復(fù)雜地質(zhì)條件下冷凍法加固盾構(gòu)多次進(jìn)洞的研究

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)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(jīng)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(dá)一期工程終點南京西路站。途經(jīng)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(gòu)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(dá)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(shè)旁通道。

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

圖1 工程地質(zhì)剖面示意

2 凍結(jié)法加固

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

3 盾構(gòu)進(jìn)洞施工[1-8]

3.1 上行線進(jìn)洞施工

上行線盾構(gòu)進(jìn)洞的施工工序為：在冷凍加固的同時，把盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至地下連續(xù)墻，然后等待凍結(jié)交圈，冷凍達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度要求等級后，鑿除洞門，盾構(gòu)機(jī)開始進(jìn)洞。

圖2 凍結(jié)孔平面布置

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

圖3 凍結(jié)孔剖面布置

圖4 盾構(gòu)推進(jìn)打環(huán)箍示意

由于上行線盾構(gòu)機(jī)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(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)殼體被凍住，增大了盾構(gòu)機(jī)所需總推力。如達(dá)到盾構(gòu)機(jī)額定總推力還推不動的話，只能依靠在盾構(gòu)機(jī)千斤頂位置額外增加千斤頂?shù)霓k法來提高總推力。本項目工程所用的三菱盾構(gòu)機(jī)的額定總推力約為34 000 kN，剛推進(jìn)至393 環(huán)的時候，盾構(gòu)機(jī)的區(qū)域油壓已經(jīng)全部達(dá)到最大，還是推不動。項目部考慮在盾構(gòu)機(jī)下部增加4 個2 000 kN的千斤頂，使總推力達(dá)到42 000 kN，但是盾構(gòu)機(jī)在冷凍加固土內(nèi)依然沒有動，分析原因主要有盾構(gòu)機(jī)的外殼被凍住，增大了盾構(gòu)啟動的靜摩擦力；盾構(gòu)機(jī)尾部2.2 m的烏龜殼是外置式的，在加固土內(nèi)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(gòu)機(jī)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(dá)到48 000 kN的時候，盾構(gòu)機(jī)移動，速度達(dá)到1 cm/min，可以正常推進(jìn)。在后續(xù)的推進(jìn)過程中隨著盾構(gòu)機(jī)外殼慢慢進(jìn)入工作井，推力逐步下降。最終盾構(gòu)機(jī)分3 次順利進(jìn)洞。

3.2 下行線進(jìn)洞施工

下行線盾構(gòu)進(jìn)洞的施工工序為：在冷凍加固的同時，把盾構(gòu)機(jī)停靠在加固區(qū)外面，然后等待凍結(jié)交圈，冷凍達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度要求的等級后，盾構(gòu)開始推進(jìn)，并根據(jù)推進(jìn)的進(jìn)度安排人員開始鑿除門洞。

下行線盾構(gòu)機(jī)其他的工況跟上行線是一樣的。由于盾構(gòu)機(jī)先停靠在加固區(qū)外面，等待冷凍強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，開始推進(jìn)，這樣就保證了盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的連續(xù)性，減少了盾構(gòu)機(jī)在冷凍區(qū)的停靠時間，盡量避免盾構(gòu)機(jī)被凍住，從而減少了進(jìn)洞的風(fēng)險。

在具體施工過程中，把盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至地下連續(xù)墻后，開始打環(huán)箍，養(yǎng)護(hù)一定時間后，再開始推進(jìn)，此時，洞門已經(jīng)鑿除完畢。推進(jìn)時遇到跟上行線一樣情況，剛開始也是推不動。只能在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)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(gòu)機(jī)開始移動，而且在后續(xù)推進(jìn)過程中，總推力沒有再增加，下行線盾構(gòu)也是分3 次順利進(jìn)洞。

4 結(jié)語

上海軌道交通13號線一期工程GT-10標(biāo)段自然博物館站—南京西路站盾構(gòu)區(qū)間推進(jìn)工程，上下行線2 臺盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞都采用的是冷凍法加固，進(jìn)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(jìn)，這種情況下增加了盾構(gòu)機(jī)被凍住的可能性，大大增加了盾構(gòu)總推力，施工時要預(yù)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(jìn)洞，這種情況下盾構(gòu)總推力相對較小，但也存在一定的風(fēng)險，如果盾構(gòu)推進(jìn)不順利的，接收井的洞門已經(jīng)鑿除，在空氣中暴露的時間過長，會大大增加漏水涌砂的風(fēng)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(gòu)機(jī)先靠上地下連續(xù)墻后，再開始鑿除洞門的進(jìn)洞工藝。另外，從本項目施工實踐來看，冷凍法進(jìn)洞的最大風(fēng)險點就是盾構(gòu)機(jī)殼體被凍住，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)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(fēng)險會更大，甚至需要對冷凍區(qū)進(jìn)行解凍來解決，所以冷凍法進(jìn)洞還必須協(xié)調(diào)好凍結(jié)時間和施工進(jìn)度之間的關(guān)系。