水平冻结法在苏州地铁盾构进出洞中的应用

2011-07-30祝和意马晓华

铁道建筑 2011年8期

祝和意，马晓华

(1．陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000;2．中铁七局集团第二工程有限公司，西安 710000)

1 工程概况

苏州地铁火车站站至东风井区间DK13+449.996—DK13+464.000段，地下三层结构。车站位于拟建苏州火车站正下方，与国铁站房合建。东段与天筑路站—苏州火车站站区间的设计分界里程为右DK13+585.926，结构外包全长119.9 m，标准段外包宽度为30.3 m。盾构隧道全断面除顶上1～2 m范围内为④3粉土夹粉砂层外，其余均为④5灰色粉质黏土层。④3粉土夹粉砂为微承压水，透水性及赋水性中等～较好，渗透系数 K为1.75×10－3cm/s。

盾构进出洞及东风井端头土体加固区已完成，加固措施采用旋喷桩配合搅拌桩，靠近车站端头采用单排800@600双管旋喷桩，搅拌桩采用三轴850@600，国铁设备用房位于区间隧道正上方，承台底板高程为－6.70 m，隧道顶距承台底的最小垂直净距仅为1.58 m，国铁设备采用桩基，隧道从其正下方穿过，国铁桩基础与进出洞加固发生了交叉重叠，纵向长度自端头围护结构外侧11 m，横向及竖向长度在隧道结构线外。

为保证盾构进出洞的安全，多次对火车站东风井端头地面垂直取芯及东风井、火车站站洞门洞内水平取芯，取芯结果表明，每个洞门均存在不同程度的渗漏水涌水及涌砂情况。

2 洞内水平冻结法施工

由于沪宁高铁通车沿线30 m范围内封闭，加之工期紧，在火车站东风井端头地面施工降水井，辅助盾构进出洞条件不具备;而火车站端头地面上已建成了国铁设备用房，也不具备施工降水井辅助盾构进出洞条件。左线隧道外边线距新建城际高铁轨道约17 m，距雨棚承台柱约为1.5 m，盾构进出洞期间一旦发生险情，地面上也无任何的抢险求援条件。因此，为了确保盾构进出洞安全，选定洞内水平冷冻法施工。

冷冻法施工的顺序为:东风井右线盾构出洞东洞门、东风井右线盾构进洞西洞门、火车站站右线盾构出洞东洞门、火车站站左线盾构进洞东洞门、东风井左线盾构出洞东洞门和东风井左线盾构进洞东洞门，共计6个洞门。盾构3次到达，3次始发。

2.1 进出洞加固技术要点

①为保证盾构进出洞的安全，预先开始冻结孔的施工，通过检测冻结壁厚度和平均温度确认达到设计要求，再进行槽壁破除和盾构进洞施工。②加强地面监测，在加固区上方地表、建构筑物等处设监测点，监测施工过程中的沉降变化。③在进洞口附近管片上增设注浆孔，进行后期融沉注浆。④利用管片上注浆孔进行跟踪注浆(进出洞区域的管片增加注浆孔)，减少融沉。

2.2 施工方法

在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成圆柱加板块、强度高、封闭性好的冻结帷幕。

2.3 施工流程

确定冻结帷幕交圈、冻土与槽壁完全胶结，并达到设计强度后，盾构推进到离圆柱冻结帷幕一定距离处，开始破除洞口槽壁0.5 m，然后施工探孔，无泥水流出，冻结效果良好，再将槽壁完全破除，槽壁破除过程中土体继续加强冻结。

冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段。

2.4 冻结施工

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使定时检测盐水系统运转正常。

实测后进入积极冻结。冻土墙温度达到设计值后，在紧挨隧道洞口的工作井井壁上用38 mm金刚石取芯以判断冻结帷幕的形成，积极冻结期盐水温度为－28℃ ～－30℃，设计冻干探孔，判断冻土墙与槽壁之间完全胶结后方可打开盾构洞口。打探孔时，要求冻结孔单孔流量为5 m3/h，盾构机进洞完毕即可停止冻结，冷冻施工设备场地布置见图1所示。

图1 冷冻施工设备场地布置示意

3 盾构进出洞主要技术措施

3.1 盾构进出洞技术要求

1)盾构进出洞必须在确认冻结壁厚度、平均温度达到设计要求后进行。

2)控制盾构机推进速度，当盾构进洞时，盾构机进洞在距离冻结壁1.0 m时停止推进，当冻结壁积极冻结已达到30 d，且通过测温孔测温确定冻结壁厚度、平均温度达到设计要求，冻结壁与连续墙完全胶结，交界处测点平均温度小于－5℃时可以开始槽壁破除。

3)基坑维护结构部分凿除，预留的连续墙厚度不小于0.3 m，确认冻结壁发展良好，连续墙后无未冻土后将剩余连续墙凿除。

4)盾构机范围内的冻结管拔出后，进洞盾构机继续向基坑连续墙方向推进，盾构机穿越冻结壁过程中保持盾构机持续运转，必须停机时亦应使用盾构机刀盘间歇运转，以防刀盘被冻住。从冻结管拔除到盾构机进洞，总时间应控制在3 d以内。

5)盾构出洞时，盾构机尽量靠近洞口，但同时必须为拔管留够足够的空间(不小于2 m)。

6)冻结壁积极冻结前应对洞门内槽壁进行保温，保温采用喷射发泡聚氨酯材料，喷射厚度不小于30 mm。

3.2 拔管与盾构机接收

盾构机准备接收前必须对所有设备进行检修、维护，保证盾构处于良好工作状态。当通过测温孔测温确定冻结壁厚度、平均温度、胶结点处测点温度等达到设计要求后，连续墙部分凿除，预留的连续墙厚度不小于0.3 m，且保留外排钢筋。此时洞圈内的冻结管可以拔除，拨管的同时盾构机继续向连续墙方向推进，盾构机范围内的冻结管全部拔除后，盾构机继续推进，到达冻结壁边缘时停止，等待连续墙全部凿除完后，盾构机推过冻结壁接收。

1)拔管顺序:拔盾构接收口内的内圈孔，先拔内圈孔，在拔内圈孔的同时，中圈、外圈孔继续冷冻。内圈孔拔完后开始拔中圈和外圈孔，拔孔时要间隔拔除，未拔除的相临孔继续冷冻。

2)拔管方法:用热盐水循环解冻5～8 min后，利用两个10 t千斤顶架设在槽壁上，水平向外顶推冻结管，热盐水温度宜控制在+50℃ ～+70℃，冻结站内冷热盐水应分别设置，并有方便的冷热盐水关闭与开通的切换装置。

3)拔管时间:从第一根水平冻结管拔除到盾构机接收，总时间应控制在3 d以内。

3.3 破壁及盾构穿越冻结区的保证措施

1)温度控制。为了保证盾构能够推进，盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制，冻土温度通过测温孔得到。控制盾构外周的冻土温度不低于－5℃并接近零度，能保证水呈固态为宜。

最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构接收施工。

2)打设槽壁探孔。通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，当槽壁破壁厚度还剩下不小于300 mm时，然后在冻结薄弱处打不少于3个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔在两测温孔之间布置，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用风镐进行凿窝，窝直径400 mm，窝深在200～400 mm，探孔打好后，即可用电锤穿透探孔内剩下槽壁，最终探孔进入冻土内深度控制在10～15 cm。采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于－2℃。

3)槽壁凿除。当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后，方可拔管，然后将槽壁全部破除，最后一层破壁时间不宜超过3 d，以防冻结帷幕融化，影响其强度。最后一层破壁须采用分层分块进行，防止破坏冻结帷幕，造成不良后果。

3.4 融沉注浆

融沉注浆技术要求:

1)融沉注浆应配合测温孔测温及隧道变形监测进行。利用盾构隧道管片上的预留注浆孔做为地层融沉注浆孔。注浆顺序为:隧道底板→隧道两侧→隧道顶板。

2)融沉补偿注浆材料以水泥—水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅。水泥—水玻璃双液浆配比为:水泥和水玻璃的溶液体积比为1∶1，其中水泥浆水灰比为1∶1，水玻璃溶液采用 B35～B40水玻璃加1～2倍体积的水稀释。注浆压力不大于0.5 MPa，注浆范围为整个冻结区。

3)当隧道1 d沉降＞0.5 mm，或累计隧道沉降＞1.0 mm时，应进行融沉补偿注浆;当隧道隆起达到2.0 mm时应暂停注浆。

4)冻结壁已全部融化，且未注浆的情况下，实测地层沉降持续2个月，每半个月不大于0.5 mm，即可停止融沉补偿注浆。

3.5 融沉处理

融沉处理利用隧道内预留的注浆孔，采取分层注浆的方法进行处理。融沉注浆遵循少量多次的原则，注浆压力不大于0.5 MPa。水灰比为(0.8～1.0)∶1，可根据注浆压力情况进行调整。融沉注浆结束的标志是连续半个月不注浆，地表和隧道沉降不大于0.5 mm。起初应增加监测频率，如果地面融沉过大，还需在井口部位安装注浆孔直接注浆加固。

根据以往经验，融沉注浆总量一般为冻土体积的15%左右，经计算该区域注浆体积约为15 m3，采取以下方法进行跟踪注浆控制融沉:①盾构进洞后利用卸压孔进行跟踪注浆，控制融沉;②利用管片上注浆孔(在进洞区域管片上设置注浆孔，每环6个)进行跟踪注浆，减少融沉。