封閉環(huán)境下凍結(jié)法輔助鋼套筒盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究*

高 瑞，岳紅波，梁 聰，劉媛瑩，燕 曉，梅 源

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

盾構(gòu)始發(fā)及接收是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系周圍建筑物的安全和整個(gè)施工過(guò)程的安全,同時(shí)，此階段使施工過(guò)程中也最易出現(xiàn)問(wèn)題，如何在施工中采取合理措施，以避免危險(xiǎn)事故發(fā)生，是值得注意的問(wèn)題。

凍結(jié)法在我國(guó)隧道盾構(gòu)施工中應(yīng)用較廣泛，尤其是在富水地層中的應(yīng)用，但單一凍結(jié)法已不能滿足施工需要。盾構(gòu)的始發(fā)和接收是富水軟弱地層盾構(gòu)施工的重大風(fēng)險(xiǎn)事件之一。凍結(jié)法及鋼套筒法盾構(gòu)接收出洞技術(shù)雖均有工程應(yīng)用，但環(huán)境安全控制效果無(wú)法滿足富水砂層和粉砂層地區(qū)的施工要求。因此，在富水砂層或粉砂層中采用凍結(jié)法聯(lián)合鋼套筒盾構(gòu)接收或始發(fā)技術(shù)可成為解決富水砂層盾構(gòu)接收和始發(fā)時(shí)環(huán)境安全控制的有效途徑。

1 工程概況

本工程位于蘇州地鐵5號(hào)線竹園路站—塔園路站，竹園路站西端頭井位于濱河路以西現(xiàn)有市政道路竹園路下方，距竹園路與濱河路交叉口130m左右，西端頭井內(nèi)為地下3層結(jié)構(gòu)，地面標(biāo)高約3.800m，盾構(gòu)中心埋深約21.3m，洞口直徑6.7m，盾構(gòu)接收范圍內(nèi)分布的土層主要為粉砂夾粉土、粉質(zhì)黏土層，該土層為軟弱富含水土層，盾構(gòu)進(jìn)出洞有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。西端頭井洞門加固影響范圍內(nèi)無(wú)重要建(構(gòu))筑物，地面位置及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 竹園路站周邊環(huán)境示意

2 工程特性分析

1)盾構(gòu)的始發(fā)井、接收井及掉頭空間為既有車站 竹園路站西端頭為盾構(gòu)接收(左線)及始發(fā)(右線)井，車站為地下3層3跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。車站采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，站臺(tái)層內(nèi)襯厚1 000mm，端頭井寬25 200mm，長(zhǎng)12 600mm，西端頭地下2層板下翻梁與地下3層底板凈空為7 200mm，西端頭為盾構(gòu)掉頭井，盾構(gòu)掉頭后組裝始發(fā)。始發(fā)井左、右線地下1，2層板上均已預(yù)留5m×4m吊裝口，用于盾構(gòu)機(jī)掉頭、接收、始發(fā)所需配件材料及鋼套筒、反力架下井組裝。

2)盾構(gòu)進(jìn)出洞處土體為軟弱含水土層 盾構(gòu)出洞處距京杭大運(yùn)河500m左右，如圖2所示，土體為軟弱含水土層，具有較大的漏水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。若不提前加固處理，極易塌方或水土流失，造成地面塌陷，甚至使盾構(gòu)失去控制。

圖2 竹園路站與京杭大運(yùn)河位置關(guān)系

3)地面沉降較難控制 蘇州地區(qū)廣泛分布松散第四紀(jì)沉積物，地下水資源開采利用強(qiáng)度較大，抽汲地下水使第四紀(jì)土層固結(jié)壓縮所導(dǎo)致的地面沉降較嚴(yán)重。地面沉降地質(zhì)災(zāi)害具有易發(fā)性、緩變性和累積性等特點(diǎn)，地面沉降及其引起不均勻沉降長(zhǎng)期積累，會(huì)危害建(構(gòu))筑物自身安全。

3 技術(shù)原理

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)原理

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，將鋼管打入地層，然后將低溫鹽水導(dǎo)入鋼管進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使地層中的水結(jié)成冰塊形成凍土帷幕，將天然巖土變?yōu)閮鐾粒黾悠鋸?qiáng)度和穩(wěn)定性，不僅可承受四周的水土壓力,還能隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，可在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。凍結(jié)壁是一種臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)形成后，停止凍結(jié)，凍結(jié)壁融化，凍結(jié)法加固如圖3所示。

圖3 凍結(jié)法加固示意

3.2 鋼套筒應(yīng)用原理

采用鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)或接收，實(shí)質(zhì)上是將地層環(huán)境延長(zhǎng)至地表自然空間，使盾構(gòu)離開隧洞時(shí)隧道結(jié)構(gòu)已處于完成狀態(tài)，以化解隧道洞口的坍塌風(fēng)險(xiǎn)。從盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)具有更高的安全性與穩(wěn)定性。在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前借助具有密閉性的鋼套筒創(chuàng)造穿越土層過(guò)程所承受的壓力環(huán)境，避免破除洞門前發(fā)生涌水涌砂，確保整個(gè)作業(yè)過(guò)程具有極高的安全性。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 杯形水平凍結(jié)法端頭加固

受竹園路站西端頭地面場(chǎng)地條件限制，常規(guī)端頭加固方式如旋噴樁加固法、深層攪拌樁加固法、注漿加固法、旋挖素混凝土法等均不能滿足加固要求，迫切需更節(jié)約場(chǎng)地的加固方式，最終選用凍結(jié)加固法。

4.1.1凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

洞門采用水平凍結(jié)加固技術(shù)，結(jié)合蘇州地區(qū)凍結(jié)加固經(jīng)驗(yàn)，凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)取值為：?jiǎn)屋S抗壓4.0MPa，抗折2.0MPa，抗剪1.8MPa(-10℃)。凍結(jié)加固采用杯形凍結(jié)壁，杯底厚3m，杯壁高4m，厚2m，如圖4所示。

圖4 凍結(jié)帷幕示意

4.1.2凍結(jié)孔施工

鉆孔施工工序?yàn)椋憾ㄎ婚_孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測(cè)量→封閉孔底部→打壓試驗(yàn)。孔口管密封裝置如圖5所示。

圖5 孔口管密封裝置示意

4.2 鋼套筒輔助盾構(gòu)接收及始發(fā)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收需通過(guò)吊裝井將鋼套筒從地面下放到地下，但由于本工程在特殊密閉環(huán)境下進(jìn)行，封閉段地面管線及交通已恢復(fù)，地面無(wú)任何吊裝作業(yè)條件，傳統(tǒng)的鋼套筒結(jié)構(gòu)及施工方法不能滿足該工況要求，施工難度較大。因此，對(duì)鋼套筒結(jié)構(gòu)及組裝方法進(jìn)行了改良研究，鋼套筒結(jié)構(gòu)及組裝方法主要包括：與洞門鋼環(huán)固定連接過(guò)渡環(huán)、過(guò)渡環(huán)背離洞門鋼環(huán)一側(cè)固定設(shè)置依次排列的若干節(jié)筒體、相鄰?fù)搀w間密封連接，筒體背離過(guò)渡環(huán)一側(cè)設(shè)后端蓋、后端蓋一側(cè)設(shè)斜撐、筒體下方設(shè)底座，且底座與筒體的第4環(huán)片固定連接等，如圖6所示。通過(guò)改良鋼套筒設(shè)計(jì)，方便了鋼套筒安拆及吊裝，降低了鋼套筒施工風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 鋼套筒輔助盾構(gòu)接收示意

一般地鐵車站在底板澆筑混凝土?xí)r，在底板上預(yù)埋鋼板，待盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)，將反力架斜撐直接焊接在預(yù)埋鋼板上，為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)提供反力。但在實(shí)際操作中，因施工單位不同、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間不同，會(huì)出現(xiàn)底板鋼板未預(yù)埋情況，從而影響施工，且底板鋼板位置固定會(huì)導(dǎo)致施工具有一定局限性。本工程通過(guò)研究一種反力架斜撐與混凝土的連接固定裝置解決了上述難題。裝置包括盾構(gòu)機(jī)末端連接反力架，反力架通過(guò)撐桿與主體結(jié)構(gòu)底板固定，且主體底板上設(shè)混凝土底板并在表面開孔，孔內(nèi)通過(guò)植筋膠固定圓鋼，圓鋼上端固定鋼板，鋼板厚度等于圓鋼伸出混凝土底板的長(zhǎng)度，鋼板上預(yù)先開設(shè)與圓鋼對(duì)應(yīng)的通孔，圓鋼頂端伸入通孔內(nèi)與鋼板滿焊固定，鋼板與斜撐桿底端滿焊固定。通過(guò)改良始發(fā)反力架設(shè)計(jì)，以提供一種使用靈活、操作簡(jiǎn)單、斜撐底部設(shè)定位置自由、可適用于多種型號(hào)盾構(gòu)機(jī)的反力架斜撐與混凝土連接固定裝置。

4.3 富水粉砂地層盾構(gòu)接收與始發(fā)洞門密封

目前采用鋼套筒進(jìn)行盾構(gòu)接收及始發(fā)工藝在洞門密封施工中仍存在諸多問(wèn)題，如洞門無(wú)專門的密封裝置，僅依靠注漿進(jìn)行填充止水，該技術(shù)止水措施單一，且受注漿效果的影響較大，漿液配合比不合適或施工人員疏忽導(dǎo)致注漿效果差，將會(huì)造成較大的漏水漏砂安全隱患。同時(shí)，現(xiàn)有的始發(fā)及接收洞門密封依靠折頁(yè)翻板壓緊簾布橡膠板的方式進(jìn)行堵水，簾布橡膠板與管片之間存在較大間隙，不能達(dá)到徹底密封效果，盾構(gòu)在始發(fā)或接收過(guò)程中仍存在漏水漏砂風(fēng)險(xiǎn)，且該密封裝置后期需拆除，存在嚴(yán)重安全隱患。

鑒于前述原因，為確保工程安全進(jìn)行，對(duì)富水粉砂地層盾構(gòu)接收與始發(fā)洞門密封技術(shù)展開研究，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于盾構(gòu)始發(fā)和接收的隧道洞門密封方法與安全結(jié)構(gòu)對(duì)隧道洞門進(jìn)行徹底密封，密封裝置包括預(yù)埋有塑性鋼環(huán)刷的洞門鋼環(huán)及位于預(yù)埋洞門鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的環(huán)形拼裝混凝土管片，以解決傳統(tǒng)圓環(huán)板、折頁(yè)翻板和簾布橡膠板結(jié)構(gòu)密封不徹底的問(wèn)題。

4.4 全封閉地鐵車站盾構(gòu)機(jī)暗掉頭施工

在主體結(jié)構(gòu)已完工的封閉車站內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)掉頭，施工過(guò)程控制難度大。鑒于此，通過(guò)歸納總結(jié)盾構(gòu)機(jī)可掉頭的車站結(jié)構(gòu)、限制條件及通用施工步驟，強(qiáng)化施工過(guò)程，推導(dǎo)框架結(jié)構(gòu)車站內(nèi)盾構(gòu)掉頭可行性相關(guān)公式，研究一種用于盾構(gòu)臺(tái)車掉頭平移的輔助輪盤系統(tǒng)和千斤頂反力支座，以解決現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)臺(tái)車在車站內(nèi)掉頭平移裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、狹小空間內(nèi)定向移動(dòng)操作難度大、工作效率較低的技術(shù)問(wèn)題。輔助輪盤系統(tǒng)主要包括承重平臺(tái)、支撐梁及行走機(jī)構(gòu)(見圖7)，其中，承重平臺(tái)固定設(shè)置在支撐梁上方，用于承載盾構(gòu)臺(tái)車，行走機(jī)構(gòu)安裝在支撐梁下方。千斤頂反力支座由千斤頂卡槽、活動(dòng)鉸及支座組成，其中，千斤頂卡槽用于固定千斤頂，活動(dòng)鉸的一端與千斤頂卡槽固定連接，另一端與支座固定連接，活動(dòng)鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線豎向設(shè)置，支座固定設(shè)置在地面上。

圖7 千斤頂反力支座示意

5 凍結(jié)法施工過(guò)程數(shù)值模擬與分析

5.1 模型建立

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用有限元軟件ABAQUS對(duì)凍結(jié)法施工進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)蘇州地鐵5號(hào)線竹園路站人工凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，考慮凍結(jié)溫度場(chǎng)的影響范圍，按工程實(shí)際建立三維數(shù)值模型，模型整體尺寸為40m×20m×40m。隧道縱向及豎直方向各取20m和40m，隧道中心與兩側(cè)邊界距離相等。不同溫度下粗砂層的相關(guān)參數(shù)如表1所示。所建幾何模型如圖8所示。

表1 不同溫度下粗砂層的相關(guān)參數(shù)

圖8 杯形凍結(jié)土體、擬挖除土體及襯砌相對(duì)位置

本模型選用完全熱-力耦合數(shù)值模擬。凍結(jié)法施工中，由于土體中水分凍結(jié)成冰的作用，在不同負(fù)溫下，土體會(huì)有不同的彈性模量和泊松比。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

土體位移結(jié)果如圖9所示。積極凍結(jié)期，地表凍脹位移約17mm，在安全范圍35mm內(nèi)。由于計(jì)算模型所采取的假定等原因，計(jì)算結(jié)果偏保守，凍脹土體的實(shí)際位移值應(yīng)小于計(jì)算值，因此凍結(jié)方案安全可行。

圖9 積極凍結(jié)期模型中心縱剖面最終地層位移云圖

6 結(jié)語(yǔ)

1)設(shè)計(jì)了一種適用于多種型號(hào)盾構(gòu)機(jī)的反力架斜撐與混凝土連接固定裝置，解決了因施工單位不同、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間不同導(dǎo)致的底板鋼板未預(yù)埋問(wèn)題。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，研究一種基于盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收的隧道洞門密封裝置，有效解決了在采用鋼套筒進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收過(guò)程中的隧道洞門密封安全問(wèn)題。

2)通過(guò)研究用于盾構(gòu)機(jī)掉頭平移的千斤頂反力支座和輔助輪盤系統(tǒng)，解決了盾構(gòu)機(jī)在狹小空間內(nèi)掉頭平移裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定向移動(dòng)難度大、工作效率較低的技術(shù)問(wèn)題；同時(shí)，能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在非工作狀態(tài)下移動(dòng)到所需位置，有效提高了工作效率。