封閉環境下凍結法輔助鋼套筒盾構施工關鍵技術研究*

高 瑞，岳紅波，梁 聰，劉媛瑩，燕 曉，梅 源

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

0 引言

盾構始發及接收是盾構施工的關鍵環節，直接關系周圍建筑物的安全和整個施工過程的安全,同時，此階段使施工過程中也最易出現問題，如何在施工中采取合理措施，以避免危險事故發生，是值得注意的問題。

凍結法在我國隧道盾構施工中應用較廣泛，尤其是在富水地層中的應用，但單一凍結法已不能滿足施工需要。盾構的始發和接收是富水軟弱地層盾構施工的重大風險事件之一。凍結法及鋼套筒法盾構接收出洞技術雖均有工程應用，但環境安全控制效果無法滿足富水砂層和粉砂層地區的施工要求。因此，在富水砂層或粉砂層中采用凍結法聯合鋼套筒盾構接收或始發技術可成為解決富水砂層盾構接收和始發時環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，西端頭井內為地下3層結構，地面標高約3.800m，盾構中心埋深約21.3m，洞口直徑6.7m，盾構接收范圍內分布的土層主要為粉砂夾粉土、粉質黏土層，該土層為軟弱富含水土層，盾構進出洞有涌水涌砂風險。西端頭井洞門加固影響范圍內無重要建(構)筑物，地面位置及周邊環境如圖1所示。

圖1 竹園路站周邊環境示意

2 工程特性分析

1)盾構的始發井、接收井及掉頭空間為既有車站 竹園路站西端頭為盾構接收(左線)及始發(右線)井，車站為地下3層3跨現澆鋼筋混凝土結構。車站采用復合墻結構，站臺層內襯厚1 000mm，端頭井寬25 200mm，長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，西端頭為盾構掉頭井，盾構掉頭后組裝始發。始發井左、右線地下1，2層板上均已預留5m×4m吊裝口，用于盾構機掉頭、接收、始發所需配件材料及鋼套筒、反力架下井組裝。

2)盾構進出洞處土體為軟弱含水土層 盾構出洞處距京杭大運河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險。若不提前加固處理，極易塌方或水土流失，造成地面塌陷，甚至使盾構失去控制。

圖2 竹園路站與京杭大運河位置關系

3)地面沉降較難控制 蘇州地區廣泛分布松散第四紀沉積物，地下水資源開采利用強度較大，抽汲地下水使第四紀土層固結壓縮所導致的地面沉降較嚴重。地面沉降地質災害具有易發性、緩變性和累積性等特點，地面沉降及其引起不均勻沉降長期積累，會危害建(構)筑物自身安全。

3 技術原理

3.1 凍結設計原理

凍結法是利用人工制冷技術，將鋼管打入地層，然后將低溫鹽水導入鋼管進行循環流動，使地層中的水結成冰塊形成凍土帷幕，將天然巖土變為凍土，增加其強度和穩定性，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系，可在凍結壁的保護下進行地下工程掘砌施工。其實質是利用人工制冷臨時改變巖土性質以固結地層。凍結壁是一種臨時支護結構，支護形成后，停止凍結，凍結壁融化，凍結法加固如圖3所示。

圖3 凍結法加固示意

3.2 鋼套筒應用原理

采用鋼套筒盾構始發或接收，實質上是將地層環境延長至地表自然空間，使盾構離開隧洞時隧道結構已處于完成狀態，以化解隧道洞口的坍塌風險。從盾構始發技術的實際應用情況來看，鋼套筒盾構始發技術比傳統盾構始發技術具有更高的安全性與穩定性。在盾構機始發前借助具有密閉性的鋼套筒創造穿越土層過程所承受的壓力環境，避免破除洞門前發生涌水涌砂，確保整個作業過程具有極高的安全性。

4 施工關鍵技術

4.1 杯形水平凍結法端頭加固

受竹園路站西端頭地面場地條件限制，常規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，迫切需更節約場地的加固方式，最終選用凍結加固法。

4.1.1凍結帷幕設計

洞門采用水平凍結加固技術，結合蘇州地區凍結加固經驗，凍土強度的設計指標取值為：單軸抗壓4.0MPa，抗折2.0MPa，抗剪1.8MPa(-10℃)。凍結加固采用杯形凍結壁，杯底厚3m，杯壁高4m，厚2m，如圖4所示。

圖4 凍結帷幕示意

4.1.2凍結孔施工

鉆孔施工工序為：定位開孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。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 鋼套筒輔助盾構接收及始發

盾構機始發及接收需通過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境下進行，封閉段地面管線及交通已恢復，地面無任何吊裝作業條件，傳統的鋼套筒結構及施工方法不能滿足該工況要求，施工難度較大。因此，對鋼套筒結構及組裝方法進行了改良研究，鋼套筒結構及組裝方法主要包括：與洞門鋼環固定連接過渡環、過渡環背離洞門鋼環一側固定設置依次排列的若干節筒體、相鄰筒體間密封連接，筒體背離過渡環一側設后端蓋、后端蓋一側設斜撐、筒體下方設底座，且底座與筒體的第4環片固定連接等，如圖6所示。通過改良鋼套筒設計，方便了鋼套筒安拆及吊裝，降低了鋼套筒施工風險。

圖6 鋼套筒輔助盾構接收示意

一般地鐵車站在底板澆筑混凝土時，在底板上預埋鋼板，待盾構機始發時，將反力架斜撐直接焊接在預埋鋼板上，為盾構機推進提供反力。但在實際操作中，因施工單位不同、進場時間不同，會出現底板鋼板未預埋情況，從而影響施工，且底板鋼板位置固定會導致施工具有一定局限性。本工程通過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。裝置包括盾構機末端連接反力架，反力架通過撐桿與主體結構底板固定，且主體底板上設混凝土底板并在表面開孔，孔內通過植筋膠固定圓鋼，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度，鋼板上預先開設與圓鋼對應的通孔，圓鋼頂端伸入通孔內與鋼板滿焊固定，鋼板與斜撐桿底端滿焊固定。通過改良始發反力架設計，以提供一種使用靈活、操作簡單、斜撐底部設定位置自由、可適用于多種型號盾構機的反力架斜撐與混凝土連接固定裝置。

4.3 富水粉砂地層盾構接收與始發洞門密封

目前采用鋼套筒進行盾構接收及始發工藝在洞門密封施工中仍存在諸多問題，如洞門無專門的密封裝置，僅依靠注漿進行填充止水，該技術止水措施單一，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致注漿效果差，將會造成較大的漏水漏砂安全隱患。同時，現有的始發及接收洞門密封依靠折頁翻板壓緊簾布橡膠板的方式進行堵水，簾布橡膠板與管片之間存在較大間隙，不能達到徹底密封效果，盾構在始發或接收過程中仍存在漏水漏砂風險，且該密封裝置后期需拆除，存在嚴重安全隱患。

鑒于前述原因，為確保工程安全進行，對富水粉砂地層盾構接收與始發洞門密封技術展開研究，針對現有技術的不足，基于盾構始發和接收的隧道洞門密封方法與安全結構對隧道洞門進行徹底密封，密封裝置包括預埋有塑性鋼環刷的洞門鋼環及位于預埋洞門鋼環內側的環形拼裝混凝土管片，以解決傳統圓環板、折頁翻板和簾布橡膠板結構密封不徹底的問題。

4.4 全封閉地鐵車站盾構機暗掉頭施工

在主體結構已完工的封閉車站內進行盾構掉頭，施工過程控制難度大。鑒于此，通過歸納總結盾構機可掉頭的車站結構、限制條件及通用施工步驟，強化施工過程，推導框架結構車站內盾構掉頭可行性相關公式，研究一種用于盾構臺車掉頭平移的輔助輪盤系統和千斤頂反力支座，以解決現有技術中盾構臺車在車站內掉頭平移裝置結構復雜、狹小空間內定向移動操作難度大、工作效率較低的技術問題。輔助輪盤系統主要包括承重平臺、支撐梁及行走機構(見圖7)，其中，承重平臺固定設置在支撐梁上方，用于承載盾構臺車，行走機構安裝在支撐梁下方。千斤頂反力支座由千斤頂卡槽、活動鉸及支座組成，其中，千斤頂卡槽用于固定千斤頂，活動鉸的一端與千斤頂卡槽固定連接，另一端與支座固定連接，活動鉸的轉動軸線豎向設置，支座固定設置在地面上。

圖7 千斤頂反力支座示意

5 凍結法施工過程數值模擬與分析

5.1 模型建立

基于實測數據利用有限元軟件ABAQUS對凍結法施工進行數值分析，根據蘇州地鐵5號線竹園路站人工凍結設計方案，考慮凍結溫度場的影響范圍，按工程實際建立三維數值模型，模型整體尺寸為40m×20m×40m。隧道縱向及豎直方向各取20m和40m，隧道中心與兩側邊界距離相等。不同溫度下粗砂層的相關參數如表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參數

圖8 杯形凍結土體、擬挖除土體及襯砌相對位置

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

5.2 計算結果分析

土體位移結果如圖9所示。積極凍結期，地表凍脹位移約17mm，在安全范圍35mm內。由于計算模型所采取的假定等原因，計算結果偏保守，凍脹土體的實際位移值應小于計算值，因此凍結方案安全可行。

圖9 積極凍結期模型中心縱剖面最終地層位移云圖

6 結語

1)設計了一種適用于多種型號盾構機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、進場時間不同導致的底板鋼板未預埋問題。針對現有技術不足，研究一種基于盾構機始發及接收的隧道洞門密封裝置，有效解決了在采用鋼套筒進行盾構機始發及接收過程中的隧道洞門密封安全問題。

2)通過研究用于盾構機掉頭平移的千斤頂反力支座和輔助輪盤系統，解決了盾構機在狹小空間內掉頭平移裝置結構復雜、定向移動難度大、工作效率較低的技術問題；同時，能實現盾構機在非工作狀態下移動到所需位置，有效提高了工作效率。