复杂环境下盾构机水平冰冻始发技术

2012-09-28卢礼顺

城市道桥与防洪 2012年9期

卢礼顺

（上海城建市政工程（集团）有限公司,上海 200065）

0 引言

盾构施工隧道的工法已成为城市轨道交通、市政管道等各种隧道建设的常用方法[1]。盾构始发是盾构施工技术的一大关键环节，也是盾构施工隧道主要风险之一。盾构始发涉及洞门端头加固处理、洞门凿除、盾构始发基座安设、支撑系统、洞门环的安设等技术。而洞门端头加固处理又是盾构始发技术的核心，加固的成败直接影响盾构始发安全。本文盾构始发周边环境有重要管线、高架桥及社会道路，常规搅拌桩、旋喷桩、垂直冰冻加固方式因无施工场地条件而无法实施，只能选用水平冰冻加固方法。因该盾构始发范围中心埋深达到15.9 m，且下卧微承压水⑤2砂质粉土，要求选用的水平冰冻必须安全、可靠。

1 工程概况

某地铁隧道区间上行线、下行线采用土压平衡盾构机施工完成，两条隧道始发段隧道中心相距12 m。盾构始发段隧道中心标高-11.502 m，地面标高4.4 m。

盾构始发段区域地质及地层水文参数见表1所列。盾构始发区域主要位于④灰色淤泥质粘土和⑤2灰色砂质粉土层，下卧⑤2层灰色砂质粉土约占洞圈的1/5，且下卧⑤2层灰色砂质粉土厚度达到5 m。⑤2灰色砂质粉土层带有微承压水特性,易在一定的水动力条件下易对隧道的施工产生涌水、涌砂等不利影响。第④层软粘性土含水量高，孔隙比大，灵敏度高，颗粒较细，具较高的触、流变特征。

表1 地层物理力学性质及水文力学参数

该隧道盾构始发段区域位于中山南二路上，周边环境复杂，车流量大，紧邻有年代久远的φ300煤气管（铸铁管）和φ500上水管（铸铁管）等管线。另外车站施工时，新铺设了一根φ300煤气管（焊管）。盾构始发口15 m处即为内环线高架（1994年建成通车）。该高架位桩基为450 mm×450 mm预制方桩，桩长30.0 m与43.0 m。具体如图1所示。

车站施工时，已造成了管线和高架桥的较大沉降，上水管（S242）累计最大沉降达-64.75 mm，煤气管（M149）累计最大沉降达-62.93 mm。

盾构始发周边环境有重要管线、高架桥及社会道路，常规搅拌桩、旋喷桩、垂直冰冻加固方式因无施工场地条件而无法实施，只能选用水平冰冻加固方法。

图1 隧道与内环线高架桩基关系图

2 基于水平冻结加固盾构始发流程（见图2）

图2 基于水平冻结加固的盾构始发流程图

3 水平冰冻加固的设计及施工

采用在盾构始发口周围土层中布置水平冻结孔的加固方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用是抵抗土层侧压力的作用，防止泥砂和地下水进入隧道始发口，确保盾构始发安全顺利。

3.1 设计要点

3.1.1 关于冻土墙强度设计方法

冻土墙强度设计采用日本和我国的建筑结构静力计算公式，冻土墙按周边固定圆板考虑。冻土的强度取值，参考上海和日本类似土层的试验结果和设计取值，原则上考虑较大的安全储备。

3.1.2 冻土墙对地连墙的作用力问题

根据平衡关系，冻土墙与地连墙的水平作用力不会大于土层的被动土压力。根据永冻土地区的大量现场量测与试验，冻土作用于建筑物的法向冻胀力一般不会大于0.2 MPa。根据已有类似工程施工经验，没有发现冻结施工对工作井有明显不利作用。

3.1.3 冻结引起的地表隆起和融沉处理

根据上海地铁和煤矿冻结施工监测，冻土墙内的地表冻胀隆起一般不大于20 mm，地层融沉可采用隧道内注浆相结合的方式来处理。隧道底部的冻土体可以利用隧道内管片上预留的注浆孔进行注浆，从而控制隧道的沉降。顶部和帮部也从隧道内进行分层跟踪注浆处理。

考虑到隧道底部位于⑤2砂质粉土中，打钻易出现涌砂涌水现象，地层的沉降可能比较大，因此，在打钻之前，对隧道底部进行双液浆注浆加固，增加土体自身的承载力。最终达到减少沉降的目的。

3.2 设计及施工

根据经验和相关计算，盾构始发设计冻结壁有效厚度为2.5 m即满足要求，实际设计冻土帷幕有效厚度4.0 m，冻结壁设计平均温度小于-10℃。

外圈冻结孔深度6m（φ7700），中圈冻结孔深度5.4 m，内圈冻结孔深度5.4 m。单根管材长度以2～3 m为宜，冻结管采用丝扣连接而成。冻结管长度和偏斜合格后进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0.7～1.0 MPa之间，稳定30 min，压力无变化者为试压合格。

冻结管试压合格后下入供液管，供液管底端连接0.3 m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。供液管用ф48×4mm钢管，冻结器羊角均用1.5"钢管加工。

水平冻结孔上、下行线各设置56个。具体水平冻结孔布置如图3所示和主要参数如表2所列。

冻土墙的扩展速度取25 mm/d。估计积极冻结时间40d后可以进行盾构始发工作。

3.3 辅助措施

3.3.1 端头井底部预注浆

在打钻之前，对隧道底部进行双液浆注浆加固，增加土体自身的承载力。

图3 盾构始发水平冻结孔布置图

表2 盾构始发水平冻结加固冻结主要参数表

在端头底部布置8个预注浆孔，深度6 m。钻孔直径Φ50 mm，用Φ50取芯钻头钻进。钻孔完成后，下入注浆花管。花管直径Φ38.1 mm，长度为6 m，沿管子纵向每隔200 mm为一个断面，钻一组出浆孔，沿环向每90°布置一个注浆孔。单孔注浆12 m3，分三次注浆。注浆压力不大于6 kg/cm2。8个预注浆孔跳隔间隙式注浆。

3.3.2 融沉处理

盾构始发部位安置4环多注浆孔的特殊管片。每环预留注浆孔15个，其位置如图4所示。

图4 融沉处理布孔示意图

3.3.3 双液浆配合比（见表3）

表3 基准配合比表（1 000L）

4 水平冻结加固盾构始发可能出现的风险及对策

4.1 洞门渗漏而产生涌水、涌砂

盾构始发区域主要位于④灰色淤泥质粘土和⑤2灰色砂质粉土层，⑤2层为微承压含水层，需注意土层中的承压水头，在一定的水动力条件下易对隧道的施工产生涌水、涌砂等不利影响。盾构机停留时间较长，导致洞门外圈冻结壁破坏时，微承压水通过盾构机缝隙渗漏。洞门外圈冻结管有效长度仅4.5 m，无法将盾构机全部全包，待盾构机推出冻结区域后，微承压水可能通过盾构机缝隙及盾构机注浆包管渗漏。

防止洞门涌水涌砂的辅助措施：

安装止水箱体2套（帘布橡胶板、圆环板、扇形板及相应的连接螺栓和垫圈）。安装时压板螺栓应可靠拧紧，使帘布橡胶板紧贴洞门，防止盾构始发后同步注浆浆液泄漏。

盾构在始发前，在千斤顶最前端位置打6个注浆孔（开孔时避开千斤顶油缸）。若洞门有漏水情况时，盾构机靠上洞门后，先通过止水箱上预留注浆孔压注双液浆或聚氨酯止水，待盾构开孔位置进入洞圈后压注双液浆、厚浆或聚氨酯止水。盾构完全进入洞圈后，在止水箱、+2、+4环位置打环箍止水。

在盾构始发期间，外排冻结管继续冻结，确保盾构机与加固土体间无流水通道。

由于盾构机外部注浆孔(4点)与帘布橡胶板存在流水通道,始发前用砂浆将这个空隙抹平。

洞圈内的冻结管长度为4.2 m或4.7 m，此次分两次进行拔除，在盐水箱内安装80kW电热管，盐水加热至70℃后开始拔管，拔管后用预制好的水泥砂浆柱塞入冻结孔，冻结孔端部用水不漏封堵。

4.2 刀盘冻结

盾构刀盘出现故障或长时间停留时，导致盾构冻住，无法推进；盾构不均匀推进，导致盾构刀盘卡死，无法推进。

防止刀盘与冻结土体冻结措施：

（1）保证盾构机始发期间刀盘不出任何故障：a.始发前，进行充分调试，组织专家加强对刀盘的验收工作，并解除刀盘连锁；

b.始发期间，有丰富经验的盾构机保驾人员24 h就位，一旦有机械故障，能第一时间排除故障。

（2）人员配备：

盾构司机选用经验丰富、素质高、技术好、有责任心的人员来完成此次盾构推进工作，以确保每个施工环节不出错。

（3）始发期间，刀盘应连续转动，增设刀盘辅助系统，以备紧急情况时使用。

（4）在隧道安装轴流风机，能大大缓解盾构设备冰冻。

（5）磨冻结区时盾构匀速推进，正面适当加注盐水，防止刀盘冻住或卡死。

4.3 管线及高架沉降

盾构刀盘卡死或冻住，采取强制解冻的方式对周边管线及内环线高架桩基存在较大风险；洞门发生渗漏情况时，导致地表骤降，严重影响周边管线及高架的安全。

减小管线及高架沉降措施：

为了确保盾构始发和周边环境（尤其是管线）的安全，如图5所示，在车站下一层板上预埋2排共9根Φ32注浆花管（向下倾斜5°）。根据地面沉降情况进行注浆（地面略有上台），并在管线上布设直接监测点，在盾尾到达管线前可起一定的应急作用，一旦盾尾过管线后，还可在隧道内进行注浆。

图5 水平注浆管布置图

为确保始发期间，组织落实、管理落实、材料落实、人员及时到位，项目部主要管理人员24小时轮流值班，监测人员24 h现场跟踪监测。管理人员根据沉降变化数据及时调整施工参数，将指令通过内线电话通知盾构驾驶室，盾构推进后的效果又反映到监测数据的变化。如此循环，做到动态管理，实现信息化施工。其具体细节处理如图6所示。