杯型水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構接收技術

趙 亮楊 平* 劉增光姚夢威陳 亮

杯型水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構接收技術

趙 亮1楊 平1*劉增光2姚夢威1陳 亮2

（1.南京林業大學土木工程學院，210037，南京；2.常州市軌道交通有限公司，213022，常州//第一作者，碩士研究生）

盾構接收是復雜軟弱富含水地層盾構施工的關鍵風險點。針對某地鐵車站端頭隧道施工中所遇到的特殊工程地質條件，提出并采用了杯型水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構接收施工工藝。采用工程應用與實測相結合的研究方法，對水平凍結加固區的溫度以及盾構接收期間地表沉降進行了現場實測研究。分析了凍結壁溫度變化規律，判斷安裝和切割鋼套筒時機，確保了鋼套筒順利切割。總結了軟弱富含水地層鋼套筒盾構接收技術的特點及難點，有效地避免了盾構接收過程中涌水、涌砂的風險，保障了盾構的安全接收。關鍵詞 軟弱富含水土層；盾構接收；杯形水平凍結法；鋼套筒；實測分析

AbstractShield receiving is the key risk point during shield construction in soft water-rich soil.According to the special engineering geological conditions of a subway station，the construction technology of horizontal freezing reinforcement and steel sleeve assisted shield construction is proposed.This freezing construction technology and the ground subsidence during the shield receiving are studied by using engineering application and field measurement.The law of the freezing soil wall thermal field is analyzed to judge the time of installing and the cutting of steel sleeve for smooth shield receiving.The specific process and the key technology of shield receiving in soft water-rich soil are summarized，in order to avoid the risk of water gushing and sand pouring in the process of shield receiving effectively.

Key wordssoft water-rich soil； shield receiving； horizontal freezing method； steel sleeve； measured analysis

First-author′s address College of Civil Engineering of Nanjing Forestry University，210037，Nanjing，China

在地鐵盾構隧道建造過程中，盾構始發與接收是工程風險較大的環節之一。其風險主要在于破除洞門臨時圍護結構后，端頭土體的自立性較差可能會引起洞門土體坍塌，且在含水量豐富的砂層中更易引起洞門向盾構井內涌水及涌砂，影響盾構正常推進，危及地面周圍建筑物安全［1-4］。凍結法作為一種形式靈活、適應性強、施工無污染、對環境影響小的土體加固方法，在盾構始發與接收施工中展現了廣闊的應用與發展前景［5-8］。在復雜的工程地質條件下，盾構到達采用水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的接收措施，有效地提高了盾構接收的風險可控性［9-10］。

某地鐵車站東端頭右線盾構接收工程由于工程地質及周邊環境復雜，無法實施地面加固，故采用了水平凍結法端頭加固（無化學加固）與鋼套筒輔助接收盾構機的施工方式，有效地避免了含水粉砂地層涌水、涌砂的風險，取得了良好的施工效果。

1 工程概況

某地鐵車站東端頭井盾構接收范圍內主要分布的土層為粉砂②2d3、粉砂②3d2。該土層屬于軟弱富含水土層，地下水位埋深1.4 m，自身承載力差。該粉砂層與上層粉土層均分布有潛水，且與下層的微承壓含水層中的地下水有一定的連通性，導致盾構接收過程中存在較大的涌水、涌砂風險。且盾構接收端上部分布有地下管線，導致水泥土攪拌樁、旋噴樁及垂直凍結法等常規端頭加固方式無法施工。為保障盾構順利接收，結合工程環境條件，決定采用人工水平凍結端頭加固技術以及鋼套筒輔助接收來破解這一工程難題。盾構接收端頭地質及地下管線分布情況如圖1所示。

圖1 盾構接收端頭地質及地下管線分布情況

2 盾構端頭加固及接收方案比選

2.1 盾構接收端頭地基加固處理

盾構到達端頭由于地下管線分布復雜、場地條件限制以及工期緊張等原因，無法按原加固方案（三軸深層攪拌樁+高壓旋噴樁+垂直凍結）進行實施。軟弱土地基在無常規化學加固處理的情況下進行盾構接收存在較大風險。為滿足本工程端頭加固范圍及強度要求，確保盾構安全接收，故對原加固方案進行變更，采用較大范圍的杯型水平凍結加固方案。該方案具有強度高、抗坍塌能力強、止水性好、施工安全可靠等優點。

2.2 凍結方案與凍結參數

采用杯形水平凍結加固方案，具體凍結孔和測溫孔布置如圖2所示。根據凍結方案設計，凍結孔按水平角度布置，凍結孔數為53個。其中，圓柱體凍結孔沿開洞口φ7.5 m圓形布置，開孔間距為0.76 m（弧長），凍結孔數為31個，長度為12.2 m。板塊凍結孔沿開洞口φ5.1 m、φ2.7 m圓形布置，其中，中圈孔開孔間距為1.135 m（弧長），凍結孔數為14個；內圈孔開孔間距為1.172 m（弧長），凍結孔數為7個；開洞口中心布設1個凍結孔。凍結孔長度均為3.5 m。此外，布設了6個測溫孔，其孔深與凍結孔孔深一致。

盾構端頭洞門槽壁破除前應滿足以下要求：

（1）鹽水溫度范圍為：-28℃～-30℃；

（2）鹽水去回路溫差≤1.5℃；

（3）凍結壁外圈（杯壁）平均厚度≥1.6 m；

（4）槽壁與凍土結合面處通過各探孔顯示溫度≤-5℃；

圖2 杯型水平凍結方案中水平凍結孔與測溫孔布置

（5）外圈凍結壁平均溫度≤-10℃。

2.3 盾構接收方法比選

目前國內使用的盾構接收方法較多，主要有直接破洞接收法、水中接收法、鋼套筒法等，但這些方法間常需要聯合使用［11-12］。

（1）直接破洞接收法。對于全斷面巖石地層，可不進行地基加固；但當巖石裂隙較發育或裂隙水較大時，可采用分層注漿的方法封堵裂隙。

（2）水中接收法。向盾構接收井內回填黏土，并進行壓實，回填黏土后向接收井內灌入清水，保證盾構接收時洞門內外壓力的平衡，從而防止盾構與洞門圈間隙涌水、涌砂，造成地表沉降過大或端頭地層坍塌。故針對于富水砂性土層，水中接收法是中大直徑盾構接收的有效方法。但鑒于本車站右線接收端頭與既有的3號線相隔，且受施工場地的限制，故不宜采用水中接收法。

（3）鋼套筒接收法。鋼套筒接收法不受地層條件的限制，且鋼套筒中充填物模擬了水土壓力，大大降低了含水軟弱土層洞門涌水、涌砂的可能性，提高了盾構接收的安全性；鋼套筒接收法占地面積小，相比其他接收法，鋼套筒可回收循環使用，工程造價較低。

通過以上三種盾構接收法的比選，認為鋼套筒接收法為最合理的方案。

3 鋼套筒盾構接收關鍵技術與實測

3.1 鋼套筒設計

盾構接收鋼套筒主要用于輔助盾構到達接收，整個裝置為一端開口、另一端封閉的容器。鋼套筒開口端與洞門預埋鋼環相連，形成一個整體密閉的容器。容器內充滿回填料，用于支撐盾構推進時對洞門回填混凝土形成的反力，防止大塊混凝土塊掉入鋼套筒底部或進入環流堵塞管路［13-15］。整個鋼套筒結構由筒體、后端蓋板、頂推托輪組、反力架以及前后左右支撐等部分組成。

鋼套筒筒體部分長9 600 mm，分4段（每段長2 400 mm），每段又分為上、下2塊，其內直徑為6 700 mm。筒體材料選用20 mm厚的Q235A鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環向筋板形成網狀以保證筒體剛度；筋板厚15 mm，高140 mm，間隔約560 mm ×580 mm；每段筒體的端頭和上、下兩段圓弧結合面均焊接法蘭，法蘭用40 mm厚的Q235A鋼，上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用M30×90的8.8級螺栓連接，中間加3 mm厚橡膠墊，以保證密封效果。

3.2 鋼套筒接收施工流程

該車站東端頭周邊管線密集，盾構到達端頭所在土層為軟弱土層。該土層自立性差，施工難度及風險大。盾構鋼套筒接收施工工序繁多，因此各工序之間的銜接必須緊密。盾構到達端頭時鋼套筒接收施工流程如圖3所示。

圖3 盾構鋼套筒接收施工流程

3.3 鋼套筒安裝定位及密封性檢測

鋼套筒定位時必須嚴格控制鋼套筒底部高程，以確保洞門中心線與鋼套筒中心線重合。鋼套筒組裝完成后，在筒體內加氣以檢查其密封性，氣壓保持在0.2 MPa以上。若在12 h內，氣壓保持在0.18 MPa以上，則可滿足鋼套筒接收要求；如果氣壓小于0.18 MPa，找出泄氣部位，檢查并修復其密封質量，然后再次進行試壓，直至滿足試壓要求為止。

3.4 盾構接收推進技術及參數控制

盾構接收階段的推進施工分2個階段（如圖4所示）。

圖4 盾構接收階段示意圖

（1）第一階段為盾構機穿越凍結加固區土體。盾構穿越凍結加固區的過程中，應隨時觀測渣土溫度。當盾構機徑向注漿孔進入杯狀凍結加固區后，開始從徑向注漿孔向盾殼外注聚氨酯，切斷刀盤前后的水力聯系。該階段推進過程中，需做好以下事項：①在切口距離凍土墻30 cm時，連續轉動刀盤，直至盾構機刀盤穿越凍結加固區后再按照常規轉動刀盤；盾構機在拼裝管片時，要求刀盤每隔3 min轉動一次，防止刀盤被凍住。②刀盤穿越凍結加固區時，推進速度宜控制在1 cm/min，以保證土倉內的土壓，防止出空土倉時盾構機抬頭上浮。③從特殊管片上預留的注漿孔向管片外側注雙液漿，防止盾尾后的水進入盾尾前方。

（2）第二階段為盾構機進鋼套筒掘進。盾構機刀盤穿越凍結加固區后，盾構機開始進行第二階段推進。盾構機刀盤中心刀進入凍結加固區14 m時，盾構機開始進入鋼套筒，并從中盾的徑向注漿孔向盾殼外注聚氨酯；當徑向注漿孔進入鋼套筒后，停止注入聚氨酯；當盾尾脫離洞門鋼環時，停止同步注漿。在第二階段推進過程中，需做好以下事項：①參數設置。推速＜5 mm/min，推力＜8 000 kN。在鋼套筒內盾構機以管片拼裝模式掘進。盾構機在鋼套筒內掘進的過程中，要確保與外界聯系，密切觀察鋼套筒頂部的情況，一旦發現變形量超量或鋼套筒頂部有滲漏時，必須立即停止掘進，及時采取補救措施。②根據鋼套筒頂部安裝的壓力表讀數，及時調整盾構推進壓力，避免推進壓力過大時鋼套筒密封處出現滲漏。若推進壓力過大，應及時打開鋼套筒后板蓋上的排漿口，進行卸壓。③盾構進鋼套筒時的姿態控制。必須以實際測量的鋼套筒安裝中心線為基準控制盾構機姿態，要求鋼套筒安裝中心線偏差控制在±2 cm之內。盾構機進入鋼套筒后，注意其姿態控制。④盾構機筒體推到設計位置并完成洞門密封后，在刀盤不轉的情況下，出空艙內回填物；打開鋼套筒底部的排漿管，排出剩余的漿液，并檢查筒體的漏漿情況；在洞門雙液漿凝固且穩定安全的情況下，開始拆除鋼套筒后端過渡連板及后端蓋。

3.5 盾構接收實測結果分析

根據各測溫孔、凍結管與地下連續墻之間的位置關系，選擇最不利工況下的C1號測溫孔進行凍結壁圓柱半徑計算。C1號測溫孔共5個測溫點，各測溫點的溫度變化曲線如圖5所示。由圖5可知，整個凍結期間溫度表現為平穩下降，凍結40 d后各測點的溫度基本保持平穩。利用相關公式計算得到凍結加固區最小凍結圓柱半徑為1.35 m，由此繪制出凍結壁厚度達2.59 m，該數值已超過設計凍結壁厚度1.6 m；凍土壁平均溫度為-11.3℃，該溫度滿足設計要求（≤ -10℃）；于洞門范圍內施工探孔，在開鑿探孔的過程中洞門范圍地層未見水流出，且測得這些探孔處凍結壁與槽壁的交界面溫度均低于-5℃，確定此時可以開鑿洞門。

圖5 C1號測溫孔溫度變化曲線

由于盾構在推進過程中會對接收段周圍土體造成擾動，為保障盾構推進過程中沿線地面建筑物及地下管線的安全，故采用水準儀對地面沉降情況進行監測。沿隧道軸線方向每隔10 m布設1個地表沉降監測斷面，且每個斷面布設11個監測點，監測點距隧道軸線的距離分別為0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。監測結果表明：盾構在結凍加固區內推進時較平穩，地表沉降值較小，地表沉降最大值為5.8 mm。凍結加固區地表累計變化最大值點的沉降曲線如圖6所示。

圖6 凍結加固區地表累計變化最大值點的沉降曲線

3.6 杯型水平凍結法端頭加固與鋼套筒輔助的盾構接收施工特點及難點

（1）控制軸線偏差在可控范圍之內。盾構在接收段推進時必須嚴格沿軸線進行掘進，使盾構姿態水平方向偏差控制在±15 mm以內，豎直方向偏差控制在+20～+30 mm，保證盾構進入鋼套筒時不出現磕頭現象。因盾構接收段上覆土層厚度較淺，接收口頂部埋深僅為11.96 m，淺覆土段盾構施工對盾構軸線控制以及地面沉降控制存在較大難度。

（2）鋼套筒接收法步驟繁多，耗費時間長。在盾構接收之前，要鑿除洞門范圍內的地下連續墻，尤其是第2次破除洞門時需一次性破除1.1 m。由于盾構接收和洞門準備時間的相互影響，洞門破除又制約了鋼套筒的施工工序，造成洞門破除時間緊、施工難度和風險較大。

（3）為增強端頭加固土體的穩定性，確保洞門破除以及盾構接收的安全。本工程采用人工水平凍結法加固端頭軟弱土層，凍結法施工進度滯后以及冷凍質量出現問題都將給盾構接收造成重大影響。因此，人工水平凍結加固是本工程的重點之一。

（4）由于水平凍結加固區范圍較大，當盾構通過凍結加固區時易發生刀盤凍結事故，且室溫泥漿與低溫的凍土墻接觸時，可能會造成泥漿性質的改變以及凍土墻升溫失穩的現象。因此，盾構應迅速通過凍結加固區，防止盾構凍住也是本工程的重點之一。

4 結論

（1）水平凍結法與鋼套筒相結合的盾構接收方法，很好地解決了該車站盾構端頭軟弱富含水土層地質條件差、地上管線密布且無法采用常規方法進行加固的困難，盾構接收過程中未發生涌水、涌砂現象。

（2）作為盾構輔助接收裝置的鋼套筒使用范圍廣，對于軟土、砂層、地下水位較高以及含有承壓水等復雜地層，鋼套筒盾構接收均有較好的適用性。因此，鋼套筒的制作和使用為盾構到達接收提供了一種新的方法，豐富了盾構出洞的施工方法。

（3）建議今后洞門的圍護結構地下連續墻采用玻璃纖維筋混凝土。這樣，盾構在到達時可直接切削玻璃纖維筋混凝土出洞，從而減少了人工鑿除洞門鋼筋混凝土的風險，這樣可以保證盾構出洞更安全、更省時。

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我國將研制“高速飛行列車”

從8月30日在武漢召開的第三屆中國（國際）商業航天高峰論壇上，傳來一條舉世矚目的消息：中國航天科工集團公司將研制最高時速達4 000 km的高速飛行列車，實現超聲速“近地飛行”。這么快的列車，有可能嗎？有意義嗎？帶著這些疑問，記者采訪了中國航天科工集團公司高速飛行列車項目技術負責人毛凱。據毛凱介紹，目前，包括中國航天科工集團公司在內，世界上僅有極少數幾家企業對外宣布開展時速大于1 000 km的運輸系統研究。而且，國外企業的目標時速多在1 000 km左右，而中國航天科工集團公司卻把終極時速定在了4 000 km。中國航天科工集團公司也是全球首個提出超聲速地面運輸系統的企業。高速飛行列車是利用低真空環境和超聲速外形減小空氣阻力，通過磁懸浮減小摩擦阻力，實現超聲速運行的運輸系統，是超聲速飛行技術和軌道交通技術的有機結合。中國航天科工集團公司高速飛行列車項目聯合了國內外20多家科研機構，成立了國內首個國際性高速飛行列車產業聯盟，目前團隊擁有相關領域的200多項專利。而且，我國高速飛行列車采用的技術路徑和國外的不一樣，國外采取的懸浮方式需要車輪先跑起來，達到一定速度才能懸浮起來,而我國采取的高溫超導磁懸浮方式屬于被動懸浮方式，沒有初速度也能懸浮起來，不需要用車輪。毛凱說，高速飛行列車的設想一旦實現，將改變人類的出行方式，更將極大地改寫中國乃至世界經濟版圖。據中國航天科工集團公司相關負責人介紹，“高速飛行列車”項目將按照三步走戰略逐步實現：第一步通過1 000 km/h運輸能力建設區域性城際飛行列車交通網；第二步通過2 000 km/h運輸能力建設國家超級城市群飛行列車交通網；第三步通過4 000 km/h運輸能力建設“一帶一路”飛行列車交通網，最終形成一張繼航天、高鐵、核電之后的中國新名片。

（摘自2017年8月31日《新華每日電訊》，記者 譚元斌、胡喆報道）

On Shield Receiving by Horizontal Freezing Reinforcement Technology and Steel Sleeve

ZHAO Liang，YANG Ping，LIU Zengguang，YAO Mengwei，Chen Liang

U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.09.026

2015-12-29）

*楊平為本文通信作者