復(fù)雜地質(zhì)條件的水平凍結(jié)法加鋼套筒始發(fā)技術(shù)

金志超

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101149)

1 工程概況

天津地鐵10號(hào)線嶼東城站與2號(hào)線嶼東城站為T型換乘，2號(hào)線盾構(gòu)下穿區(qū)域?yàn)槎嗄昵皾M堂單重管旋噴樁加固區(qū)，但目前加固保留效果不良。嶗山道站～嶼東城站區(qū)間下穿正在運(yùn)營(yíng)的既有2號(hào)線嶼東城站，盾構(gòu)頂面距離2號(hào)線車站底為4.395 m，下穿區(qū)域內(nèi)有多種障礙物，見圖1。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)端線路剖面圖(單位：mm)

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

本區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)處主要地層為：⑧4粉砂層、⑨2粉質(zhì)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(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥21粉質(zhì)黏土、⑦2粉質(zhì)黏土、⑧2粉質(zhì)黏土、⑧3粉土層，區(qū)間范圍土層是第一層承壓水含水層。

該試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)表層地下水賦養(yǎng)類型主要是第四系孔隙地層潛水；賦養(yǎng)儲(chǔ)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(zhì)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(wěn)定性低水位基層埋深3.64～3.81 m。

3 始發(fā)方案確定和工藝流程

通過多次專家論證并結(jié)合資源自有情況，最終確定采用水平全斷面凍結(jié)+鋼套筒為始發(fā)。工藝流程為：水質(zhì)檢測(cè)→凍結(jié)孔打設(shè)→積極凍結(jié)→澆筑墊層→過渡環(huán)、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(gòu)機(jī)→安裝鋼套筒上部→安裝預(yù)加反力千斤頂→水平層面內(nèi)探孔→破洞門拼負(fù)環(huán)→二填砂于鋼套筒內(nèi)并注漿→、測(cè)試密封密閉性→清除凍結(jié)管→凍結(jié)狀態(tài)維持，冷凍效果分析、驗(yàn)收→盾構(gòu)始發(fā)。

4 水平凍結(jié)+鋼套筒始發(fā)方案

4.1 水平全斷面凍結(jié)技術(shù)

4.1.1 水平冷凍設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)站在水平基層凍結(jié)壁的設(shè)計(jì)中，凍結(jié)壁有效結(jié)層厚度3.0 m，凍結(jié)壁上的平均溫度不得高于-10℃，凍結(jié)壁與地下基層連續(xù)墻體結(jié)界面上的平均溫度不得超過-5℃。設(shè)計(jì)階段取得冷凍土單向軸抗壓應(yīng)力強(qiáng)度比值是3.6 MPa，彎折應(yīng)力強(qiáng)度1.8 MPa，直剪強(qiáng)度1.6 MPa(-10℃)。檢測(cè)洞門樣品，取得水樣品并開展洞門檢測(cè)，根據(jù)洞門檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析計(jì)算出在凍結(jié)區(qū)和加固區(qū)域范圍內(nèi)取土體氯離子濃度含量均值為2 220 mg/kg，根據(jù)《城市軌道交通凍結(jié)法設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》(DB/T 29-251Z—2018)，凍結(jié)壁結(jié)冰溫度為-1.72℃，確定滿足凍結(jié)要求。

凍結(jié)管打設(shè)施工前，結(jié)合鋼套筒及盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)梁設(shè)置情況布設(shè)凍結(jié)孔，避免發(fā)生沖突[1]。在往孔內(nèi)下放凍結(jié)管之前先配管，以此確保凍結(jié)管同心度。下放完成后使用經(jīng)緯儀燈光測(cè)斜法檢測(cè)，接著再次測(cè)試凍結(jié)孔的深度以及進(jìn)行打壓試漏?？刂苾鼋Y(jié)孔試漏壓力在0.8～1.0 MPa，穩(wěn)定30 min壓力無(wú)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(jié)管之后，往凍結(jié)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(jié)與停止凍結(jié)

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

表1 單個(gè)洞門設(shè)備配置表

1)根據(jù)工程設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間35 d。要求凍結(jié)孔單孔流量≥5 m3/h；積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-20℃以下，破洞門時(shí)去、回路鹽水溫差≤2℃，鹽水在凍結(jié)期間溫度應(yīng)該相應(yīng)地下降至-28℃～-30℃。保溫板涂層軟板結(jié)構(gòu)材料使用的是阻燃的導(dǎo)熱彈性泡沫軟質(zhì)塑料軟板，厚度≥40 mm，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.04 W/m·k。

2)探孔設(shè)置。①“死角”探孔，距離凍圈邊緣350 mm布置，上部布置3個(gè)，下部布置5個(gè)，探孔規(guī)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(nèi)正面探孔,探孔呈“田”字型合理均與布置，數(shù)量不少于9個(gè)，探孔規(guī)格Φ40～63 mm，探孔伸入土體≥1 m。始發(fā)洞門探孔布置圖見圖2。

圖2 始發(fā)洞門探孔布置圖(單位：mm)

3)停止凍結(jié)。經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)凍結(jié)壁溫度和厚度滿足設(shè)計(jì)要求后，則打開探孔看是否會(huì)涌出泥水，如無(wú)則拔管始發(fā)和接收。如果盾構(gòu)沒有達(dá)到始發(fā)和接收位置，可開展維護(hù)凍結(jié)，不過需注意的是，維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度應(yīng)低于-25℃。在盾構(gòu)機(jī)重新進(jìn)行始發(fā)和再次接收后，即可暫時(shí)停止壓力凍結(jié)。

4.2 鋼套筒始發(fā)

始發(fā)鋼套筒整體長(zhǎng)度11.1 m，內(nèi)徑6.8 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)每段長(zhǎng)度2.5 m，與洞門鋼環(huán)連接環(huán)長(zhǎng)度0.5 m，采用分塊制作，每段設(shè)計(jì)為上下兩個(gè)半圓，采用M30高強(qiáng)螺栓連接。

盾構(gòu)始發(fā)鋼套筒采用Q235B鋼材制作，在環(huán)梁工作面設(shè)置16個(gè)液壓千斤頂，16個(gè)千斤頂分4組，每組4個(gè)，可根據(jù)工況分別加力；鋼套筒環(huán)向、縱向采用10.9級(jí)M33×150高強(qiáng)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(huán)向防水采用鋸齒形密封條，環(huán)向密封條處涂抹硅酮膠。

4.2.1 安裝過渡環(huán)

認(rèn)真測(cè)量洞門上預(yù)埋A板的實(shí)際平整度，并據(jù)此制定過渡環(huán)，利用焊接的方式使過渡環(huán)與A板連接，焊縫沿過渡環(huán)一圈內(nèi)外側(cè)滿焊，保證焊縫具有飽滿性。如果發(fā)生過渡環(huán)與連接板不能跟洞門環(huán)板緊密相貼的現(xiàn)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(huán)板與過渡板全部密貼后則將過渡板滿焊在洞門環(huán)上。

4.2.2 安裝鋼套筒下半圓

在基坑內(nèi)預(yù)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(yù)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(gè)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(gè)法蘭處各設(shè)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(jìn)行連接時(shí)中也應(yīng)保證連接位置一致，做到連接螺栓孔連接對(duì)位精準(zhǔn)無(wú)誤。

4.2.3 鋼套筒內(nèi)安裝鋼軌

在鋼套筒下面90°圓弧內(nèi)平均分布安裝4根38型鋼軌，鋼軌從鋼套筒后端鋪設(shè)至跑洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)2 m位置，鋼軌兩側(cè)通長(zhǎng)焊接。要想盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)維持抬頭的趨勢(shì)，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(nèi)填砂(鋼軌之間鋪砂、壓實(shí))

在鋼套筒底部4根鋼軌之間鋪砂并壓實(shí)，每個(gè)位置的鋪砂高度應(yīng)比相應(yīng)鋼軌的高度多15 mm，等盾構(gòu)機(jī)放上后進(jìn)一步壓實(shí)，保證底部砂層提供充足的防盾構(gòu)機(jī)扭轉(zhuǎn)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(diào)解至最佳狀態(tài)，并對(duì)每處的連接位置進(jìn)行查驗(yàn)，保證連接無(wú)誤。

4.2.6 鋼套筒內(nèi)盾尾止水裝置

鋼套筒、負(fù)環(huán)管片與反力架交接處關(guān)系示意如圖3所示，其中環(huán)梁設(shè)置16根75 t千斤頂并提前施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)反力架與鋼套筒進(jìn)行水平方向預(yù)壓，消除微小間隙，防止始發(fā)時(shí)盾構(gòu)機(jī)推力使鋼套筒產(chǎn)生的水平向的過大變形。始發(fā)前負(fù)環(huán)、盾殼與鋼套筒之間填入砂子，且同步注漿系統(tǒng)將漿液注入砂中，共同止水。

4.2.7 安裝負(fù)環(huán)、盾構(gòu)機(jī)刀盤推進(jìn)至洞門掌子面

安裝好鋼套筒、反力架且盾構(gòu)機(jī)調(diào)試無(wú)誤后，開始安裝負(fù)環(huán)、盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)至刀盤面板貼近洞門掌子面，此時(shí)注意不需要切削掌子面。第一環(huán)負(fù)環(huán)在盾尾內(nèi)拼裝成型后，利用螺栓來(lái)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(fù)環(huán)管片壁后注漿

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

4.2.9 鋼套筒壓力測(cè)試

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

每個(gè)級(jí)別的加壓時(shí)間及過程就要保證在：0～1.0 bar，10 min內(nèi)，檢測(cè)停留時(shí)間10 min；加壓時(shí)間不超過15 min，檢測(cè)停留時(shí)間25 min；2.0～2.5 bar則加壓25 min以下，檢測(cè)停留時(shí)間45 min，以此類推。

4.2.10 技術(shù)效果評(píng)價(jià)

水平凍結(jié)加鋼套筒始發(fā)技術(shù)采用雙重保險(xiǎn)的方式，對(duì)運(yùn)營(yíng)車站下土體進(jìn)行凍結(jié)。在盾構(gòu)始發(fā)洞門破除時(shí)極大降低風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)減少水平凍結(jié)加固長(zhǎng)度，降低了凍脹融沉的影響范圍，確保了運(yùn)營(yíng)車站和在建車站的安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)施工在復(fù)雜地質(zhì)條件下的難度較大，尤其是富水地層，更易發(fā)生質(zhì)量乃至安全問題，本文以具體工程為實(shí)例，對(duì)既有車站下復(fù)雜地質(zhì)條件的水平凍結(jié)法加鋼套筒始發(fā)技術(shù)進(jìn)行了研究，希望對(duì)同類施工提供參考。

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