蘇州地鐵5號線榭葑區(qū)間水平冷凍+鋼套筒接收施工技術

桂建軍

摘 ?要：隨著城市地鐵不斷發(fā)展，盾構(gòu)接收施工過程中受場地限制、周邊環(huán)境復雜、管線密集、端頭地質(zhì)條件差、埋深大、地層水位高影響越來越普遍。施工單位必須采取新技術、新工法克服以上難題。尤其復雜環(huán)境、粉土夾粉砂地層中盾構(gòu)接收時極易發(fā)生涌水、涌砂事故，是盾構(gòu)施工中重大風險源之一。本文以蘇州市軌道交通5號線榭雨街站～葑亭大道站（中間風井）區(qū)間盾構(gòu)工程實例，針對端頭場地有限、周邊環(huán)境復雜、管線密集、端頭地質(zhì)條件差、埋深大、水位高等特點，對盾構(gòu)接收施工過程中端頭水平冷凍加固+鋼套筒接收關鍵技術進行了詳細論述。總結(jié)了水平冷凍+鋼套筒接收前準備工作、施工過程中各工序銜接、總結(jié)了大埋深、富水含砂地層中鋼套筒接收關鍵技術，有效的避免了接收過程中涌水、涌砂的風險，切實保證了盾構(gòu)安全接收。

關鍵詞：復雜環(huán)境;粉土夾粉砂;盾構(gòu)接收;水平冷凍;鋼套筒接收

1、工程概況

1.1區(qū)間工程概況

榭雨街站～葑亭大道站區(qū)間（中間風井）從榭雨街站出發(fā)后，沿沈滸路向東前進，過星華街后轉(zhuǎn)向北，后在婁江支流下穿越，過蘇虹東路后略轉(zhuǎn)向東，下穿婁江、312國道后接至中間風井。沿途側(cè)穿中環(huán)下立交樁基、新涇橋、小唯亭橋等建構(gòu)筑物，并下穿諸多管線。本區(qū)間右線設計起訖里程：YDK38+701.370～YDK40+399.908，右線隧道全長1698.538m;左線起訖里程：ZDK38+701.368～ZDK40+399.381，短鏈20.651m，左線隧道全長1677.361m;1#聯(lián)絡通道設置在YDK39+220.000（ZDK39+202.324），2#聯(lián)絡通道及泵站設置在YDK39+808.750（ZDK39+786.649）。

1.2接收端頭水文地質(zhì)情況

地質(zhì)情況：中間風井端頭區(qū)間隧道穿越④2層灰色粉砂、⑤1層灰色粉質(zhì)粘土、⑤3層灰色粉質(zhì)粘土;中間風井接收端頭區(qū)間隧道范圍內(nèi)約有1/2斷面為粉砂層，透水性極強。

中間風井端頭地下水主要為松散巖類的潛水、微承壓水、承壓水，微承壓水主要賦存于第③/3層砂質(zhì)粉土及④2層灰色粉砂中。承壓水賦存于第⑦/2a層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦/2層粉砂中。

1.3端頭周邊環(huán)境情況

榭雨街站～葑亭大道站盾構(gòu)區(qū)間（中間風井）接收端頭，車站結(jié)構(gòu)為地下3層，目前主體結(jié)構(gòu)已封頂。車站結(jié)構(gòu)深度23.75m。周邊50m范圍內(nèi)有婁江與木沉巷河連通，婁江江面寬40m左右，深度約4.5m，淤泥層厚度約3m左右，流量極大，周邊水系復雜，地下水豐富。

榭葑區(qū)間中間風井端頭因位于312國道北側(cè)，312國道車流量極大、常年有大量重型車輛頻繁通過。榭葑區(qū)間中間風井端頭外側(cè)為寬度2m、深度2m的水溝渠，水溝渠與小唯亭橋下河流相通。水溝渠靠近312國道一側(cè)，有一排一萬伏高壓電力管線。

1.4盾構(gòu)接收過程中風險分析

榭雨街站～葑亭大道站盾構(gòu)區(qū)間（中間風井）接收端頭具有場地有限、周邊環(huán)境復雜、管線密集、端頭地質(zhì)條件差、埋深大、地層水位高等諸多惡劣條件。根據(jù)榭葑區(qū)間中間風井端頭周邊環(huán)境情況可知：如突發(fā)意外情況，根據(jù)現(xiàn)場周邊環(huán)境情況，現(xiàn)場端頭不具備搶險條件。根據(jù)周邊環(huán)境和端頭地質(zhì)情況如（G312國道、婁江、高壓電力管、三層接收車站、區(qū)間隧道約有1/2為砂層等），一旦發(fā)生意外突發(fā)情況，社會危害及社會影響均較大。

2、端頭水平冷凍+鋼套筒接收總體設計

2.1端頭水平冷凍加固

榭雨街站～葑亭大道站（中間風井端頭）區(qū)間，中間風井接收設計加固采用“杯形”凍結(jié)壁進行土體加固，每個洞門各布置水平凍結(jié)孔57根，布置測溫孔8個，洞門水平凍結(jié)設計凍結(jié)壁有效厚度為“杯底”3.0m，“杯壁”長度為4.0m，杯壁凍結(jié)壁有效厚度1.6m，凍結(jié)壁設計平均溫度為不高于-10℃;設計取凍土單軸抗壓強度為2.93MPa，彎折強度1.8MPa，直剪強度1.5MPa（-10℃）。

每個洞門各布置水平凍結(jié)孔57根，布置測溫孔8個;

W1-W32：深度6m、規(guī)格Φ89*10mm

Z1-Z16：深度4m、規(guī)格Φ89*10mm

N1-N9：深度4m、規(guī)格Φ89*10

T1-T5：深度5.5m、規(guī)格Φ89*8mm

T6-T8：深度3.6m、規(guī)格Φ32*3mm

2.2鋼套筒接收總體設計

接收鋼套筒是一端開口的桶狀結(jié)構(gòu)，整個鋼套筒結(jié)構(gòu)由過渡環(huán)、筒體、后端蓋板、反力架和前后左右支撐等部分組成，鋼套筒過渡環(huán)與洞門鋼環(huán)之間采用焊接形式連接。整個鋼套筒總長為11460mm（含裝配成型的橡膠密封板），直徑（內(nèi)徑）6950mm，外直徑7190mm。

3、盾構(gòu)水平冷凍+鋼套筒關鍵技術

3.1接收前準備工作

1、冷凍效果評價及洞門鑿除

（1）冷凍效果評價

凍結(jié)時間為35天，具體時間可根據(jù)實際測溫情況及凍結(jié)效果而定。2）設計最低鹽水溫度為-28～-30℃;3）凍結(jié)壁設計平均溫度不高于-10～-15℃;4）凍結(jié)壁設計有效厚度3m;5）凍結(jié)孔單孔鹽水流量為5m?/h。當平均溫度達到-10℃以下時可認為冷凍滿足要求。

（2）探孔施工

在盾構(gòu)接收洞門施工9個探孔，呈米字型分布，探明凍結(jié)狀況，確保沒有涌砂、涌水現(xiàn)象，滿足要求后方可進行洞門鑿除作業(yè)。

（3）洞門鑿除

在鋼套筒試壓完畢、底部砂漿基座施工完畢之后通過節(jié)點驗收會后即可進行洞門鑿除，洞門鑿除預計需要7天～10天時間。洞門采用人工風鎬的方法鑿除，在鑿除過程中應分層漸進。

2、接收井底板及結(jié)構(gòu)要求

（1）根據(jù)對接收井底板及洞門中心標高進行實測，洞門中心至底板的高度為3.75m，鋼套筒中心至底板的高度要求為3.7m，高差滿足鋼套筒安裝精度要求;

（2）確保盾構(gòu)接收井底板平整，底板混凝土面高差控制在±5mm，防止因底板標高偏差過大引發(fā)鋼套筒受力不均;

（3）盾構(gòu)接收井主體具備接收條件后，項目部應組織測量人員對盾構(gòu)接收井主體進行復測，測定實際偏差量，為盾構(gòu)接收提供數(shù)據(jù)支持;

主要復測項目包括：盾構(gòu)接收井底板標高、洞門中心標高、標準段底板標高、標準段側(cè)墻凈空、中板底標高、中隔墻位置等;

根據(jù)洞門實際中心進行測量放樣，精確定位鋼套筒安裝位置。

3.2冷凍加固情況

1、冷凍加固情況：

盾構(gòu)接收端頭采用冷凍加固，從 2019年6月16日開機至7月20日，凍結(jié)運轉(zhuǎn)了35天，各設備運轉(zhuǎn)良好。清水系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)工作正常。

2、冷凍35天結(jié)論：

凍結(jié)35天時，杯壁處的凍結(jié)壁的厚度為1.96米，凍土平均溫度為-10.7℃;杯底處的凍結(jié)壁的厚度為3.2米，凍土平均溫度為-12.4℃;符合設計要求（設計要求杯壁凍結(jié)壁厚為1.6m，杯底凍結(jié)壁厚為3.0m;杯壁凍結(jié)壁、杯底凍結(jié)壁設計平均溫度均小于-10℃），滿足施工需要。

3、盾構(gòu)接收冷凍加固標準：

（1）凍結(jié)7天鹽水溫度降至-15℃以下，凍結(jié)15天鹽水溫度降至-24℃以下且積極凍結(jié)時間為35天，鹽水去回路溫差不大于2℃，均達到設計要求。

（2）各測溫孔溫度要降到一定數(shù)值，從而推算出凍土墻的厚度和平均溫度達到設計要求。

（3）通過打探孔確認探孔內(nèi)均無泥水流出，土體堅硬，探孔內(nèi)土體溫度降到一定數(shù)值。

3.3盾構(gòu)到達接收安全技術保證措施

盾構(gòu)水平冷凍+鋼套筒接收關鍵技術推進段分為4個階段，?盾構(gòu)機停機維保階段→?盾構(gòu)機穿越冷凍區(qū)前掘進階段→?盾構(gòu)穿越冷凍區(qū)掘進→④進入鋼套筒段掘進。

3.3.1盾構(gòu)機停機維保階段

盾構(gòu)機刀盤里程掘進至盾構(gòu)機顯示里程YDK40+384.952時（1392環(huán)拼裝完成后暫停掘進），盾構(gòu)機暫時停機，整機維修保養(yǎng)，此時盾構(gòu)機刀盤距離冷凍加固體距離為9.904m。

①測量控制（接收井測點復核、洞門鋼環(huán)的復測、聯(lián)系測量最后100環(huán)停機測量）

②盾構(gòu)姿態(tài)控制：水平姿態(tài)控制在實測洞門中心±10mm 內(nèi)，豎直姿態(tài)控制在比實測洞門中心標高高 15～20mm。

③同時做好進洞準備工作：澆筑鋼套筒基礎、安裝鋼套筒、檢查鋼套筒的承載能力及密封性能、鋼套筒內(nèi)洞門鑿除排架搭設、探孔打設等并召開盾構(gòu)進洞條件驗收會;

④洞門鑿除前一天，澆筑M10砂漿基座。

⑤驗收通過后，進行第一次洞門鑿除（第一次洞門鑿除包含第一層混凝土即外側(cè)混凝土保護層、第一層鋼筋、中間層混凝土）;第一次洞門鑿除完成后，馬上組織人員割除第二層鋼筋，整個洞門鑿除都在鋼套筒內(nèi)進行，通過鋼套筒內(nèi)預留通道，將鑿除的混凝土及鋼筋運出。洞門鑿除完畢后，在洞門鋼環(huán)上設置兩道3mm厚花紋鋼板環(huán)板，兩道鋼板間填充海綿，在盾體進洞門過程中擋泥擋水。另外洞門圈內(nèi)預埋開孔注漿管，并引至鋼套筒過渡環(huán)外側(cè)，方便后期注漿。待第二層鋼筋割除完成后，拔除洞門圈內(nèi)水平凍結(jié)管（及時采用快干水泥封堵），圈外持續(xù)冷凍。冷凍管拔出后立即對鋼套筒進行填土、砂水施工。

3.3.2盾構(gòu)機穿越冷凍區(qū)前掘進階段

第1393環(huán)（YDK40+386.154）～1400環(huán)（YDK40+394.568）盾構(gòu)在進冷凍加固體前的掘進，嚴禁開啟超挖刀，按照正常參數(shù)掘進，防止盾構(gòu)機刀盤過于貼近冷凍體，受凍卡死，故在掘進過程中需注意以下事項：

①土倉壓力保持0.24Mpa以上推進，以阻擋地層水壓力，防止土倉涌入地層水，螺旋機噴涌。

②推進速度控制在3cm/min，不宜過大，否則扭矩增大，影響加固體整體性。

③加密端頭監(jiān)測頻率，及時反饋沉降數(shù)據(jù)，指導施工參數(shù)調(diào)整。

④管片拼裝過程中，刀盤開啟0.3rpm旋轉(zhuǎn)，防止凍結(jié)。

⑤同步注漿量控制在5m?（注漿率180%）

⑥掘進完成第1400環(huán)后，從管片1397環(huán)往小里程方向，連續(xù)5環(huán)，進行整環(huán)環(huán)箍施工，封堵后方來水。

3.3.3盾構(gòu)穿越冷凍區(qū)掘進

待洞門破除完畢，鋼套筒填充完畢，再啟動盾構(gòu)機。當盾構(gòu)機刀盤進入加固體時，此時要嚴格控制注漿孔位置和注漿壓力、注漿量。

在第1401環(huán)～1404環(huán)的推進過程中盾構(gòu)在冷凍加固體中掘進，當?shù)侗P切口里程為YDK40+399.736，盾構(gòu)機刀盤脫離冷凍加固區(qū)，進入鋼套筒回填土區(qū)域，需要注意以下事項：

①推進過程中嚴格控制推進速度和總推力，避免進貫入度過大引起的刀盤被卡。推進速度在1～2cm/min為宜，推力<800t。在刀盤轉(zhuǎn)動過程中土倉內(nèi)及刀盤前加注泡沫改良土體，控制刀盤扭矩不超過3000KN.m。

②嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)，特別是盾構(gòu)切口的姿態(tài)，控制目標為水平±15mm，垂直+10～+20之間。

③在原洞門預埋環(huán)板的基礎上，鋼套筒與預埋環(huán)板之間設一過渡連接板（厚度為24mm），洞門剛環(huán)與過渡連接板采用燒焊連接，鋼套筒的法蘭端與過渡連接板采用M24*65（8.8級）螺栓連接。洞門剛環(huán)與過渡連接板全部密貼后將過渡連接板滿焊在洞門剛環(huán)上。

④控制盾尾間隙，保證盾尾間隙的均勻，必要時安裝轉(zhuǎn)彎環(huán)管片進行調(diào)節(jié)。

⑤嚴格控制切口的土壓力，正常出土，土壓逐漸降至0.18Mpa。

⑥推進過程連續(xù)均勻，均衡施工，保證土倉內(nèi)一定土壓，防止出空土倉盾構(gòu)機抬頭上浮。

⑦推進過程中加強盾尾油脂的壓注，防止盾尾漏漿，同步注漿量控制在4.5m?（160%）。

⑧從1401環(huán)開始按照業(yè)主文件要求，接收后10環(huán)處安排增設注漿孔管片，每環(huán)增開10個注漿孔;從管片上預留的注漿孔向管片外側(cè)注雙液漿，及時施做環(huán)箍，有效封堵開挖土體與管片外殼之間滲漏通道。

⑨嚴格控制二次注漿孔位和注漿壓力、注漿量，既要保證環(huán)箍的質(zhì)量，又要防止盾尾刷擊穿。

3.3.4進入鋼套筒段掘進

（1）第1405環(huán)掘進

鋼環(huán)處兩道3mm厚花紋鋼板環(huán)板，兩道鋼板間填充海綿，兩道花紋鋼板環(huán)板焊接里程YDK40+399.356，掘進至該里程前20cm，刀盤停止轉(zhuǎn)動向前推進，至刀盤全部通過花紋鋼板后區(qū)域。若刀盤停止轉(zhuǎn)動無法向前推進時，經(jīng)項目部同意后可開啟刀盤轉(zhuǎn)動。

（2）第1406環(huán)～1411環(huán)掘進

第1406環(huán)～1411環(huán)掘進時，盾構(gòu)機在鋼套筒內(nèi)掘進，推進速度10 ～20mm/min，盾構(gòu)機推力800t以內(nèi)，扭矩1500KN.m以內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.25r/min以內(nèi)，上部土壓按正常土壓，注漿量根據(jù)現(xiàn)場實際情況及地表監(jiān)測情況而定，過程中進行4次環(huán)箍注漿。

①第1408環(huán)

盾構(gòu)機掘進里程至YDK40+404.544，第1408環(huán)拼裝完成后，進行第一次環(huán)箍注漿，對1402環(huán)、1403環(huán)、1404環(huán)、1405環(huán)多孔管片按環(huán)逐環(huán)逐孔進行注漿，其中1402環(huán)、1404環(huán)注入雙液漿、1403環(huán)、1405環(huán)注單液漿，對漏水通道進行封堵.

②盾構(gòu)機掘進里程至YDK40+405.746，第1409環(huán)拼裝完成后，進行第二次環(huán)箍注漿，對1406環(huán)、1407環(huán)多孔管片按環(huán)逐環(huán)逐孔進行注漿，其中1406環(huán)注雙液漿、1407環(huán)注入單液漿，對漏水通道進行封堵。

③盾構(gòu)機掘進里程至YDK40+406.948，第1410環(huán)拼裝完成后，進行第三次環(huán)箍注漿，對1408環(huán)多孔管片按環(huán)逐環(huán)逐孔進行注漿，采用雙液漿進行，對漏水通道進行封堵。

④盾構(gòu)機掘進里程至YDK40+408.15，第1411環(huán)拼裝完成后，進行第四次環(huán)箍注漿，對1409環(huán)多孔管片按環(huán)逐環(huán)逐孔進行二次注漿，采用水泥漿注漿，對漏水通道進行封堵。第1411環(huán)為區(qū)間隧道最后一環(huán)，管片端部及背部均設置預埋鋼板。

（3）增加一環(huán)負環(huán)施工（1412環(huán)）

為保證區(qū)間管片和地連墻之間縫隙通過二次注漿填充飽滿，起到對漏水通道進行封堵效果，特增加一環(huán)負環(huán)（1412環(huán)），對1410環(huán)多孔管片按環(huán)逐環(huán)逐孔進行二次注漿，對漏水通道進行封堵。

3.4盾構(gòu)鋼套筒接收關鍵控制點

3.4.1水平凍結(jié)管拔除

①水平冷凍管拔除要分兩次進行，在鋼套筒試壓完成后，洞門進行第一次洞門鑿除（第一次洞門鑿除包含第一層混凝土即外側(cè)混凝土保護層、第一層鋼筋、中間層混凝土），第二層鋼筋割除完成后，拔除內(nèi)圈冷凍管，水平凍結(jié)外圈冷凍管割除在盾構(gòu)接收完成后，盾構(gòu)接收期間維持凍結(jié)。冷凍管從后端蓋的預留逃生孔運出。

②凍結(jié)管拔除必須按操作照流程施工，防止斷管等事故發(fā)生。

3.4.2洞門結(jié)構(gòu)的加強措施

盾構(gòu)機車站內(nèi)鋼套筒接收到達成功與否的關鍵因素就是鋼筒位移和保壓控制，特別是如何確保鋼套筒過渡環(huán)與洞門預埋鋼環(huán)連接密閉、洞門預埋鋼環(huán)與車站內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)錨固鋼筋焊接牢固。因此洞門接口周邊的檢查、施工后續(xù)措施是否完善是施工過程風險控制的重中之重。

3.4.3盾構(gòu)機掘進穿越地下連續(xù)墻及進入鋼套筒施工

鋼套筒安裝精度和質(zhì)量成為新技術成功與否的外在關鍵控制因素，盾構(gòu)機掘進穿越連續(xù)墻和洞門鋼環(huán)并進入鋼套筒則是新技術成敗關鍵的內(nèi)在控制因素。應注意以下幾方面內(nèi)容：

①必須按照里程詳細計算盾構(gòu)機掘進環(huán)數(shù)以及根據(jù)經(jīng)驗擬定推進每一環(huán)的施工參數(shù)和出土系統(tǒng)土量控制，確保各項參數(shù)平穩(wěn)推進，原則上盾構(gòu)掘進參數(shù)設置：推速<5mm/min;推力<8000KN，土壓力控制0.18mpa;

②必須控制盾構(gòu)機掘進姿態(tài)，一般采取在盾構(gòu)機到達端頭前50環(huán)開始進行姿態(tài)調(diào)整，保證盾構(gòu)機刀盤以及筒體進入接收鋼套筒過程中的“限界要求”滿足鋼套筒與盾體結(jié)構(gòu)凈空尺寸偏差（注：盾構(gòu)出洞施工姿態(tài)控制應以盾構(gòu)機設計中線、洞門中心坐標和盾構(gòu)機實際掘進中線綜合考慮并做適當調(diào)整）;

3.4.4盾構(gòu)接收過程中施作環(huán)箍、洞門封堵注漿

由于到達端地層為富水砂層，凍結(jié)加固體在推進過程中易碎裂產(chǎn)生裂縫形成水砂通道，因此盾構(gòu)掘進過程中的注漿控制尤為重要，本工程靠近洞門設計了10環(huán)增設注漿孔進行注漿，施作環(huán)箍，阻斷水砂通道，同時填充管片和車站結(jié)構(gòu)之間的空隙，封堵洞門。

注漿時，雙液漿在管片預留注漿孔注入，最高壓注壓力為0.3Mpa，防止?jié){液擊穿盾構(gòu)刷，竄漿進入隧道內(nèi)。實際施工中采用壓注量與壓注壓力進行雙控，多次少量，每孔每次注入控制在200L～400L，待雙液漿凝固后，形成止水塞，封閉隧道縱向滲水通道。注漿完成后2小時，檢查效果，若有水砂流出，繼續(xù)壓注漿液。

4、總結(jié)

針對蘇州5號線榭葑區(qū)間接收因場地限制、周邊環(huán)境復雜、管線密集、端頭地質(zhì)條件差、埋深大、地層水位高影響，采用水平冷凍+鋼套筒接收關鍵技術具體施工過程中需把握以下幾點：

（1）注意冷凍凍結(jié)體交圈時間，冷凍壁擴展速度、凍結(jié)壁厚度及凍結(jié)過程中實際凍結(jié)天數(shù)。

（2）鋼套筒接收過程中防水裝置，在洞門鋼環(huán)上設置兩道3mm厚花紋鋼板環(huán)板，兩道鋼板間填充海綿，在盾體進洞門過程中擋泥擋水。

（3）水平冷凍管拔除時間點要控制到位，第二層鋼筋各處完成后，迅速安排人員拔除內(nèi)圈冷凍管，外圈冷凍管待洞門封堵完成后安排人員拔除。

（4）掘進過程中刀盤連鎖解除，進入第二段推進過程中，管片片拼裝過程中，刀盤開啟0.3rpm旋轉(zhuǎn)，防止凍結(jié)。

（5）拼裝管片采用多孔管片，同步注漿量達到5m?，掘進過程中盾構(gòu)姿態(tài)控制、多道環(huán)箍施工確保后期洞門封堵過程中安全。

（6）洞門封堵過程中，采用邊割邊焊的施工方案，防止意外情況發(fā)生。

通過本方案對水平冷凍+鋼套筒接收關鍵技術各工序之間轉(zhuǎn)換及各階段控制，榭葑區(qū)間得以成功洞通。為以后因場地限制、周邊環(huán)境復雜、管線密集、端頭地質(zhì)條件差、埋深大、地層水位高盾構(gòu)接收提供了實踐經(jīng)驗，因此本技術具有較大的推廣和應用價值。

參考文獻

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