水平冷凍與割盾尾相結合的盾構接收工藝

顧龍強

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

近年來，在沿海地區富含粉砂地層中進行盾構接收的工況越來越多。為了防止盾構接收風險事故發生，各種新的工藝和方法應運而生，形成了一些技術研究成果。盧曉慧[1]闡述了土壓平衡盾構機到達接收的技術內容、施工流程以及關鍵技術控制。逯建棟[2]闡述了鋼套箱的結構組成和盾構接收方案，采用鋼套箱裝置能有效避免盾構到達接收過程中涌水、涌砂等風險，確保盾構出洞安全。魏林春等[3]基于地鐵盾構到達整體接收裝置的工作原理及盾構到達應用工程的實際特點，研究地鐵盾構整體接收到達各關鍵施工工序的配合及盾構達到施工技術，大大降低盾構在到達施工過程中的施工風險，避免盾構達到施工重大事故的發生。王宗勇[4]對復雜地層注漿缺陷進行分析和補救措施研究，在洞門鋼環內設置橡膠止水環，實現了盾構安全接收。張鵬[5]采用明洞結構輔助盾構接收，提高了盾構接收的風險可控性，大大降低了施工風險。

本文介紹南通地鐵青年路站—五一路東站區間富水性砂層地質條件下的一種水平冷凍加固與割盾尾接收相結合的盾構接收方法，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—五一路東站區間出青年路站后，沿青年中路敷設，下穿江蘇工程職業技術學院過街通道、張家橋暗涵、學田河箱涵，進入五一路東站。本區間采用一段曲線，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，區間隧道最大埋深22 m，盾構始發站為地下2層車站。盾構隧道內徑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，抗滲等級P10。

1.2 工程水文地質

工程地處長江下游沖積平原，地形平坦，地貌類型單一，盾構區間穿越③2層粉砂及④1層粉質黏土層。

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，據區域水文地質資料，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系。

根據地質詳勘報告，青年路站西端頭左線接收出洞為③2層粉砂及④1層粉質黏土。

1.3 凍結加固概況

青年路站接收端左線軌面標高為－18.87 m（左），地面標高約為＋4.76 m（左），端頭井內襯結構厚度1 m，地下連續墻厚度1 m，在地下連續墻外采用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，加固寬度為盾構隧道結構每側3 m，豎向加固范圍為盾構隧道結構上部3 m，下部3 m。

總結南通地區類似地層盾構端頭加固，在洞門鑿除、盾構接收過程中出現過的滲漏水處理經驗，在原水泥土加固基礎上，采用洞門水平凍結加固的輔助措施效果顯著。本工程水平凍結加固主要目的為破除洞門時封水，凍結強度達設計要求后，鑿除地下連續墻拔出推進區域內的凍結管，盾構可直接推出。盾構接收端左線靠近工作井設置水平杯形凍結加固區，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，周邊環境復雜，盾構接收土層為全斷面富水粉砂地層，盾構接收風險較大，考慮在原有水泥土加固的基礎上，結合目前青年路站的實際盾構接收工況，準備青年路站左線盾構接收采用水平冷凍＋短套筒＋割除盾尾的方式進行盾構接收。

為保證在盾構接收過程中洞門水平冷凍、凍結管拔管、洞門密封裝置、短套箱、盾尾環箍注漿、洞門鑿除、盾構機穿過冷凍區、盾構機進洞應急措施、封閉洞門鋼板、割盾尾等各項工藝的有效實施，對青年路站—五一路東站區間左線盾構接收過程進行研究。

3 施工工藝流程

3.1 全斷面粉砂地層中水平凍結工藝

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

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

圖1 青年路站水平凍結孔布置示意

3.2 全斷面粉砂地層中凍結管拔管

采用人工解凍，人工使用千斤頂或導鏈拉拔的方案進行拔管。盾構掘進至538環刀盤距離地下連續墻2.5 m，盾構停機刀盤不停止轉動，開始拔除內圈水平凍結管，拔除洞門圈內Z1～Z16，N1～N9，共25根凍結管及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組凍結孔為1批，在凍結孔中循環熱鹽水。

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

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

5）預計凍結孔正常起拔力為1～50 kN。凍結管的破斷力約為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墻最后1層鋼筋網拆除之前。在預埋鋼洞圈上安裝2道洞門止水裝置，同時在內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。環形鋼絲刷滿焊在預埋的洞門鋼環上，在盾構接收之前在洞門鋼絲刷上填充油脂。

當盾構機沿推進方向掘進時，被填充油脂的環形鋼絲刷被盾構機帶動向順時針方向轉動，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外側安裝洞門短套箱，短套箱長35 cm，套箱與洞門焊接，橡膠簾幕板布置于套箱內。

在洞門鋼環內部焊接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部的空腔在盾構機始發和接收時通過短套筒外側預留的12個注漿管進行應急聚氨酯或雙液漿注入，確保洞門部位可以應急堵漏。

3.5 全斷面粉砂地層中盾尾環箍注漿

區間接收洞門前從537環開始向544環注漿，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1～2環聚氨酯環箍注漿，確保環箍注漿的效果達到洞門封閉的要求。

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，達到強度要求，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。隧道內和洞門位置都提前接好聚氨酯泵和注漿球閥。環箍注漿完成后，采用管片注漿孔長鉆桿開孔檢查，對仍有環箍注漿未交圈存在通道的孔號再用聚氨酯進行封堵。

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、先中間后兩側的順序進行，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機最大直徑，對于尺寸不足之處需人工進行修整，直到滿足凈空尺寸要求為止。

3.7 全斷面粉砂地層中盾構機刀盤出冷凍區

盾構機穿越冷凍區（冷凍區域按照2.5 m考慮：538環油缸行程1.23 m至541環油缸行程1.08 m），洞門鑿除過程中，刀盤已位于冷凍加固區內，要求司機24 h值班，盾構機刀盤一直轉動，避免被凍住，穿越冷凍區注意事項如下：盾構機鉸接全開；開啟慢速泵，刀盤不能停，推進速度1 cm/min；凍土適當加注泡沫；盾構機刀盤連鎖解除，檢查設備，避免不必要的刀盤停轉；準備適當鹽水應急，避免凍住刀盤，推進凍土前排凈場內土。

3.8 全斷面粉砂地層中盾構機進洞應急處置

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場技術員通過測繩檢測降水井內水位高度，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。

盾構掘進至549環，盾尾留置1.6 m于洞門鋼環內，此時盾構機停機。最后一環549環為P6接收環管片，端部和背后為背負鋼板，為洞門封閉做好準備。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，隧道內和洞門位置都準備好應急注聚氨酯的設備、材料、人員。隧道內聚氨酯配備2 t，聚氨酯泵配備3個，其他應急物資若干；洞門位置聚氨酯配備2 t，聚氨酯泵配備3個，其他應急物資若干。從下到上逐塊封閉洞門鋼板，完成盾構接收工作。

3.9 全斷面粉砂地層中盾構機推進完成停機

盾構掘進至549環，盾尾留置至少0.9 m于洞門鋼環內，此時盾構機停機。其中545、546環設置1 m規格管片，549環為P6管片，端部和背后為背負鋼板。

3.10 全斷面粉砂地層中封閉洞門鋼板、割除盾尾

盾構機停到位置后，打開應急降水井，降水深度到位后，利用弧形鋼板封閉洞門間隙，隧道內部采用①號弧形鋼板從盾構機內側封閉盾尾間隙。洞門外側采用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，將短套筒外側壁與接收環背負鋼板分塊滿焊成環，封閉整個洞門。封閉完成后，割除盾尾，盾構機接收呈下坡趨勢，上下左右幾個方向管片凸出洞門長度不一，割除過程中，應留適當的余量，避免內外割穿。

4 結語

青年路站—五一路東站區間左線盾構采用“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防的綜合接收施工工藝，洞門凍結壁厚度和溫度及凍結效果均滿足設計要求，凍結設備運轉正常，滿足地下連續墻破除和盾構接收過程止水要求，具有很好的參考價值。