液氮垂直凍結(jié)與水中接收盾構(gòu)綜合施工技術(shù)

劉攀

中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東濟南 250002

0 引言

盾構(gòu)接收是盾構(gòu)工法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于隧道洞門土體自穩(wěn)性較差，盾構(gòu)接收時極易引起洞門的涌水涌砂，危險程度很高。國內(nèi)地鐵建設(shè)過程中，常用的盾構(gòu)接收方法為接收端頭土體加固接收方案[1-4]，近幾年鋼套筒接收和水中接收等新技術(shù)也得到了應(yīng)用。江玉生等[5]主要圍繞土體加固、洞門密封等進行了盾構(gòu)接收風險論述；文獻[6-7]進行盾構(gòu)接收土體加固方案的比選；張穎君等[8]運用液氮凍結(jié)法完成盾構(gòu)井的堵漏；汪振偉等[9]運用液氮凍結(jié)法完成了地下水的封堵；文獻[10-12]分析了盾構(gòu)接收常用的改良端頭土體的接收工法、水中接收工法、鋼套筒接收工法的施工技術(shù)及優(yōu)缺點；肖衡等[13]介紹了富水卵石層土壓盾構(gòu)鋼套筒接收技術(shù)；王文燦[14]提出凍結(jié)法和水平注漿在天津地鐵盾構(gòu)接收中的組合應(yīng)用；賁志江等[15]介紹了泥水盾構(gòu)水中接收關(guān)鍵技術(shù)；侯建軍等[16]研究了高水壓粉砂地層盾構(gòu)水中接收到達施工技術(shù)；王社江[17]研究了富水粉砂地層盾構(gòu)到達施工技術(shù)。

考慮到濟南地鐵R1線大楊莊站盾構(gòu)接收施工具有高富水、高水壓、復雜地層等特點，同時接收端頭毗鄰經(jīng)十路交通要道，車流、人流量大，并且管線種類多、分布密集，本文對工程原端頭土體加固(高壓旋噴樁+素咬合樁止水帷幕+輔助降水井)盾構(gòu)接收方案的不足進行改進，增補液氮垂直凍結(jié)與水中接收的盾構(gòu)接收方案，以確保盾構(gòu)機在復雜工況條件下的順利接收。

1 工程概況

1.1 工程位置

濟南地鐵R1線地下段土建工程一標段區(qū)間風井至大楊站區(qū)間左、右線長度均為2 033.1 m，雙線隧道均采用開挖直徑6.68 m的土壓平衡盾構(gòu)機施工。2臺盾構(gòu)機先后從區(qū)間風井北端頭井始發(fā)，沿黨楊路由南向北掘進，最終在大楊莊站南端頭井接收。大楊莊站南端頭井基坑位于齊魯大道、黨楊路和經(jīng)十路的交叉路口。接收端頭上方存在臨時改遷的220 kV供電管溝、給水管道，各類管線密集。盾構(gòu)接收洞門設(shè)置在地下2層，兩臺盾構(gòu)機在地下2層接收(地下3層為遠期地鐵M3線預(yù)留)。

盾構(gòu)接收施工包括盾構(gòu)機最后50 m掘進(掘進參數(shù)控制)，接收端頭加固(液氮垂直凍結(jié))與水中接收(洞門密封安裝、接收基座安裝、洞門破除、擋水墻施工、澆筑砂漿墊層、基坑注水、盾構(gòu)機步入接收基座、封堵洞門、基坑排水)。

1.2 地質(zhì)水文概況

大楊莊站南端頭地處濟南西水源地，地質(zhì)情況由上至下依次為：雜填土層、黃土層、粉質(zhì)黏土層、卵石層、細砂層、粉質(zhì)黏土層。隧道拱頂覆土10.4 m，區(qū)間左右線均處在粉質(zhì)黏土中，隧道底部以下0.5 m即為細砂層及卵石層，靜止水位線位于地表以下5 m。盾構(gòu)接收端頭位置地下水主要為潛水和承壓水。潛水主要分布在粉質(zhì)黏土中，承壓水主要分布在細砂和卵石層中。

盾構(gòu)接收前，為處理圍護結(jié)構(gòu)和加固體之間的冷縫，在接收端頭上方靠近圍護結(jié)構(gòu)處進行引孔取芯、注漿，核實地層實際情況，接收端頭地質(zhì)橫剖面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)接收端頭實際地質(zhì)橫剖面圖

1.3 原接收端頭加固設(shè)計方案

原接收端頭加固采用Φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁+Φ800 mm@600 mm單排素混凝土咬合樁止水帷幕+輔助降水井的方式，如圖2所示(圖中單位為mm)，擬達到“土體固結(jié)，水位降至隧道底部以下”的目的，防止盾構(gòu)接收時洞門涌水涌沙，造成地面沉降，威脅管線、地面交通和隧道的安全。

旋噴樁加固體長9 m，加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)上下左右各3 m，旋噴樁采用三重管工藝。咬合樁采用Φ800 mm素混凝土樁，樁底位于隧道結(jié)構(gòu)以下6 m，混凝土設(shè)計強度等級為C20。咬合樁與地下連續(xù)墻接口位置采用Φ800 mm@600 mm旋噴樁補強，旋噴樁長度與咬合樁一致。加固體外側(cè)和中部共有8個備用降水井，降水井井底標高位于加固體以下5 m，埋深27 m。

a)平面圖

b)剖面圖

盾構(gòu)機接收端頭加固完成后：通過對加固體進行取芯，發(fā)現(xiàn)隧道中下部斷面芯樣不完整，不連續(xù)，無實質(zhì)性加固效果；所有降水井運行后，動水位穩(wěn)定至井底位置附近，水位無法進一步下降，一旦停止抽排水，水位上升很快，經(jīng)過地下水“強排”，水位不能降至隧道底部以下，降水深度仍然不滿足接收條件。

根據(jù)鉆孔取芯顯示的地質(zhì)情況和降水井降水情況，發(fā)現(xiàn)雙線隧道洞身及下部均存在厚9 m的卵石層，與地質(zhì)勘探報告顯示厚2 m的卵石層存在較大懸殊。原端頭加固方案中素混凝土咬合樁實際沒有插入到“2 m卵石層”下面的黏土層，未能隔斷卵石層中地下水的水平補給。

因此原盾構(gòu)接收端頭加固方案無效，需要完善。

2 擬定施工方案

2.1 冷凍施工方法

本工程中，端頭加固產(chǎn)生了大量的水泥土，水泥土孕含的水化熱不能保證凍結(jié)施工的效果，因此，選擇合適的凍結(jié)方法勢在必行。常規(guī)的凍結(jié)方法有液氮冷凍和鹽水冷凍。液氮凍結(jié)法是將液態(tài)氮注入凍結(jié)器中的液氮供液管，使之在凍結(jié)管內(nèi)氣化，吸收周圍土壤的熱量，使土壤凍結(jié)。液氮氣化吸熱后，逸出凍結(jié)管，排出氮氣，隨著液氮的氣化、揮發(fā)和持續(xù)向凍結(jié)管供給新的液氮，直至形成符合設(shè)計要求的凍土墻。鹽水凍結(jié)法以鹽水作為制冷循環(huán)系統(tǒng)的媒介，經(jīng)過低溫鹽水進入鹽水循環(huán)系統(tǒng)→低溫鹽水與地層熱交換→高溫鹽水流出鹽水循環(huán)系統(tǒng)→高溫鹽水進入冷凍機組→冷凍機組工作將高溫鹽水變?yōu)榈蜏佧}水等過程，鹽水周而復始循環(huán)，不斷吸走地層中的熱量，使土壤凍結(jié)。表1為液氮凍結(jié)與鹽水凍結(jié)2種方法的施工特點對比[18-20]。

表1 鹽水凍結(jié)與液氮凍結(jié)2種凍結(jié)方法對比

由表1可知：液氮凍結(jié)較鹽水凍結(jié)效率高、效果好，能夠快速克服水化熱的影響。

2.2 確定施工方案

因端頭加固區(qū)內(nèi)降水井未能將承壓水水頭降到隧道中心線以下，隧道下部及以下存在較厚的砂卵地層，在此地層中旋噴樁的加固效果相對較差，難以起到隔水效果，端頭地質(zhì)透水能力強、水壓大，易發(fā)生洞門涌水涌沙風險。

為確保施工安全，在原“高壓旋噴樁+單排素咬合樁止水帷幕+輔助降水井”加固方案基礎(chǔ)上，增設(shè)液氮垂直凍結(jié)與水中接收的盾構(gòu)綜合施工方案。

1)液氮垂直凍結(jié)。液氮垂直凍結(jié)區(qū)別于液氮水平凍結(jié)，即在盾構(gòu)接收端頭地表垂直向下打設(shè)凍結(jié)孔、測溫孔。液氮垂直凍結(jié)施工可以最大限度地避開盾構(gòu)接收井，減少交叉作業(yè)。另外，還可以方便連接、維護凍結(jié)管路，快速展開施工。采用液氮垂直凍結(jié)，在洞門后面快速形成連續(xù)、完整的凍結(jié)壁，有效封堵地下水，降低洞門破除期間涌水涌砂風險。

2)盾構(gòu)水中接收。在盾構(gòu)接收下沉井內(nèi)澆筑臨時擋水墻，在基坑灌水狀態(tài)下進行盾構(gòu)接收，利用內(nèi)外水壓平衡相抵的原則[21]，降低盾構(gòu)接收施工的風險。

3 液氮垂直凍結(jié)

液氮垂直凍結(jié)工藝成熟[22]，采用“兩班倒”施工，單班投入16人，其中技術(shù)管理人員1人，安全員1人，鉆工6人，電工1人，電焊工2人，制冷工4人，材料員1人。液氮垂直凍結(jié)施工流程如圖3所示。液氮垂直凍結(jié)施工進度計劃安排如表2所示，加固設(shè)備和材料見表3[23]。

圖3 液氮凍結(jié)施工流程

3.1 凍結(jié)孔布置與凍土墻形成

采用垂直凍結(jié)孔單排布置，間距700 mm，每個端頭布置15個凍結(jié)孔，2個測溫孔。凍結(jié)管距離既有地下連續(xù)墻300 mm，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況微調(diào)，以避開地下障礙物，凍結(jié)孔D1～D15布置如圖4所示(圖4中單位為mm)。

表2 主要施工工序及進度計劃

序號主要工序計劃工期/d備注1施工前準備工作2.02鉆孔定位及開孔1.53凍結(jié)器連接1.5含系統(tǒng)調(diào)試4積極凍結(jié)7.05維護凍結(jié)5.0根據(jù)井內(nèi)破壁時間定6拔除凍結(jié)管1.0總工期18.0

表3 凍結(jié)加固設(shè)備及材料

材料名稱規(guī)格型號數(shù)量備注履帶式鉆機YGL-1002臺泥漿泵BW-250/502臺不銹鋼管Φ32 mm×3.5 mm300 m供液管無縫鋼管Φ45 mm×4 mm50 m測溫管不銹鋼管Φ108 mm×4 mm300 m凍結(jié)管保溫板100 mm100 m2低溫截止閥DN2515個不銹鋼截止閥DN404個

圖4 凍結(jié)孔布置示意圖

因為地層不同，凍土墻的擴展速度一般為80～150 mm/d。凍結(jié)7 d后開始破除洞門進行盾構(gòu)接收，預(yù)計凍結(jié)壁厚度可達1.0 m，凍土平均溫度為-15 ℃。

3.2 施工工藝

3.2.1 工藝要求

1)工藝參數(shù)。根據(jù)彈性薄板計算理論及施工經(jīng)驗，選取液氮凍結(jié)加固工藝參數(shù)如表4所示。

表4 液氮凍結(jié)工藝參數(shù)

2)凍結(jié)孔質(zhì)量。凍結(jié)孔偏斜率控制在0.5%以內(nèi)，孔位偏差小于1 cm。

3)凍結(jié)孔鉆進與凍結(jié)器安裝。鉆孔過程中應(yīng)保證足夠的凍結(jié)孔鉆進深度和鉆孔垂直度，鉆進后需掃孔。凍結(jié)管焊縫不能存在氣孔、裂紋。凍結(jié)管管口安裝堵頭，保持管內(nèi)清潔。

4)凍結(jié)孔成孔質(zhì)量檢測。每根凍結(jié)孔成孔后應(yīng)對成孔質(zhì)量進行檢測，包括凍結(jié)孔密閉性試驗和鉆孔垂直度檢測。主要采用燈光測斜法測垂直度，將照明裝置捆綁在PVC管上慢慢放入凍結(jié)孔底部，采用經(jīng)緯儀測量凍結(jié)孔深度和垂直度偏差，并采用滑動式垂直測斜儀進行復核測量。分析凍結(jié)孔終孔間距，若終孔間距過大，則需根據(jù)實際情況進行補孔。

3.2.2 凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝與調(diào)試

1)液氮供液管安裝。供液管主要采用焊接安裝。

2)液氮管路安裝。每1組串聯(lián)2個凍結(jié)管，管路用低溫液氮閥門控制，并用不銹鋼軟管連接。所有液氮管路裹纏保溫泡沫板，防止能量散失。每組回路進、出口處安裝測溫裝置。

3)液氮測溫點設(shè)置。溫度控制是液氮凍結(jié)的核心，凍結(jié)管出口溫度一般不高于-60 ℃，不低于-80 ℃；壓力控制在50～100 kPa。液氮儲存罐出口溫度一般不高于-150 ℃，不低于-170 ℃[24]；壓力控制在300～500 kPa。

4)調(diào)試與試運行。凍結(jié)系統(tǒng)安裝完成后，進行系統(tǒng)調(diào)試和試運行。試運行期間，每天需要記錄液氮的流量和溫度，檢查凍土壁的形成情況，并及時對運行參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。

3.2.3 液氮凍結(jié)施工

凍結(jié)施工時，液氮槽車將液氮經(jīng)干管輸送到工作面，再由回路排氣管排出。液氮凍結(jié)分為積極凍結(jié)與維護凍結(jié)2個階段。積極凍結(jié)期間，每天如實記錄測溫孔的溫度，并分析凍結(jié)壁的發(fā)育程度。當凍結(jié)壁達到設(shè)計溫度和厚度后，即可進入維護凍結(jié)階段。

根據(jù)施工經(jīng)驗，積極凍結(jié)期間需液氮約1.5 t/m3，維護凍結(jié)期間需液氮約50 t/d[25]。

3.2.4 拔管施工

拔管共分2次完成。當盾構(gòu)機掘進至凍土墻前0.3～0.5 m時，拔除刀盤切削范圍內(nèi)的凍結(jié)管；當盾構(gòu)機穿過凍結(jié)區(qū)域后拔管時，拔出所有凍結(jié)管。低溫狀態(tài)下，鋼管韌性下降，容易脆裂，拔管時尤其要注意。

3.3 風險分析及主要處理措施

凍結(jié)法施工時，因受施工人員、環(huán)境因素等影響，可能出現(xiàn)凍結(jié)管焊縫開裂、液氮泄露、凍結(jié)管折斷、刀盤凍住、液氮停供等意外情況，給施工帶來一定風險，需要在現(xiàn)場采取緊急處理措施，保障施工順利進行。

1)初次注入液氮時，要使液氮以氣體形式進入凍結(jié)系統(tǒng)管路，維持3～5 h的預(yù)冷時間，凍結(jié)管之間應(yīng)用不銹鋼軟管連接，避免焊縫開裂。

2)若因凍結(jié)管開裂造成液氮泄露，應(yīng)立即停止液氮注入，并及時修復滲漏點，防止液氮濃度急劇升高，將人員凍傷。

3)拔管時，若不慎將凍結(jié)管折斷，應(yīng)及時使用鉆機套取施工。

4)盾構(gòu)機穿越凍結(jié)區(qū)時，刀盤必須保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)，保持連續(xù)作業(yè)，否則刀盤極易凍住[26]。一旦刀盤凍住，應(yīng)該立即啟動刀盤脫困模式。

5)定期測量儲罐內(nèi)的液氮液位，根據(jù)液氮剩余量和單位時間的消耗量，制訂科學合理的液氮供應(yīng)計劃，避免液氮斷供。

4 盾構(gòu)水中接收

為確保盾構(gòu)接收工作順利進行，在端頭液氮垂直凍結(jié)加固基礎(chǔ)上，增加盾構(gòu)水中接收方案，形成雙保險。在大楊莊站接收端頭井內(nèi)事先回填水和砂漿的混合物，然后盾構(gòu)機突破接收洞門鋼環(huán)，進入接收井。盾構(gòu)水中接收流程如圖5所示。

4.1 施工要點

盾構(gòu)水中接收前，應(yīng)做好施作水平探孔，設(shè)置擋水墻，設(shè)臨時板支撐，安裝排注水系統(tǒng)等施工準備。

1)水平探孔。盾構(gòu)接收前，在洞門范圍內(nèi)設(shè)置水平探孔，檢測端頭加固效果，尤其是洞門底靠近砂卵石層范圍內(nèi)的加固效果，必須進行加密檢測。

2)擋水墻。擋水墻的作用是將接收井與車站的主體結(jié)構(gòu)隔離開來，使之成為相對獨立的功能單元。擋水墻厚度為600 mm，水平鋼筋與側(cè)墻通過植筋連接， 植筋與側(cè)墻豎向鋼筋通過L形鋼筋焊接，豎向鋼筋通過植筋與臨時板、地下1層中板連接。擋水墻有足夠的防水性能，并且可以抵擋接收井內(nèi)填料和盾構(gòu)推進時共同產(chǎn)生的壓力。

3)臨時板支撐。大楊莊車站是換乘車站(R1線盾構(gòu)接收在預(yù)留濟南地鐵最新4號線上一層)，為保證此次水中盾構(gòu)機接收的安全性，須對R1線接收層臨時底板進行底板下架設(shè)鋼管支架和澆筑混凝土支撐柱支護。

圖5 盾構(gòu)水中接收流程

4)盾構(gòu)接收基座與水泥砂漿的結(jié)合使用。考慮后期盾構(gòu)拆解的需要，使用鋼制接收基座，并將基座填埋至強度等級為M5(28 d標準養(yǎng)護后的抗壓強度為5 MPa)水泥砂漿中。安裝時，接收基座中心軸線水平坐標等同于盾構(gòu)機接收時預(yù)定的水平坐標(即洞門垂直中心線水平坐標)，接收基座的高程坐標略小于盾構(gòu)機接收時預(yù)定的高程坐標。為了使盾構(gòu)機順利“爬上”盾構(gòu)接收基礎(chǔ)，并提供盾構(gòu)接收段管片拼裝反力，接收基座設(shè)置3%～5%的坡度(近洞門端略低)。

5)注排水系統(tǒng)。當盾構(gòu)機刀盤到達里程YK32+472.950時，開始往接收井內(nèi)注水，水源主要為基坑降水，供水量約為600 m3/h。當盾構(gòu)機刀盤到達里程YK32+495.750時，立即封堵洞門，然后啟動2臺30 kW污水泵排水，排水量約為400 m3/h。

盾構(gòu)水中接收過程的控制要點如表5所示。

表5 盾構(gòu)水中接收過程控制要點

4.2 注意事項

1)擋水墻內(nèi)首次注水應(yīng)分次進行，每次高度不超過2 m，觀察時間不小于2 h。

2)盾構(gòu)機在砂漿墊層中掘進時，掘進速度不宜過快，避免盾構(gòu)機產(chǎn)生劇烈震動，造成姿態(tài)難以控制。

3)最后8環(huán)管片完成拼裝后，及時采用型鋼束緊，避免管片環(huán)縫過大，后期發(fā)生滲水、隧道變形等質(zhì)量問題。

4)接收段應(yīng)嚴格落實管片螺栓3次復緊工作，提升管片拼裝質(zhì)量。

5)洞門密封鋼絲繩應(yīng)預(yù)留足夠余量，并將倒鏈固定在洞門上部可以操作的位置。

6)盾構(gòu)掘進施工中，同步注漿漿液采用水泥砂漿，初凝時間較短，強度高；盾尾通過加固區(qū)后，需及時進行水泥、水玻璃雙液回填封堵。

4.3 風險分析及主要處理措施

盾構(gòu)水中接收過程中，應(yīng)密切關(guān)注擋水墻的狀況、洞門涌水涌沙情況和接收端頭管線沉降監(jiān)測情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即按照風險預(yù)案要求，劃分風險等級，進行風險響應(yīng)。

1)擋水墻大量滲漏水。若發(fā)生涌水，在地下3層安裝排水泵，及時排水。可利用回填黏土或埋管封堵滲漏點。

2)擋水墻傾覆。盾構(gòu)水中推進時，控制總推力和推進速度，避免將推力傳遞至擋水墻上。擋水墻內(nèi)側(cè)采取一定的支持措施，提高其水平受力能力。

3)盾尾密封失效，盾構(gòu)內(nèi)部涌水。盾構(gòu)接收階段，主動增加盾尾油脂注入量和注入壓力，提升盾尾密封效果。盾尾脫離簾布后，迅速組織洞門封堵和抽排水工作，減少盾尾在水中浸泡的時間，若發(fā)生滲漏水需及時進行抽排，同時降低蓄水池液位，注入盾尾油脂。

4)管線沉降。盾構(gòu)接收施工過程中，務(wù)必做好管線沉降監(jiān)測工作，一旦發(fā)生管線沉降，應(yīng)立即停止掘進，并迅速調(diào)整水池液位，實現(xiàn)水土平衡。組織人員在地面引孔注漿，阻止地面和管線進一步沉降。

5 結(jié)論

1)液氮垂直凍結(jié)與水中接收綜合技術(shù)在濟南R1號線土壓平衡盾構(gòu)機接收施工中，能夠有效降低地層損失率，地表沉降滿足3 mm沉降要求。液氮垂直凍結(jié)形成承載力強、止水性好的凍結(jié)壁，提升了接收端頭的自穩(wěn)能力；盾構(gòu)接收井內(nèi)泥漿平衡了地下水，降低了涌水涌沙概率。

2)盾構(gòu)接收過程中，根據(jù)盾構(gòu)機位置里程動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)，統(tǒng)籌洞門破除、降水井降水、接收井注排水、同步注漿及二次補漿、液氮凍結(jié)、凍結(jié)管拔除、洞門封堵等各施工環(huán)節(jié)，是盾構(gòu)機接收工作成功的關(guān)鍵。持續(xù)有效的施工監(jiān)測及合理可行的施工應(yīng)急措施是盾構(gòu)機接收工作成功的保障。

3)本次盾構(gòu)接收綜合技術(shù)是在復雜工況條件下對原方案的改進，實施費用較高，其中液氮垂直凍結(jié)費用占比60%～70%。類似情況施工時，建議應(yīng)提前進行地質(zhì)補勘，減少不必要的重復施工。可在接收洞門范圍內(nèi)采用玻璃纖維筋，減少洞門破除工序，降低施工安全風險。另外，建議優(yōu)化地下連續(xù)墻槽段設(shè)計，將工字鋼連接點設(shè)置在洞門范圍外，或者調(diào)整地下連續(xù)墻接頭工藝，發(fā)揮地下連續(xù)墻最大圍蔽作用，在保證施工安全的前提下，控制施工成本，節(jié)省工程投資。