盾構“液氮冷凍加固+鋼套筒”始發冷凍區脫困技術

楊永強，武金城

(1.中鐵一局集團有限公司，陜西 西安 710054；2.中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無錫 214104)

近年來，在復雜地質和施工環境條件下，采用盾構鋼套筒始發工法與冷凍法加固端頭地層相組合的方法，大大降低了涌水涌砂、地面沉降過大等施工風險。但盾構鋼套筒始發工法在凍結體始發時，由于盾構機處于鋼套筒中，遇到盾構機被凍住時的脫困難度較大。

結合某地鐵隧道工程盾構“液氮冷凍加固+鋼套筒”始發的施工案例，采用型鋼將盾構機與車站底板連接固定以提供反力，通過盾構鉸接回縮，使盾構刀盤后退并脫離開挖面，刀盤后退一定距離后轉動刀盤，成功實現了冷凍體內刀盤快速脫困。

1 工程概況

某地鐵6號線三堡站—曇花庵站盾構區間長1 103m， 盾構隧道管片外徑6 200mm，管片厚350mm。盾構從曇花庵站端頭始發，始發端隧道埋深14.1m，地下水位位于地面以下1.77m，盾構穿越砂粉土等地層，地下水較豐富；始發端頭有電力管廊等建(構)筑物和給水、雨水、燃氣等地下管線，工程地質條件和施工環境復雜，盾構始發采用鋼套筒始發工法，端頭地層采用液氮凍結加固。

1.1 盾構始發端頭地質情況

根據地質勘察報告，盾構始發端頭主要有雜填土、素填土、砂質粉土、粉質黏土、粉砂等地層，地質斷面如圖1所示，隧道范圍地層物理力學性能指標為：③5砂質粉土含水量24.8%，天然重度19.53kN/m3，固結快剪c為4.9kPa、直剪快剪φ為28.9kPa，地基承載力特征值140kPa，滲透系數Kh(水平)為937×10-6cm/s、Kv(垂直)為392.23×10-6cm/s；③7砂質粉土含水量29%，天然重度19.34kN/m3，固結快剪c為6.9kPa、直剪快剪φ為22.6 kPa，地基承載力特征值100kPa，滲透系數Kh(水平)為244.48×10-6cm/s、Kv(垂直)為159.18×10-6cm/s。

圖1 盾構始發端頭地層

1.2 始發端頭地層液氮凍結加固設計

盾構始發端頭地層采用垂直液氮凍結加固，如圖2所示。

圖2 盾構始發端頭冷凍設計

1)垂直液氮冷凍板塊有效厚度為2.2m，凍結區寬11.2m，高度為隧道上、下各3m范圍，凍結管長23.211m；凍結壁設計平均溫度≤-15℃。單洞設置2口應急降水井。

單洞門設計采用A，B 2排共計27個凍結孔，A排14個、B排13個，A排孔距槽壁0.5m，排間距0.9m，A排1～2號孔間距0.7m、2～14號孔間距0.8m，B排孔間距均為0.8m。凍結管采用φ108×5 R304不銹鋼管，供液管規格采用φ40×3 R304不銹鋼管。

2)在凍結區域布置5個垂直測溫孔，監測凍結壁厚度、平均溫度、開挖面溫度等。測溫管采用φ89×8 不銹鋼管。

1.3 鋼套筒始發工法

在盾構始發工作井內安裝鋼套筒，如圖3所示，將鋼套筒與洞門鋼環進行密封連接，在鋼套筒內組裝盾構機，盾構機尾部負環管片與鋼套筒尾部始發基準環緊密連接，向鋼套筒與盾構、負環管片間充填砂土，并在鋼套筒后部設置反力架，實現盾構在鋼套筒內始發，保證盾構始發階段開挖面和倉壓穩定。

圖3 盾構鋼套筒始發工法

1.4 盾構機主要參數

施工采用的是1臺面板輻條式盾構機，刀盤直徑6 400mm日本小松盾構，盾構機主要參數為：主機長度8.68m，最大推力37 730kN，開挖直徑6 440mm， 鉸接形式為主動鉸接，額定扭矩5 813kN·m， 切刀90把、高140mm，撕裂刀86把、高160mm。盾構機刀盤如圖4所示。

圖4 盾構機刀盤

2 施工中遇到的問題及原因分析

盾構端頭地層液氮凍結8d，凍結加固體溫度-25℃， 滿足設計要求，盾構始發各項準備工作完成，滿足始發條件后進行盾構始發作業，盾構掘進完-3環時，刀盤進入液氮冷凍加固土體1.26m，盾尾處于鋼套筒內，由于發生了盾構控制系統故障導致刀盤停止轉動，故障處理40min，之后轉動刀盤時，刀盤扭矩急劇增加，而刀盤無法轉動，盾構機停止掘進，停機位置剖面如圖5所示。

圖5 盾構機停機位置剖面

盾構在穿越凍結體時出現被凍住現象，大多發生在盾構始發階段，盾構機需負載調試，易出現由于設備故障等原因導致盾構停機情況。

盾構凍結體中掘進時需保持刀盤轉動以防凍住，同時采取維持凍結防止開挖面凍融坍塌，但當盾構停機刀盤停止轉動一定時間后，刀盤面板、刀具與開挖面凍結土體間的水土被逐漸凍結，同時由于掘進狀態下刀盤上的刀具切入凍結土體，刀盤啟動時扭矩增大，大于盾構機脫困扭矩時，刀盤被困住，需采取盾構脫困措施。

3 盾構脫困方案

3.1 方案比選

由于采用液氮凍結，凍結土體溫度低、強度高，盾構脫困難度較大，常規方法耗時長，長時間停機風險大，因此，盾構脫困方案選擇時應以不損壞盾構機、管片和鋼套筒，減少脫困時間為原則。

對主動解凍脫困和通過鉸接后退刀盤脫困2種方案進行比選研究。

1)方案1(主動解凍脫困方案) 通過向土倉內注入高溫鹽水和加注高溫蒸汽，使土倉內升溫，融化開挖面與刀盤冷凍面，實現刀盤脫困。通過主動加熱解凍可解除刀盤與凍結體間的凍結約束，但由于液氮凍結溫度低(-25℃)，采用加熱解凍需要的時間長且不可控，高溫可能會對盾構主軸密封等造成損壞，長時間停機和鹽水置換過程等還可能造成開挖面局部不穩定的安全風險。

2)方案2(后退刀盤脫困方案) 先將盾構機與車站底板采用型鋼連接固定，如圖6所示，提供盾構后退的反力，再通過盾構機鉸接裝置使盾構機前盾和刀盤回縮，使盾構機刀盤后退并脫離開挖面，實現刀盤脫困。通過對盾構前盾和刀盤施加向后的拉力將刀盤與凍結土體拉開脫離，需采取措施穩定盾構機、管片和鋼套筒，并提供盾構后退的反力，該方案盾構脫困時間較短，開挖面失穩等風險較小。

圖6 盾構機與車站底板型鋼連接固定示意

通過分析比較，方案2具有較明顯優勢，本次盾構脫困采用方案2。

3.2 方案設計

3.2.1盾構機后退所需拉力估算

由常規盾構始發可知，使盾構機在托架上移動需采用2臺100t千斤頂實現，本次是將盾構機前端及刀盤縮回，并非將整臺盾構機后退，所以在無約束情況下，200t滿足回拖要求，但考慮到刀盤同冷凍體掌子面的黏結力及周邊土體對盾構的約束，最終確定回縮力按整臺盾構機回拖力的2倍考慮，設計回拖力按4 000kN設定。盾構同車站底板的連接材料拉伸值按≤1cm設計，便于精準確定回拖量。

3.2.2盾構機與車站底板拉結固定設計

采用6根HW200×200 H型鋼將盾構機與車站底板拉結固定，如圖7所示，H型鋼一端與盾構機中盾的法蘭支撐構件焊接連接固定，另一端與車站底板上設置的鋼板底座焊接連接固定，為盾構后退提供反力支撐，同時防止盾尾后退和管片位移。

圖7 盾構機與車站底板型鋼拉結固定示意

拉結材料為Q235a ，采用HW200×200 H型鋼，截面積63.53cm2，單根長12m，型鋼端面與預加工200mm×230mm鋼板焊接，考慮焊縫質量等影響，安全系數取1.5。

1)型鋼抗拉強度驗算 單根H型鋼抗拉強度為21.5×63.53=1 365.9kN，6根H型鋼理論抗拉強度1 365.9×6=8 195.4kN，考慮安全系數后6根H型鋼抗拉強度為8 195.4÷1.5=5 463.6kN=546.36t> 400t，滿足要求。

2)型鋼變形量驗算 6根H型鋼共計拉力4 000kN， 單根拉力667kN，單根長12m，彈性模量為2.1×107N/cm2，截面積為63.53cm2。

3)焊縫強度驗算 本次焊接要求焊縫寬度8mm，型鋼與預加工200mm×230mm鋼板雙面焊接，單根焊縫總長度1 200mm；鋼板與法蘭面及支座單面焊接，單塊鋼板焊接長度為630mm，Q235-A鋼的焊縫許用拉應力為167MPa，取焊縫最薄弱處(鋼板與法蘭面及支座焊接處)進行拉力計算：63×0.8×1 670×6=505 008kg=505t≥400t，滿足要求。

經驗算，錨固鋼筋抗剪強度、底板混凝土抗壓強度等均能滿足要求。

4 盾構凍結加固區脫困施工方法

4.1 方案實施流程

鋼套筒及反力架加固→采用鉸接油缸使中盾后部及盾尾后退一定距離→中盾及盾尾固定→收縮鉸接，拖動前盾及刀盤后退→脫困完成，恢復掘進。

4.2 鋼套筒及反力架加固

1)對鋼套筒底座橫向支撐，兩側采用雙拼[20支撐加固，如圖8所示，防止鋼套筒變形；并采用φ16鋼絲繩對鋼套筒進行拉結加固，鋼絲繩底部與車站結構拉結牢固。

圖8 鋼套筒加固示意

2)對反力架頂部和底部采取加密支撐措施，防止反力架發生位移及扭轉。

4.3 中盾后部及盾尾后退

1)安裝負環管片固定裝置將負環管片與鋼套筒進行加固 如圖9所示，在負環管片每個吊裝孔安裝球閥，并采用沖擊鉆將吊裝孔后部管片混凝土打穿，插入固定鋼筋頂至鋼套筒內邊，在球閥內塞入隔水膠泥，并采用隔水鋼墊片將球閥端口與固定鋼筋焊接牢固，防止管片發生位移和滲漏。對脫出盾尾的每個負環管片進行加固。

圖9 負環管片固定裝置位置

2)確定盾構機后退距離 本工程所采用的盾構機刀盤、刀具主要以切刀和撕裂刀為主，切刀高140mm，撕裂刀高160mm，刀盤被困主要是因為刀盤與開挖面間的土體凍結形成整體，而刀具插入凍結土體中造成阻力大，導致刀盤扭矩過大，需使刀具從冷凍土體中退出，才能降低刀盤扭矩。結合刀具高度，確定本次脫困將刀具退回160mm，即需將盾構機后退160mm，使刀具前端脫離開挖面。

3)中盾后部及盾尾后退 在脫出盾尾管片固定完成后，將盾構推進油缸全部回縮160mm，之后啟動盾構機主動鉸接油缸，將主動鉸接油缸向后伸出160mm，且推進油缸再次接觸到盾尾內管片時停止鉸接油缸伸出，確保盾構前盾和刀盤后退時鉸接油缸有足夠的回縮空間。

4.4 中盾及盾尾固定

1)施作車站底板型鋼固定底座 將3 500mm×2 200mm鋼板(厚度t=30mm)采用18根φ50圓鋼與車站結構底板錨固，圓鋼錨入底板500mm，并與鋼板穿孔塞焊，形成底板固定底座。

2)盾構機與車站底板拉結固定 采用6根HW200×200H型鋼(Q235a)，一端用200mm×230mm鋼板(t=20mm)與型鋼截面焊接后，與盾構機中盾后部法蘭面焊接連接牢固，如圖10所示；另一端與車站底板上設置的固定底座焊接牢固，如圖7所示，底板支座迎盾構側采用I20斜撐加固，并在H型鋼與底部鋼板間采用鋼板或型鋼加固連接。

圖10 H型鋼與盾構機中盾法蘭連接示意

3)每間隔1.2m，采用[20將其連接成整體，如圖7所示，并與兩側負環管片吊裝孔固定裝置連接牢固。

4.5 收縮鉸接，拖動前盾及刀盤后退

1)為保證盾構前盾及刀盤在回縮過程中不損壞盾構與車站底板連接裝置，在鉸接回縮前，對鉸接回縮力與回拖油壓進行換算，確定最大允許回拖油壓值。

2)通過盾構鉸接油缸的自由控制伸縮功能，對盾構機各組分區油缸分別進行20mm以內的伸縮微活動，使刀盤、刀具與冷凍土體連接面有一定的松動，同時使盾體與周邊土體產生一定的松動。

3)采用盾構機鉸接逐級增加拉力的方式進行回拖，最大拉力4 000kN，首次回拖采用1 000kN進行，再每級增加500kN進行回拖，直到拖動盾構機前部，且每回拖20mm進行1次刀盤啟動，直至盾構機刀盤轉動。根據確定的最大允許回拖油壓值，逐級對鉸接油缸加壓回縮，在回縮過程中當達到最大允許回拖油壓值，盾體不再向后回縮時，停止回縮，盾構各組鉸接油缸分別伸縮，讓盾構進行伸縮活動，減小盾構后退阻力，然后再進行回縮，通過反復的盾體活動和回縮，使盾構刀盤與凍結土體脫離，并逐漸達到確定的160mm的后退距離。

4.6 盾構恢復掘進

1)盾構刀盤后退160mm后，啟動盾構刀盤，進行刀盤正反轉，刀盤轉動逐漸靈活；然后根據設定的盾構掘進參數，采用盾構推進油缸逐漸加力，使盾構機恢復掘進。

2)盾構恢復掘進后應控制掘進速度，避免因貫入度過大導致刀盤再次被困。

3)盾構恢復正常始發施工后，拆除盾構與車站底板間的型鋼連接。

4)在盾構穿越液氮凍結體施工過程中保持刀盤轉動，并應加強盾構機維護保養，確保機況良好，防止發生因盾構停機造成其被困事故。

5 結語

本工程案例中，采用鋼套筒始發工法進行盾構始發，盾構液氮凍結體中脫困歷時僅3d時間，過程順利，快速、安全、高效。

結合地鐵盾構隧道施工實踐，針對復雜地質條件和施工環境下采用“液氮冷凍加固+鋼套筒”盾構始發施工中遇到的盾構被凍住難題，研究采用型鋼將盾構機與車站底板連接固定，以提供盾構鉸接回縮反力，通過鉸接使刀盤后退脫離開挖面并后退一定距離，進行轉動刀盤脫困的方法，實現盾構刀盤在液氮凍結體中快速脫困，施工風險低，提高了施工效率；采取盾構機、鋼套筒和管片加固等施工措施，保證了盾構脫困方案實施過程中的設備安全和工程質量。

鉸接后退刀盤脫困方法取得了良好效果，但對防止在液氮凍結體中盾構被凍住的措施還有待進一步研究與完善。