金志超

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101149)

1 工程概況

天津地鐵10號線嶼東城站與2號線嶼東城站為T型換乘，2號線盾構下穿區域為多年前滿堂單重管旋噴樁加固區，但目前加固保留效果不良。嶗山道站～嶼東城站區間下穿正在運營的既有2號線嶼東城站，盾構頂面距離2號線車站底為4.395 m，下穿區域內有多種障礙物，見圖1。

圖1 盾構始發端線路剖面圖(單位：mm)

2 工程地質與水文地質

本區間盾構始發處主要地層為：⑧4粉砂層、⑨2粉質黏土層、⑨3粉土層、⑩1黏土層、3粉土層，接收處主要地層為⑥9淤泥質粉質黏土、⑥21粉質黏土、⑦2粉質黏土、⑧2粉質黏土、⑧3粉土層，區間范圍土層是第一層承壓水含水層。

該試驗場地內表層地下水賦養類型主要是第四系孔隙地層潛水；賦養儲存于第ⅱ系的陸相黏土層中及其以下的在粉砂及粉砂黏土層潛水中的砂質地下水則具有一定承壓性。

第一層微承壓水賦存于第Ⅱ陸相層的⑧3粉土、⑧4粉砂及第Ⅲ陸相層⑨3粉土層中，其中⑧3粉土層、⑧4粉砂在土層呈條狀或帶狀均勻分布；第Ⅲ陸相層⑨3粉土層呈透鏡體狀分布。含量深水層地基厚度0.40～5.20 m，穩定性低水位基層埋深3.64～3.81 m。

3 始發方案確定和工藝流程

通過多次專家論證并結合資源自有情況，最終確定采用水平全斷面凍結+鋼套筒為始發。工藝流程為：水質檢測→凍結孔打設→積極凍結→澆筑墊層→過渡環、安裝反力架→→安裝鋼套筒→安裝鋼套筒下部→一在鋼套筒中填砂→下井并組裝盾構機→安裝鋼套筒上部→安裝預加反力千斤頂→水平層面內探孔→破洞門拼負環→二填砂于鋼套筒內并注漿→、測試密封密閉性→清除凍結管→凍結狀態維持，冷凍效果分析、驗收→盾構始發。

4 水平凍結+鋼套筒始發方案

4.1 水平全斷面凍結技術

4.1.1 水平冷凍設計

盾構機的始發站在水平基層凍結壁的設計中，凍結壁有效結層厚度3.0 m，凍結壁上的平均溫度不得高于-10℃，凍結壁與地下基層連續墻體結界面上的平均溫度不得超過-5℃。設計階段取得冷凍土單向軸抗壓應力強度比值是3.6 MPa，彎折應力強度1.8 MPa，直剪強度1.6 MPa(-10℃)。檢測洞門樣品，取得水樣品并開展洞門檢測，根據洞門檢測的實驗結果分析計算出在凍結區和加固區域范圍內取土體氯離子濃度含量均值為2 220 mg/kg，根據《城市軌道交通凍結法設計施工技術規程》(DB/T 29-251Z—2018)，凍結壁結冰溫度為-1.72℃，確定滿足凍結要求。

凍結管打設施工前，結合鋼套筒及盾構井結構梁設置情況布設凍結孔，避免發生沖突[1]。在往孔內下放凍結管之前先配管，以此確保凍結管同心度。下放完成后使用經緯儀燈光測斜法檢測，接著再次測試凍結孔的深度以及進行打壓試漏。控制凍結孔試漏壓力在0.8～1.0 MPa，穩定30 min壓力無變化或前30 min壓降<0.05 MPa，后15 min不降為試壓合格。安裝好凍結管之后，往凍結管和孔口管的間隙中填塞堵漏材料，使之密封，接著拆除孔口密封裝置。

4.1.2 積極凍結與停止凍結

凍結管散熱系數取250 kcal/(m2·h·℃)，冷量損失系數取1.3，單個洞門所需制冷量為28 410 kcal/h(同時考慮80 m鹽水主管路的損失量)。表1為單個洞門設備配置表。

表1 單個洞門設備配置表

1)根據工程設計積極凍結時間35 d。要求凍結孔單孔流量≥5 m3/h；積極凍結7 d鹽水溫度降至-20℃以下，破洞門時去、回路鹽水溫差≤2℃，鹽水在凍結期間溫度應該相應地下降至-28℃～-30℃。保溫板涂層軟板結構材料使用的是阻燃的導熱彈性泡沫軟質塑料軟板，厚度≥40 mm，導熱系數≤0.04 W/m·k。

2)探孔設置。①“死角”探孔，距離凍圈邊緣350 mm布置，上部布置3個，下部布置5個，探孔規格Φ63 mm，探孔斜向布置，角度25°/-45°，各斜向探孔伸入加固土體≥1.2 m,探孔布置；②洞圈內正面探孔,探孔呈“田”字型合理均與布置，數量不少于9個，探孔規格Φ40～63 mm，探孔伸入土體≥1 m。始發洞門探孔布置圖見圖2。

圖2 始發洞門探孔布置圖(單位：mm)

3)停止凍結。經過測試發現凍結壁溫度和厚度滿足設計要求后，則打開探孔看是否會涌出泥水，如無則拔管始發和接收。如果盾構沒有達到始發和接收位置，可開展維護凍結，不過需注意的是，維護凍結鹽水溫度應低于-25℃。在盾構機重新進行始發和再次接收后，即可暫時停止壓力凍結。

4.2 鋼套筒始發

始發鋼套筒整體長度11.1 m，內徑6.8 m，標準節每段長度2.5 m，與洞門鋼環連接環長度0.5 m，采用分塊制作，每段設計為上下兩個半圓，采用M30高強螺栓連接。

盾構始發鋼套筒采用Q235B鋼材制作，在環梁工作面設置16個液壓千斤頂，16個千斤頂分4組，每組4個，可根據工況分別加力；鋼套筒環向、縱向采用10.9級M33×150高強螺栓連接；鋼套筒縱向接縫、物料門、圓形孔、方形孔處防水采用10 mm厚橡膠墊，環向防水采用鋸齒形密封條，環向密封條處涂抹硅酮膠。

4.2.1 安裝過渡環

認真測量洞門上預埋A板的實際平整度，并據此制定過渡環，利用焊接的方式使過渡環與A板連接，焊縫沿過渡環一圈內外側滿焊，保證焊縫具有飽滿性。如果發生過渡環與連接板不能跟洞門環板緊密相貼的現象，可以往有空隙的地方塞鋼板并連接牢固，注意必須填滿空隙。洞門環板與過渡板全部密貼后則將過渡板滿焊在洞門環上。

4.2.2 安裝鋼套筒下半圓

在基坑內預先確定了露出基坑井口處的中心線，一次性將鋼套筒安放到預定位。吊下第一段鋼套筒的盾體下半段，讓兩塊鋼板和套筒的盾體中心和整個盾體上的中心線相互重合，在套筒下半段的鋼套筒左右兩邊的兩個法蘭處各設置一塊橡膠密封墊，密封墊厚6 mm。在跟第二段的下半段各部分進行連接時中也應保證連接位置一致，做到連接螺栓孔連接對位精準無誤。

4.2.3 鋼套筒內安裝鋼軌

在鋼套筒下面90°圓弧內平均分布安裝4根38型鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設至跑洞門圍護結構2 m位置，鋼軌兩側通長焊接。要想盾構機始發時維持抬頭的趨勢，將靠近洞門端的鋼軌墊高20 mm，盾尾端鋼軌不墊高。38型鋼軌高134 mm，盾尾下方與鋼套筒間隙134 mm，盾尾上方與鋼套筒間隙136 mm，刀盤下方與鋼套筒間隙154 mm，刀盤上方與鋼套筒間隙66 mm。

4.2.4 第一次鋼套筒內填砂(鋼軌之間鋪砂、壓實)

在鋼套筒底部4根鋼軌之間鋪砂并壓實，每個位置的鋪砂高度應比相應鋼軌的高度多15 mm，等盾構機放上后進一步壓實，保證底部砂層提供充足的防盾構機扭轉摩擦反力。

4.2.5 安裝鋼套筒上半圓

二回填砂后將鋼套筒筒上半圓，并調解至最佳狀態，并對每處的連接位置進行查驗，保證連接無誤。

4.2.6 鋼套筒內盾尾止水裝置

鋼套筒、負環管片與反力架交接處關系示意如圖3所示，其中環梁設置16根75 t千斤頂并提前施加預應力，對反力架與鋼套筒進行水平方向預壓，消除微小間隙，防止始發時盾構機推力使鋼套筒產生的水平向的過大變形。始發前負環、盾殼與鋼套筒之間填入砂子，且同步注漿系統將漿液注入砂中，共同止水。

4.2.7 安裝負環、盾構機刀盤推進至洞門掌子面

安裝好鋼套筒、反力架且盾構機調試無誤后，開始安裝負環、盾構機向前推進至刀盤面板貼近洞門掌子面，此時注意不需要切削掌子面。第一環負環在盾尾內拼裝成型后，利用螺栓來連接管片與反力架，并使用千斤頂將后頂部緊密地和反力架貼合。

4.2.8 負環管片壁后注漿

要想確保之前的密封效果，在盾構機刀盤貼近洞門掌子面后，通過靠近反力架兩環管片的吊裝孔開展壁后注漿[2]，采用水泥漿漿液，使負環管片與鋼套筒后面形成密封防滲環，同時注漿壓力不大于350 kPa。

4.2.9 鋼套筒壓力測試

檢查滲漏情況：將鋼套筒中注入水，通過加水孔進行這一操作，在加滿后檢查壓力值，達到3 bar便停止注水，要注意保持壓力穩定，再次核查各個連接部位，包括連接板、鋼套筒以及反力架的連接處[3]。

每個級別的加壓時間及過程就要保證在：0～1.0 bar，10 min內，檢測停留時間10 min；加壓時間不超過15 min，檢測停留時間25 min；2.0～2.5 bar則加壓25 min以下，檢測停留時間45 min，以此類推。

4.2.10 技術效果評價

水平凍結加鋼套筒始發技術采用雙重保險的方式，對運營車站下土體進行凍結。在盾構始發洞門破除時極大降低風險；同時減少水平凍結加固長度，降低了凍脹融沉的影響范圍，確保了運營車站和在建車站的安全。

5 結束語

盾構施工在復雜地質條件下的難度較大，尤其是富水地層，更易發生質量乃至安全問題，本文以具體工程為實例，對既有車站下復雜地質條件的水平凍結法加鋼套筒始發技術進行了研究，希望對同類施工提供參考。

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