探析地鐵盾構(gòu)隧道海底復(fù)合地層冷凍法加固施工技術(shù)

張子峰

中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司 江蘇 無錫 214105

1 研究的背景及目的

某地鐵工程采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)區(qū)間長度1.4km，隧道覆土厚度約20m，設(shè)置2個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。洞身穿越地層主要有砂層、粉土、全～強(qiáng)風(fēng)化巖層、中～微風(fēng)化巖層，單線硬巖段施工長度長。

區(qū)間盾構(gòu)施工過程中有速度低，推力、扭矩大的現(xiàn)象，經(jīng)查發(fā)現(xiàn)部分刀具、刀箱損壞，需要修復(fù)后方能繼續(xù)施工[1]。本工程盾構(gòu)在海底掘進(jìn)施工，沒有條件施工豎井，無法預(yù)設(shè)換刀點(diǎn)以進(jìn)行預(yù)加固處理。經(jīng)充分討論后，采用海面垂直冷凍結(jié)合盾構(gòu)機(jī)內(nèi)水平冷凍的處理方案，為修復(fù)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀箱提供安全可靠的工作面和施工環(huán)境。

2 海面布設(shè)冷凍孔施工技術(shù)

（1）鉆孔平臺搭設(shè)。鉆孔平臺設(shè)計(jì)為12m×15m，施工便橋長約200m。作業(yè)平臺及施工便橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)，作業(yè)平臺標(biāo)高高出潮水位約2m。

（2）冷凍套管安裝。采用全站儀測量點(diǎn)位，安裝Φ325mm直徑的定位鋼管，采用水平尺測定定位鋼管的垂直度，并復(fù)核其安裝的位置，通過焊接與平臺連接，定位偏差小于10mm。再安裝Φ219mm套管，深入至粉細(xì)砂層，即進(jìn)入海底下8m，安裝完成后復(fù)核套管平面位置和作業(yè)平臺位置，復(fù)核要求后，采用振動錘鉆進(jìn)，鉆進(jìn)到設(shè)計(jì)深度后焊接在平臺上，并固定牢固。

（3）孔位鉆進(jìn)施工。鉆機(jī)使用Φ171mm的鉆頭，鉆進(jìn)過程中要隨時(shí)校核鉆桿的垂直度，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋情況，及時(shí)調(diào)整鉆機(jī)大臂位置，鉆孔位置偏差應(yīng)小于100mm。鉆孔作業(yè)平臺臨海邊緣用設(shè)置鋼質(zhì)圍擋并與平臺焊接牢固，鉆進(jìn)過程中以作業(yè)平臺為泥漿循環(huán)箱，泥漿系統(tǒng)設(shè)置在岸上，通過泥漿泵循環(huán)泥漿。

冷凍管連接采用絲扣相連接，輔以手工焊接，保證管節(jié)同心度和管節(jié)間焊接強(qiáng)度。冷凍管放置到位后要復(fù)測冷凍孔深度，并進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)不合格的冷凍管必須返工處理達(dá)到試驗(yàn)要求后方可使用。

（4）冷凍孔測斜檢測。鉆進(jìn)完成后安裝測斜管，采用燈光法測斜，冷凍孔最大允許偏斜值小于200mm。施工過程中要嚴(yán)格控制冷凍孔的垂直度，若偏差超限，則重新鉆孔，直至孔位符合要求[2]。若測斜無法滿足要求，可進(jìn)行補(bǔ)孔處理，施工方式同上。

（5）安裝冷凍管。冷凍管采用Ф127×5mm的無縫鋼管，提前按照設(shè)計(jì)長度選配管，然后將冷凍管裝入孔中，管間使用外抱箍焊接，要焊接牢固。

（6）冷凍孔深度測量。冷凍管底標(biāo)高以下放的冷凍管長度為準(zhǔn)反算，每下放一根冷凍管，測量好長度并記錄。

3 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)布設(shè)冷凍孔施工技術(shù)

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)自有超前注漿孔布設(shè)情況，在盾構(gòu)機(jī)下方8個(gè)超前注漿孔進(jìn)行水平冷凍。冷凍管密封裝置安裝在超前注漿孔的法蘭上，設(shè)置密封墊片。每個(gè)冷凍孔施工完成后，用鋼板焊接的方式密封法蘭與冷凍管之間的間隙。

鉆機(jī)使用MD-60一臺，泥漿泵采用BW150，采用φ89×8mm冷凍管兼作鉆桿7；管間采用套絲相連接，絲扣擰緊后采用焊接固定牢靠。

在鉆頭部位安制單向閥門，帶水鉆進(jìn)。冷凍管鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高后對單向閥沖洗同時(shí)密封冷凍管端頭部位[3]。鉆進(jìn)過程中及時(shí)監(jiān)測孔偏斜情況，隨時(shí)糾偏，冷凍管安裝到位后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)，確保密封良好。

4 冷凍系統(tǒng)的施工技術(shù)

（1）海面冷凍站。受潮汐作用，地下水位時(shí)有波動，冷凍冰點(diǎn)低等不利影響，計(jì)算得到海面冷凍總需冷量為36.1萬kcal/h。冷凍站設(shè)置在岸邊，冷凍設(shè)備包括冷凍機(jī)組、鹽水箱、配電柜、鹽水泵、冷卻系統(tǒng)（水泵、冷卻塔及水池）等。

（2）洞內(nèi)冷凍站。受潮汐作用，地下水位時(shí)有波動，冷凍冰點(diǎn)低等不利影響，8個(gè)冷凍孔總計(jì)長度為42m[4]。冷凍站設(shè)置于車站底板，采用φ159mm鹽水管路鋪設(shè)至冷凍面，去回管路總長約1100m，冷凍總需冷量為5.5萬kcal/h。冷凍設(shè)備包括冷凍機(jī)組、鹽水箱、配電柜、鹽水泵、冷卻系統(tǒng)（水泵、冷卻塔及水池）等。

（3）其他注意事項(xiàng)。鹽水管路要采用保溫材料進(jìn)行包裹，并通過試運(yùn)行對保溫效果進(jìn)行驗(yàn)證，在冷凍過程中及時(shí)巡查。冷凍加固還需對盾構(gòu)機(jī)保護(hù)，尤其是處于和接近冷凍加固體范圍的盾構(gòu)部位，通過建立泥膜、泥漿置換等方式，做好電氣系統(tǒng)保護(hù)、液壓系統(tǒng)保護(hù)，要避免凍脹對刀盤及主驅(qū)動破壞。

5 結(jié)束語

本文對海面布設(shè)冷凍孔施工技術(shù)、盾構(gòu)機(jī)內(nèi)布設(shè)冷凍孔施工技術(shù)、冷凍系統(tǒng)的施工技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)做出了詳細(xì)的闡述，并在實(shí)際施工中嚴(yán)格落實(shí)有關(guān)要求和施工技術(shù)措施，確保了修復(fù)盾構(gòu)機(jī)前方土體穩(wěn)定牢固，為修復(fù)盾構(gòu)機(jī)刀具、刀箱提供了安全可靠的工作環(huán)境，經(jīng)實(shí)際施工效果檢驗(yàn)，證明了該技術(shù)切實(shí)可行，其設(shè)計(jì)思路及施工經(jīng)驗(yàn)可以為類似地下工程中的應(yīng)用提供參考和借鑒。