復雜地質條件下冷凍法加固盾構多次進洞的研究

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌交13 號線一期工程線路正線全長16.4 km，起點為華江路站，經金沙江西路、金沙江路、長壽路、天目西路、恒豐路、大田路、石門二路，到達一期工程終點南京西路站。途經上海市嘉定、普陀、閘北、靜安4 個區(qū)。

其中，自然博物館站-南京西路站區(qū)間隧道為雙線單圓盾構區(qū)間，線路由自然博物館站南工作井出發(fā)南行，過北京西路、奉賢路、南京西路、吳江路到達南京西路站北工作井。區(qū)間上、下行線全長959.88 m，上行線400 環(huán)，下行線398 環(huán)，共計798 環(huán)。區(qū)間隧道覆土最大為18.1 m，最小為16.6 m。區(qū)間長度不足600 m，不設旁通道。

本區(qū)間隧道掘進主要在第⑤1-1層黏土及第⑤1t層粉質黏土夾粉砂之中，部分涉及第⑤1-2層粉質黏土、第④層淤泥質黏土及第⑤2層黏質粉土夾粉質黏土。進洞區(qū)域分布在⑤1-1層粉質黏土和⑤2層黏質粉土夾粉質黏土，見圖1。

圖1 工程地質剖面示意

2 凍結法加固

本工程凍結加固不考慮凍土強度，僅考慮封水作用，凍結壁厚度設計為≥1.2 m，有效凍結深度為8.0 m。凍土平均溫度為≤－8 °C。凍結孔按在工作井內利用地下連續(xù)墻布置水平凍結孔。凍結管為Φ89 mm×8 mm無縫鋼管。凍結孔的布置詳見圖2、圖3。

3 盾構進洞施工[1-8]

3.1 上行線進洞施工

上行線盾構進洞的施工工序為：在冷凍加固的同時，把盾構機推進至地下連續(xù)墻，然后等待凍結交圈，冷凍達到設計的強度要求等級后，鑿除洞門，盾構機開始進洞。

圖2 凍結孔平面布置

上行線盾構冷凍加固的有效深度為8 m，盾構機自身的長度為7.4 m，盾構機推進至地下連續(xù)墻的時候，盾尾基本上在冷凍加固范圍內，此時在盾尾打環(huán)箍（圖4）。但是盾構剛剛進入加固區(qū)，環(huán)箍大部分在原狀土內（水泥系加固長度為6 m），再加上盾構底部1/4處于⑤2 層微承壓水層，環(huán)箍的效果大打折扣，進洞存在一定的風險，所以要考慮打多道環(huán)箍，分多次進洞來降低風險。另外，從設計層面考慮的話，冷凍加固的長度應該把盾構機全部包住。

圖3 凍結孔剖面布置

圖4 盾構推進打環(huán)箍示意

由于上行線盾構機在靠上地下連續(xù)墻后，在冷凍區(qū)停靠了較長時間，主要是洞門鑿除的等待時間（7 d左右），導致盾構機殼體被凍住，增大了盾構機所需總推力。如達到盾構機額定總推力還推不動的話，只能依靠在盾構機千斤頂位置額外增加千斤頂的辦法來提高總推力。本項目工程所用的三菱盾構機的額定總推力約為34 000 kN，剛推進至393 環(huán)的時候，盾構機的區(qū)域油壓已經全部達到最大，還是推不動。項目部考慮在盾構機下部增加4 個2 000 kN的千斤頂，使總推力達到42 000 kN，但是盾構機在冷凍加固土內依然沒有動，分析原因主要有盾構機的外殼被凍住，增大了盾構啟動的靜摩擦力；盾構機尾部2.2 m的烏龜殼是外置式的，在加固土內也大大增加了靜摩擦力。在這種情況下，只能考慮繼續(xù)增加總推力，項目部又在盾構機的里面增加了2 個5 000 kN的千斤頂，使用時的真正推力為3 000 kN/個，在累計總推力達到48 000 kN的時候，盾構機移動，速度達到1 cm/min，可以正常推進。在后續(xù)的推進過程中隨著盾構機外殼慢慢進入工作井，推力逐步下降。最終盾構機分3 次順利進洞。

3.2 下行線進洞施工

下行線盾構進洞的施工工序為：在冷凍加固的同時，把盾構機停靠在加固區(qū)外面，然后等待凍結交圈，冷凍達到設計強度要求的等級后，盾構開始推進，并根據推進的進度安排人員開始鑿除門洞。

下行線盾構機其他的工況跟上行線是一樣的。由于盾構機先停靠在加固區(qū)外面，等待冷凍強度達到設計要求后，開始推進，這樣就保證了盾構機推進的連續(xù)性，減少了盾構機在冷凍區(qū)的停靠時間，盡量避免盾構機被凍住，從而減少了進洞的風險。

在具體施工過程中，把盾構機推進至地下連續(xù)墻后，開始打環(huán)箍，養(yǎng)護一定時間后，再開始推進，此時，洞門已經鑿除完畢。推進時遇到跟上行線一樣情況，剛開始也是推不動。只能在盾構機內部額外增加1 個5 000 kN千斤頂，實際使用的推力為3 000 kN，這樣在總推力為38 000 kN時，盾構機開始移動，而且在后續(xù)推進過程中，總推力沒有再增加，下行線盾構也是分3 次順利進洞。

4 結語

上海軌道交通13號線一期工程GT-10標段自然博物館站—南京西路站盾構區(qū)間推進工程，上下行線2 臺盾構機進洞都采用的是冷凍法加固，進洞時采用的施工工藝略有不同。上行線首先靠上地下連續(xù)墻，然后再推進，這種情況下增加了盾構機被凍住的可能性，大大增加了盾構總推力，施工時要預備額外的千斤頂；下行線首先在加固區(qū)外面等待，然后再連續(xù)進洞，這種情況下盾構總推力相對較小，但也存在一定的風險，如果盾構推進不順利的，接收井的洞門已經鑿除，在空氣中暴露的時間過長，會大大增加漏水涌砂的風險，尤其是在地層條件比較特殊的情況下。但是，從工程安全方面考慮的話，本文還是推薦采用盾構機先靠上地下連續(xù)墻后，再開始鑿除洞門的進洞工藝。另外，從本項目施工實踐來看，冷凍法進洞的最大風險點就是盾構機殼體被凍住，導致盾構機總推力不足，需要額外增加千斤頂，如果增加后還是推不動的話，風險會更大，甚至需要對冷凍區(qū)進行解凍來解決，所以冷凍法進洞還必須協調好凍結時間和施工進度之間的關系。