線(xiàn)相互重疊，以保證技術(shù)的準(zhǔn)確性。負(fù)3層頂部開(kāi)口的吊裝孔約為100 mm。10 t 電葫蘆可將鋼套筒轉(zhuǎn)移至左側(cè)井口，按頂燈放置組裝。組裝完成后，沿著線(xiàn)路方向靠墊45B 型工字鋼，使用工字鋼整體頂推鋼套筒，使用渡環(huán)緊貼洞門(mén)，確保鋼套筒和隧洞的中心線(xiàn)誤差不超過(guò)5 mm。

2）鋼套筒支撐鋼套筒、孔門(mén)鋼環(huán)焊接完成，經(jīng)相關(guān)人員仔細(xì)檢查確認(rèn)后，可安裝筒體上部、側(cè)部支撐。在每個(gè)鋼套筒的中間設(shè)置1 個(gè)斜撐，側(cè)壁上應(yīng)有2 個(gè)平撐，并在兩側(cè)設(shè)有12個(gè)支撐，固定在鋼套筒負(fù)3 層板底和側(cè)壁上。

3）鋼套回填及整體密封性檢查。鋼套筒回填土的材料主要是在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中改進(jìn)后再次使用，可通過(guò)地面泵到鋼套的內(nèi)部。如果壓載土相對(duì)較厚，則需要加入適量的清水進(jìn)行稀釋。鋼套筒完成后回填土，進(jìn)入鋼套的注水壓力要達(dá)到0.3 MPa，然后停止注水，保持壓力穩(wěn)定。檢查每個(gè)連接部分，包括洞門(mén)連接板、鋼套筒縱向及環(huán)向的連接位置、鋼套筒與反力架的連接處是否出現(xiàn)滲水或漏水現(xiàn)象。加壓時(shí)間約控制在10 min，停留檢測(cè)時(shí)間為10 min，壓力在0.1～0.2 MPa，各級(jí)壓力施加時(shí)間大概控制在15 min，停留檢測(cè)時(shí)間控制在25 min；壓力在0.2～0.25 MPa，壓力時(shí)間約控制在45 min，停留檢測(cè)時(shí)間控制在120 min。如果加壓開(kāi)始后檢測(cè)的過(guò)程中出現(xiàn)滲水、漏水及焊縫脫焊的情況，需要立即進(jìn)行卸壓處理，可擰緊螺栓或重新焊接。

3 盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)

3.1 盾構(gòu)機(jī)的停機(jī)保養(yǎng)制度

當(dāng)平板離冰箱約10 m 時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的平板需要關(guān)閉。定期對(duì)盾構(gòu)機(jī)及配套設(shè)備進(jìn)行全面維護(hù)，確保所有相關(guān)設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，為接收盾構(gòu)機(jī)做好準(zhǔn)備工作，檢修保養(yǎng)內(nèi)容主要包括：驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)（包括電機(jī)、高壓油管等）、電氣控制系統(tǒng)（包括了電磁閥、傳感器等）、注漿系統(tǒng)（包括檢修注漿泵、清通注漿管路等以保證管路的暢通）、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（包括電瓶車(chē)、含皮帶機(jī)，其中尤其需要對(duì)電瓶車(chē)進(jìn)行檢修，保證剎車(chē)功能正常）、氣壓設(shè)備檢查，氣壓設(shè)備應(yīng)按0.3 MPa 進(jìn)行檢查，并對(duì)氣壓設(shè)備的氣密性進(jìn)行全面檢查。另外，還應(yīng)檢查盾尾的密封情況，以確保各部件的密封性能良好。此外，加強(qiáng)螺旋輸送出土口閘門(mén)的檢查和維護(hù)管理。

3.2 刀盤(pán)進(jìn)入冷凍體之前的推進(jìn)工作

在盾構(gòu)到達(dá)前的200 m 范圍內(nèi)，每50 m 需要進(jìn)行一次導(dǎo)線(xiàn)及高程復(fù)測(cè)，確定當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)的接收狀態(tài)。將土倉(cāng)壓力均控制在0.23 MPa，出土量應(yīng)不超過(guò)42 m3，同步注漿方量應(yīng)不低于5 m3，注漿的壓力需要設(shè)置在0.3 MPa，刀盤(pán)的推理應(yīng)不超過(guò)2 000 t，刀盤(pán)的扭矩也不應(yīng)超過(guò)2 000 kN·m，推進(jìn)速度不超30 mm。

3.3 刀盤(pán)在冷凍體中的推進(jìn)工作

在刀盤(pán)進(jìn)入冷凍體中后，由于外圈凍結(jié)管仍在維護(hù)凍結(jié)，因此，在穿越凍結(jié)體期間需要一直維持刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)防在停機(jī)時(shí)刀盤(pán)凍結(jié)[1]。

1）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)整體控制。盾構(gòu)機(jī)在凍結(jié)體中應(yīng)保持勻速緩慢掘進(jìn)，土艙的壓力應(yīng)調(diào)整在約2.3 kPa，出土量應(yīng)不超過(guò)4.5 m3，注漿壓力設(shè)置在0.3 MPa，刀盤(pán)推力應(yīng)不超過(guò)2 000 t，刀盤(pán)的扭矩不能超過(guò)2 500 kN·m，速度并不大于15 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1.5～2 r/min，土艙前閘門(mén)應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行活動(dòng)以保證土艙能夠正常出土，螺機(jī)出土的速度應(yīng)不宜過(guò)快，預(yù)防出土量較大影響工程的進(jìn)展[2]。

2）盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)預(yù)防凍結(jié)的控制方式。盾構(gòu)機(jī)在凍體內(nèi)時(shí)需要保持持續(xù)運(yùn)行，主要是由于凍體較強(qiáng)，且由于外圈凍結(jié)管在持續(xù)凍結(jié)中可能會(huì)出現(xiàn)刀盤(pán)扭矩較大或電機(jī)溫度過(guò)高后導(dǎo)致刀盤(pán)跳閘，因此，在刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)期間可能導(dǎo)致渣土被凍結(jié)后影響刀盤(pán)的正常啟動(dòng)，此時(shí)往往需要人工進(jìn)入艙內(nèi)進(jìn)行鑿除作業(yè)，該作業(yè)存在著較大的安全隱患。因此，在盾構(gòu)機(jī)穿越凍結(jié)體期間，刀盤(pán)應(yīng)時(shí)刻保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，并且需要密切關(guān)注底盤(pán)扭矩以及電機(jī)的溫度等參數(shù)的變化，當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)期的警報(bào)值時(shí)，應(yīng)及時(shí)暫停并開(kāi)展對(duì)應(yīng)的整改措施再恢復(fù)推進(jìn)。

3）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)輔助措施。平板電機(jī)溫度達(dá)到報(bào)警后立即停機(jī)，但需要保持空轉(zhuǎn)狀態(tài)，還需要采取冷卻措施，在循環(huán)水中高溫加冰，還可設(shè)置風(fēng)扇在電機(jī)前面和冰冷卻。此外，如凍結(jié)強(qiáng)度高，扭矩或推力過(guò)大，為了確保冷凍盤(pán)能順利挖掘，可以適當(dāng)在刀盤(pán)前進(jìn)方向的地面灑布鹽水減少隧道的掘進(jìn)難度。

3.4 盾構(gòu)機(jī)在鋼套筒中推進(jìn)工作

注意觀察刀盤(pán)里程，當(dāng)?shù)侗P(pán)將冷凍體移到地面連接壁和側(cè)壁時(shí)，立即停止刀板的旋轉(zhuǎn)，以防止損壞鋼環(huán)刷。此外，可采用平推法，推進(jìn)速度不能超過(guò)20 mm/min，推力不超過(guò)1 000 t。還需加強(qiáng)鋼套相關(guān)人員的檢查工作，注意檢查鋼套管連接漏水、后端蓋斜支撐和底鋼板的水平，并將鋼套內(nèi)壓力大約控制在0.3 MPa。

4 洞門(mén)注漿封堵

采用凍結(jié)法加強(qiáng)盾構(gòu)接收，隧道裝配多孔葉片應(yīng)不少于7 個(gè)環(huán)，接收環(huán)應(yīng)為背蓋鋼管葉片，并嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)過(guò)程，在盾尾退出冷凍體后的剩余30 cm 處暫停，通過(guò)多孔管保留灌漿孔，進(jìn)行第一次灌漿封堵，灌漿順序由上到下交替進(jìn)行，左右對(duì)稱(chēng)。洞口封堵注漿可采用雙層漿液進(jìn)行，采用水玻璃，按1∶1 的比例稀釋?zhuān)盟疂{液按1∶1 的比例進(jìn)行注漿工作，雙液漿凝固的意見(jiàn)一般不超過(guò)60 s，注漿壓力均不超過(guò)1 MPa，在注漿完成后應(yīng)及時(shí)關(guān)閉球閥，待管片注漿完成后，應(yīng)逐環(huán)檢查注漿效果，開(kāi)孔檢查深度應(yīng)至管片背后15 cm以上的部位，確定注漿孔后無(wú)流水流砂的現(xiàn)象時(shí)完成第一次注漿。第二次注漿封堵時(shí)，盾構(gòu)機(jī)需繼續(xù)推進(jìn)，在盾構(gòu)機(jī)推出洞門(mén)后預(yù)埋鋼環(huán)，剩余的約30 cm 應(yīng)暫停推進(jìn)，通過(guò)多孔管片預(yù)留注漿孔以進(jìn)行二次注漿封堵，注漿順序應(yīng)自上而下并左右交替，在注漿完成后關(guān)閉球閥，并檢查注漿的效果，開(kāi)孔檢查深度至管片15 cm 以上部位，保證在注漿孔后并無(wú)流水或流沙的現(xiàn)象。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，盾構(gòu)接收采取的冷凍法加固與鋼套筒相結(jié)合的技術(shù)，能夠順利完成在土層中盾構(gòu)接收的工作，且使用的效果及質(zhì)量均較好，并無(wú)明顯的變形、滲水、流沙等情況。能夠?qū)⒗鋬鲣撎淄步邮占夹g(shù)應(yīng)用在土層盾構(gòu)接收工作中。