凍結加固土壓平衡盾構水下接收技術*

張中勇，邱光明，路林海，武朝軍，王 彪，耿傳政

(1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101； 2.中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308；3.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

盾構法因具有安全性與地層適應性好、對環境影響小、施工快速等優點，已成為城市軌道交通建設常用工法。盾構接收作為隧道施工關鍵環節，在大埋深、高水壓等復雜工況下施工風險較高，盾構進洞過程中常引發洞門涌水、涌砂事故。盾構水下接收技術可有效避免洞門泥水噴涌，提供良好解決方案。葸振東等[1]對超大直徑泥水平衡盾構水下接收技術進行研究，總結端頭加固及洞門止水措施；邢慧堂[2]以南京長江隧道工程為例，提出超大型泥水盾構水中接收三軸攪拌加固、冷凍加固、強降水加固三重措施；賁志江等[3-4]分析了南京地鐵10號線過江隧道垂直凍結施工擋土墻溫度變化規律；徐延召[5]以武漢地鐵2號線為例，研究了盾構水中接收技術。近年來，隨著隧道施工技術的發展，盾構水下接收技術已得到一定應用[6-11]。

1 工程概況

濟南地鐵1號線王大區間(王府莊站—大楊站)含1座中間風井，中間風井至大楊站區間線路長2 033m，盾構沿現狀黨楊路掘進施工，于大楊站接收。大楊站位于經十路與黨楊路、齊魯大道交匯處，呈南北向布置，是1號線與4號線換乘站，1號線位于地下2層，4號線位于地下3層。盾構接收覆土深約10.2m，在接收井下沉1.6m處澆筑承托板，作為盾構接收承托板。盾構接收端上方存在臨時改遷的220kV供電管溝及給水管道，鄰近交通主干道，現場不具備改移條件。設計端頭加固方式為設置三重管高壓旋噴樁、800mm寬C20素混凝土地下連續墻止水帷幕(底部位于隧道結構以下6m)、輔助降水井。三重管高壓旋噴樁長9m，直徑800mm，間距600mm，加固范圍為隧道結構外側上下左右各3m。大楊莊站地下水主要為潛水和承壓水，潛水層水位標高16.830～30.140m，水位埋深11.5～18.3m；承壓含水層水位標高25.200～28.740m，水位埋深5.1～13.7m。

2 加固與接收方案

盾構接收前，在接收端頭上方靠近圍護結構處進行水平探孔取芯，左右線隧道下方均存在一定厚度的承壓含水層，加固體中地下連續墻未能完全隔斷承壓含水層。加固體外側和中部施作1～6號降水井備用，降水井井底標高5.000m，埋深27.0m。降水井運行后，動水位快速穩定至井底位置附近。停止運行4號降水井后作為凈水位觀測井，12h后測得4號降水井水位恢復至接近初始水位。根據接收洞門水平探孔取芯情況，端頭加固區降水井未能將承壓水水位降至隧道中心線下。隧道下部存在較厚砂卵石地層，其透水能力強、水壓大，洞門破除及盾構接收期間易引發洞門涌水、涌砂事故。

本工程采用土壓平衡盾構施工，在高壓旋噴樁加固失效的情況下，刀盤直徑大于殼體直徑。因接收端地質條件復雜，存在富水砂層，高壓旋噴樁加固效果較差，洞門取芯后出現涌砂情況，且地面存在供電管溝，需進行盾構接收方案比選。對比分析普通接收、土中接收、水下接收方案，結果如表1所示。由表1可知，普通接收方案風險高，無法避免洞門破除過程中水、砂從刀盤孔隙中涌出；土中接收方案風險較高，可利用土壓力平衡地下水壓力，但破除洞門時須留出工作面，且破除過程中涌水、涌砂處置較慢；水下接收方案風險低，可利用水壓力平衡地下水壓力，且可通過調節液面高低自由改變水頭壓力，洞門破除過程中可將涌水作為應急注水。

表1 盾構接收方案比選結果

經方案比選，采用盾構水下接收技術，以保證施工安全。采用液氮垂直凍結加固技術形成1道凍結土體帷幕，承載水土壓力，可對洞門進行止水封堵，防止洞門涌水、涌砂。

3 加固與接收技術

3.1 端頭加固

盾構接收前，需對接收井地下連續墻外側一定范圍內的含水層進行加固，增大地層強度，提高地層隔水性，以避免盾構進洞時洞門涌水、涌砂。采用液氮垂直凍結加固技術處理土體，使洞門破除后土體可承載水土壓力，并阻擋地下水攜砂流入接收井，保證洞門安全。根據以往工程經驗，凍結土體帷幕引起的地表凍脹隆起一般≤20mm，可采用地面注漿和洞門水平注漿相結合的方式處理地層融沉，如無重要管線，可自然解凍恢復原貌。凍結管間距根據凍結發展速度(一般為80～150mm/d)確定，宜同時達到交圈，并在兩端設置測溫孔。考慮凍結管與既有地下連續墻的最近距離為300mm，預計凍結7d后凍結壁厚度可達1m，滿足承載水土壓力的要求。

3.2 結構驗算

盾構接收時需驗算承托板、臨時梁、墻承載力，混凝土擋水墻厚600mm。豎向分布鋼筋采用φ28 HRB400，間距150mm，通過植筋與承托板、地下1層中板連接。水平分布鋼筋采用φ20 HRB400，間距150mm，與側墻通過植筋連接，植筋與側墻豎向鋼筋通過L形鋼筋焊接。拉結筋按構造布置，在地下1層中板上澆筑1.6m厚砂漿，為管片拼裝提供反力。盾構接收井平面如圖1所示。

圖1 盾構接收井平面

在承托板下方設置φ48×3.1鋼管滿堂支架，步距為0.6，0.9m。在承托板下方澆筑C40混凝土柱，截面尺寸為1 000mm×700mm(長×寬)，混凝土柱內設置4根φ48×3.1鋼管及橫桿(步距為0.6m)。采用MIDAS Gen軟件建立計算模型，如圖2所示。

圖2 計算模型

計算得到承托板彎矩如圖3所示，由圖3可知，承托板邊緣彎矩較小，中部彎矩較大。計算得到臨時梁彎矩如圖4所示，由圖4可知，臨時梁跨中正彎矩較大，梁端負彎矩較大。

圖3 承托板彎矩云圖(單位：kN·m)

圖4 臨時梁彎矩云圖(單位：kN·m)

在不考慮設置鋼管滿堂支架的情況下，承托板、臨時梁裂縫寬度均約為1.7mm，不滿足要求；當考慮滿堂支架支撐力為110kN/m2時，承托板裂縫寬度約為0.4mm，臨時梁裂縫寬度約為0.25mm，滿足要求。

3.3 盾構水下接收

盾構接收前，通過水平探孔檢驗加固效果，對洞門底部靠近砂卵石地層范圍內的加固效果進行重點檢測，在無水或存在少量滴水的情況下破除洞門。大楊莊站小里程端洞門處地下連續墻厚1m，迎土面(外側)混凝土保護層厚70mm，開挖面(內側)混凝土保護層厚70mm，采用工字形柔性接頭連接地下連續墻。洞門分3次破除，完成地下連續墻止水帷幕施工時進行第1次洞門破除，第2次洞門破除至最外側鋼筋(不切斷)，當盾構刀盤到達凍結土體時切割鋼筋。洞門破除過程中做好施工監測與應急管理工作，發現異常變形或滲漏水現象立即停止破除，并采取一定措施。盾構進入加固區前完成洞門密封結構安裝，密封簾布應具備收緊功能。

垂直凍結、洞門破除及水下接收準備工作完成后，應迅速開展連續盾構掘進施工，并嚴格控制掘進參數，根據實際情況動態調整、優化施工參數，盾構接收端做好同步配合工作。分層分次蓄水，擋水墻內首次注水應分次進行，每次注水高度≤2m，觀察時間≥2h，啟動降水井，開始連續掘進，控制總推力、盾構姿態，減少掌子面凍結壁暴露時間，及時補充水位損失，保持水土平衡，避免涌水、涌砂。盾構通過圍護結構時緩慢轉動刀盤，避免刀盤被卡。盾構通過密封結構時，停止轉動刀盤，通過密封結構后第1次收緊壓板，然后啟動刀盤。

砂漿墊層掘進期間，降低掘進速度，重點控制掘進姿態，避免盾構上揚，及時調整液位。盾尾脫離密封簾布前，停機1次，少量多次注入砂漿，為洞門封堵做好準備。盾尾脫離密封簾布后第2次收緊壓板，并停機進行洞門封堵，隧道內部與洞門外部同時進行封堵。通過抽排水分層降低液位，補充封堵洞門，盾構脫離全部管片后進入拆解階段。

4 結語

1)盾構水下接收技術合理可行，具有安全可靠、對周邊環境影響小等優點，可平衡水土壓力，有效控制地面沉降，保護地下管線。

2)液氮垂直凍結加固技術可使凍結土體有效承載水土壓力，阻擋地下水攜砂流入接收井，保證洞門破除安全。

3)為降低承托板開裂程度，可適當考慮滿堂支架提供支撐力，但須經計算確定。

4)分3次破除洞門，可有效降低地層涌水、涌砂風險。

5)做好施工監測與應急管理工作，發現異常情況立即采取相應措施，以提高施工安全性。