復雜環境下盾構機水平冰凍始發技術

盧禮順

（上海城建市政工程（集團）有限公司,上海 200065）

0 引言

盾構施工隧道的工法已成為城市軌道交通、市政管道等各種隧道建設的常用方法[1]。盾構始發是盾構施工技術的一大關鍵環節，也是盾構施工隧道主要風險之一。盾構始發涉及洞門端頭加固處理、洞門鑿除、盾構始發基座安設、支撐系統、洞門環的安設等技術。而洞門端頭加固處理又是盾構始發技術的核心，加固的成敗直接影響盾構始發安全。本文盾構始發周邊環境有重要管線、高架橋及社會道路，常規攪拌樁、旋噴樁、垂直冰凍加固方式因無施工場地條件而無法實施，只能選用水平冰凍加固方法。因該盾構始發范圍中心埋深達到15.9 m，且下臥微承壓水⑤2砂質粉土，要求選用的水平冰凍必須安全、可靠。

1 工程概況

某地鐵隧道區間上行線、下行線采用土壓平衡盾構機施工完成，兩條隧道始發段隧道中心相距12 m。盾構始發段隧道中心標高-11.502 m，地面標高4.4 m。

盾構始發段區域地質及地層水文參數見表1所列。盾構始發區域主要位于④灰色淤泥質粘土和⑤2灰色砂質粉土層，下臥⑤2層灰色砂質粉土約占洞圈的1/5，且下臥⑤2層灰色砂質粉土厚度達到5 m。⑤2灰色砂質粉土層帶有微承壓水特性,易在一定的水動力條件下易對隧道的施工產生涌水、涌砂等不利影響。第④層軟粘性土含水量高，孔隙比大，靈敏度高，顆粒較細，具較高的觸、流變特征。

表1 地層物理力學性質及水文力學參數

該隧道盾構始發段區域位于中山南二路上，周邊環境復雜，車流量大，緊鄰有年代久遠的φ300煤氣管（鑄鐵管）和φ500上水管（鑄鐵管）等管線。另外車站施工時，新鋪設了一根φ300煤氣管（焊管）。盾構始發口15 m處即為內環線高架（1994年建成通車）。該高架位樁基為450 mm×450 mm預制方樁，樁長30.0 m與43.0 m。具體如圖1所示。

車站施工時，已造成了管線和高架橋的較大沉降，上水管（S242）累計最大沉降達-64.75 mm，煤氣管（M149）累計最大沉降達-62.93 mm。

盾構始發周邊環境有重要管線、高架橋及社會道路，常規攪拌樁、旋噴樁、垂直冰凍加固方式因無施工場地條件而無法實施，只能選用水平冰凍加固方法。

圖1 隧道與內環線高架樁基關系圖

2 基于水平凍結加固盾構始發流程（見圖2）

圖2 基于水平凍結加固的盾構始發流程圖

3 水平冰凍加固的設計及施工

采用在盾構始發口周圍土層中布置水平凍結孔的加固方法，在洞口外側形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側壓力的作用，防止泥砂和地下水進入隧道始發口，確保盾構始發安全順利。

3.1 設計要點

3.1.1 關于凍土墻強度設計方法

凍土墻強度設計采用日本和我國的建筑結構靜力計算公式，凍土墻按周邊固定圓板考慮。凍土的強度取值，參考上海和日本類似土層的試驗結果和設計取值，原則上考慮較大的安全儲備。

3.1.2 凍土墻對地連墻的作用力問題

根據平衡關系，凍土墻與地連墻的水平作用力不會大于土層的被動土壓力。根據永凍土地區的大量現場量測與試驗，凍土作用于建筑物的法向凍脹力一般不會大于0.2 MPa。根據已有類似工程施工經驗，沒有發現凍結施工對工作井有明顯不利作用。

3.1.3 凍結引起的地表隆起和融沉處理

根據上海地鐵和煤礦凍結施工監測，凍土墻內的地表凍脹隆起一般不大于20 mm，地層融沉可采用隧道內注漿相結合的方式來處理。隧道底部的凍土體可以利用隧道內管片上預留的注漿孔進行注漿，從而控制隧道的沉降。頂部和幫部也從隧道內進行分層跟蹤注漿處理。

考慮到隧道底部位于⑤2砂質粉土中，打鉆易出現涌砂涌水現象，地層的沉降可能比較大，因此，在打鉆之前，對隧道底部進行雙液漿注漿加固，增加土體自身的承載力。最終達到減少沉降的目的。

3.2 設計及施工

根據經驗和相關計算，盾構始發設計凍結壁有效厚度為2.5 m即滿足要求，實際設計凍土帷幕有效厚度4.0 m，凍結壁設計平均溫度小于-10℃。

外圈凍結孔深度6m（φ7700），中圈凍結孔深度5.4 m，內圈凍結孔深度5.4 m。單根管材長度以2～3 m為宜，凍結管采用絲扣連接而成。凍結管長度和偏斜合格后進行打壓試漏。凍結孔試漏壓力控制在0.7～1.0 MPa之間，穩定30 min，壓力無變化者為試壓合格。

凍結管試壓合格后下入供液管，供液管底端連接0.3 m高的支架。然后安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。供液管用ф48×4mm鋼管，凍結器羊角均用1.5"鋼管加工。

水平凍結孔上、下行線各設置56個。具體水平凍結孔布置如圖3所示和主要參數如表2所列。

凍土墻的擴展速度取25 mm/d。估計積極凍結時間40d后可以進行盾構始發工作。

3.3 輔助措施

3.3.1 端頭井底部預注漿

在打鉆之前，對隧道底部進行雙液漿注漿加固，增加土體自身的承載力。

圖3 盾構始發水平凍結孔布置圖

表2 盾構始發水平凍結加固凍結主要參數表

在端頭底部布置8個預注漿孔，深度6 m。鉆孔直徑Φ50 mm，用Φ50取芯鉆頭鉆進。鉆孔完成后，下入注漿花管。花管直徑Φ38.1 mm，長度為6 m，沿管子縱向每隔200 mm為一個斷面，鉆一組出漿孔，沿環向每90°布置一個注漿孔。單孔注漿12 m3，分三次注漿。注漿壓力不大于6 kg/cm2。8個預注漿孔跳隔間隙式注漿。

3.3.2 融沉處理

盾構始發部位安置4環多注漿孔的特殊管片。每環預留注漿孔15個，其位置如圖4所示。

圖4 融沉處理布孔示意圖

3.3.3 雙液漿配合比（見表3）

表3 基準配合比表（1 000L）

4 水平凍結加固盾構始發可能出現的風險及對策

4.1 洞門滲漏而產生涌水、涌砂

盾構始發區域主要位于④灰色淤泥質粘土和⑤2灰色砂質粉土層，⑤2層為微承壓含水層，需注意土層中的承壓水頭，在一定的水動力條件下易對隧道的施工產生涌水、涌砂等不利影響。盾構機停留時間較長，導致洞門外圈凍結壁破壞時，微承壓水通過盾構機縫隙滲漏。洞門外圈凍結管有效長度僅4.5 m，無法將盾構機全部全包，待盾構機推出凍結區域后，微承壓水可能通過盾構機縫隙及盾構機注漿包管滲漏。

防止洞門涌水涌砂的輔助措施：

安裝止水箱體2套（簾布橡膠板、圓環板、扇形板及相應的連接螺栓和墊圈）。安裝時壓板螺栓應可靠擰緊，使簾布橡膠板緊貼洞門，防止盾構始發后同步注漿漿液泄漏。

盾構在始發前，在千斤頂最前端位置打6個注漿孔（開孔時避開千斤頂油缸）。若洞門有漏水情況時，盾構機靠上洞門后，先通過止水箱上預留注漿孔壓注雙液漿或聚氨酯止水，待盾構開孔位置進入洞圈后壓注雙液漿、厚漿或聚氨酯止水。盾構完全進入洞圈后，在止水箱、+2、+4環位置打環箍止水。

在盾構始發期間，外排凍結管繼續凍結，確保盾構機與加固土體間無流水通道。

由于盾構機外部注漿孔(4點)與簾布橡膠板存在流水通道,始發前用砂漿將這個空隙抹平。

洞圈內的凍結管長度為4.2 m或4.7 m，此次分兩次進行拔除，在鹽水箱內安裝80kW電熱管，鹽水加熱至70℃后開始拔管，拔管后用預制好的水泥砂漿柱塞入凍結孔，凍結孔端部用水不漏封堵。

4.2 刀盤凍結

盾構刀盤出現故障或長時間停留時，導致盾構凍住，無法推進；盾構不均勻推進，導致盾構刀盤卡死，無法推進。

防止刀盤與凍結土體凍結措施：

（1）保證盾構機始發期間刀盤不出任何故障：a.始發前，進行充分調試，組織專家加強對刀盤的驗收工作，并解除刀盤連鎖；

b.始發期間，有豐富經驗的盾構機保駕人員24 h就位，一旦有機械故障，能第一時間排除故障。

（2）人員配備：

盾構司機選用經驗豐富、素質高、技術好、有責任心的人員來完成此次盾構推進工作，以確保每個施工環節不出錯。

（3）始發期間，刀盤應連續轉動，增設刀盤輔助系統，以備緊急情況時使用。

（4）在隧道安裝軸流風機，能大大緩解盾構設備冰凍。

（5）磨凍結區時盾構勻速推進，正面適當加注鹽水，防止刀盤凍住或卡死。

4.3 管線及高架沉降

盾構刀盤卡死或凍住，采取強制解凍的方式對周邊管線及內環線高架樁基存在較大風險；洞門發生滲漏情況時，導致地表驟降，嚴重影響周邊管線及高架的安全。

減小管線及高架沉降措施：

為了確保盾構始發和周邊環境（尤其是管線）的安全，如圖5所示，在車站下一層板上預埋2排共9根Φ32注漿花管（向下傾斜5°）。根據地面沉降情況進行注漿（地面略有上臺），并在管線上布設直接監測點，在盾尾到達管線前可起一定的應急作用，一旦盾尾過管線后，還可在隧道內進行注漿。

圖5 水平注漿管布置圖

為確保始發期間，組織落實、管理落實、材料落實、人員及時到位，項目部主要管理人員24小時輪流值班，監測人員24 h現場跟蹤監測。管理人員根據沉降變化數據及時調整施工參數，將指令通過內線電話通知盾構駕駛室，盾構推進后的效果又反映到監測數據的變化。如此循環，做到動態管理，實現信息化施工。其具體細節處理如圖6所示。

圖6 盾構始發細節處理圖

該區間采用洞門水平凍結加固效果良好，上、下行線盾構機均順利始發，在始發過程中雖洞門有少許的漏水和漏砂，但通過注雙液漿和聚氨酯能迅速的將其封堵。

另外，洞門上加裝止水箱體起到了很好的止水效果，在洞門有漏水、漏砂情況時，盾構機迅速靠上洞門后，可以先通過止水箱上預留注漿孔壓注雙液漿或聚氨酯止水，待盾構機開孔位置進入止水箱體后壓注雙液漿、厚漿或聚氨酯止水。盾構機完全進入洞圈后，在止水箱位置打環箍止水。

由于采用洞門水平凍結加固，周邊環境比較復雜，待停止凍結后，融沉會對周邊環境產生較大影響。為了控制沉降，并根據地表及隧道沉降監測結果，采取了兩種方式：（1）隧道內融沉注漿；（2）預留水平注漿管內注漿。

5 結論與建議

（1）在復雜工況下采用洞門水平凍結加固確保了上、下行線盾構機順利始發。

（2）在復雜地層施工時要加強管理，減少承壓水突涌風險，施工時仔細研究地質勘察報告，并制定科學合理的施工管理方法。

（3）洞門外圈凍結管在有條件的情況下，適量加長，最好將盾構機全部包住，但是必須防止刀盤被凍住。

（4）盾構機推進前，必須做好始發的一切準備工作，已確保盾構機始發施工的萬無一失。

[1]劉建航、侯學淵,盾構法隧道[M].