盾構隧道凍結法與鋼套筒聯合接收施工技術

沈 偉，俞 淼，付春青，劉 維*

(1. 蘇州軌道交通集團有限公司，江蘇 蘇州 215000；2. 蘇州大學 軌道交通學院，江蘇 蘇州 215131；3. 北京住總集團有限責任公司，北京 100101)

在復雜地質環境下進行盾構進出洞施工有很大的風險，端頭加固措施被應用于工程中來提高洞門區域土體強度.端頭加固可以較好地提高進出洞區域土體強度，降低土體透水特性.針對端頭加固土體穩定性，有學者利用經典土體穩定理論[1-3]，建立了洞門土體穩定模型，并由此估算端頭加固范圍[4].此外，不少學者采用現場壓水試驗對端頭加固土滲透性進行研究，并提出了加固土滲透系數參考值(k<10-5cm/s)[5].

凍結法是端頭加固方法之一，可用于不穩定土層以及含水豐富的裂隙巖層，適用于涌水量較大的流砂層.并且凍結法加固的地層具有強度高、封水性好等優點.鋼套筒接收技術可以在破除洞門前為盾構掘進施工建立水土平衡環境，具有較高的安全性、可靠性和經濟性，被逐漸應用到盾構接收施工中.針對鋼套筒技術的研究主要從填料、密封性及施工適應性等方面展開[6-7].目前，富水地區盾構接收工程中主要采取鋼套筒技術與端頭加固聯合使用[8-11]，例如：武漢軌道交通3號線一期工程香港路～惠濟二路區間盾構始發采用鋼套筒與凍結法端頭加固聯合工法；蘇州軌道交通4號線陽澄湖路站—金民西路站區間盾構接收工程采用鋼套筒及素混凝土連續墻組合加固措施.

本文以蘇州軌道交通5號線某區間中間風井盾構接收工程為例，場地周圍水系復雜，地下水豐富，土層透水性極強，工程性質差.為使盾構接收能夠在富水軟弱土層中順利安全地進行，并且對地層擾動較小，設計采用凍結法與鋼套筒法聯合施工技術.

1 工程概況

蘇州市軌道交通5號線某盾構區間左線隧道全長1 677.361 m，采用直徑為6 440 mm土壓平衡盾構進行施工.盾構隧道沿途下穿河流、立交橋樁基、橋梁等建構筑物、管線及312國道后接至中間風井.

中間風井場地區域地層分布如圖1所示.風井基坑深度約為23.8 m，地連墻圍護結構深度為36.3 m.端頭區間隧道洞門范圍主要分布有④粉砂、⑤粉質粘土、⑥-1粉質粘土，其中洞門范圍內約有1/2斷面為粉砂層.各地層物理力學參數如表1所列，地層含水量較高，其中④層灰色粉砂液性指數大于1，透水性強，自穩性差，滲流作用下容易發生涌沙；⑤粉質粘土、⑥-1粉質粘土呈軟塑狀，具有壓縮性高、靈敏度高、抗剪強度低等特點，擾動作用下容易產生較大變形.場地周邊水系復雜，周邊50 m范圍內有江河連通，流量極大，地下水豐富.地下水穩定埋深約為1 m，微承壓水主要賦存于③層砂質粉土和④層粉砂中，承壓水主要賦存于⑦層砂質粉土中.

圖1 中間風井端頭區域示意圖(單位：m)Fig.1 Profile of the tip area of the intermediate wind well (unit:m)

隧道洞門區域地層工程性質差，中間風井接收施工風險高.因此，現場采取凍結加固與鋼套筒法聯合接收施工技術，以提高土體強度和穩定性，降低施工洞門滲漏風險，提高盾構到達接收的安全性.

2 凍結加固與鋼套筒聯合工法設計

2.1 洞門冷凍加固設計

凍結法在隧道工程端頭井加固中得到了廣泛的應用[12-15].如圖2所示，中間風井端頭加固采用“杯形”凍結壁設計，“杯底”有效厚度為3.0 m；“杯壁”長度為4.0 m，有效厚度為1.6 m.凍結時間為35 d，設計最低鹽水溫度為-28～-30 ℃，凍結壁設計平均溫度不高于-10～-15 ℃，凍結孔單孔鹽水流量為5 m3/h.設計取凍土單軸抗壓強度為2.93 MPa，彎折強度為1.8 MPa，直剪強度為1.5 MPa(-10 ℃).

如圖3所示，洞門區域采用梅花形布置，共打設Φ89 mm×10 mm水平凍結孔共57個，凍結孔共布置3圈凍結孔和洞門正中1個凍結孔.最外圈凍結孔沿直徑8.0 m的圓周邊布置32個孔即W1-W32，深度6.0 m.外數第二圈凍結孔沿直徑5.4 m的圓周邊布置16個凍結孔即及Z1-Z16，深度5.0 m.外數第三圈凍結孔沿直徑2.7 m的圓周布置8個孔即N1-N8，深度5.0 m.洞門正中心的1個凍結孔即N9，深度為5.0 m.洞門在凍結范圍內布置8個測溫孔，凍結壁外緣輪廓線上布置測溫孔T1-T5，孔深為5.5 m；凍結壁區域內分散布置測溫孔T6-T8，孔深為3.6 m.

表1 地層物理力學參數

圖2 凍結加固示意圖 (單位：mm)Fig.2 Freeze reinforcement diagram (unit:mm)

圖3 凍結孔布置圖Fig.3 Layout of freezing holes

2.2 鋼套筒設計

接收鋼套筒是一端開口、另一端封閉的圓筒狀鋼結構，如圖4所示，由1個過渡連接環、4個筒體、1個后端蓋、3根立柱以及左、右工字鋼支撐等部分組成.鋼套筒整體組裝好長度為11 460 mm(含裝配成型橡膠密封板)，直徑(內徑)6 950 mm，外直徑7 190 mm.鋼套筒施工現場圖如圖5所示.

鋼套筒采用上下半圓拼接，單塊套筒長2 500 mm，筒體材料為厚度20 mm的鋼板，每段筒體的外周焊接縱、環向筋板以保證筒體剛度，筋板厚20 mm，高100 mm，間隔約550～600 mm.每段筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接圓法蘭，法蘭寬200 mm、厚24 mm，上下兩半圓以及兩段筒體之間均采用M30、8.8級螺栓連接，中間加8 mm厚橡膠墊.反力架為三根立柱，是采用厚20 mm的Q235A鋼板焊接而成的箱式結構，反力架與車站結構的支撐采用3根直徑A530 mm(壁厚10 mm)鋼管斜撐于車站結構底板.

如圖6所示，鋼套筒過渡環的長度設置為800 mm，與洞門鋼環之間采用燒焊形式連接，以保證其密封性.在過渡環上注漿球閥2寸呈360°等分布置，共12個，油脂管球閥1寸呈360°等分布置，共12個，2寸和1寸球閥之間呈交叉布置，用于檢查洞門密封質量.鋼套筒后端蓋為平面蓋，材料是厚度為30 mm的Q235A鋼板，平面環板加焊4道厚30 mm、高500 mm的鋼板筋板，井字形焊接在后端蓋上.筒體中部右上角設置600 mm×600 mm進料口，在每段鋼套筒底部預留3個2寸帶球閥注排漿管，共6個等間距布置，一旦盾構機有栽頭趨勢，即可在下部注雙液漿回頂.

圖4 鋼套筒總體設計(單位：mm)Fig.4 Steel sleeve assembling (unit:mm)

圖5 鋼套筒現場圖Fig.5 Field picture of steel sleeve

3 盾構接收施工過程

盾構接收前中首先采用凍結法進行端頭地基加

固.凍結管選用Φ89 mm×10 mm，20#低碳鋼無縫鋼管，絲扣連接，另加手工電弧焊焊接.供液管用Φ48 mm×4 mm鋼管，凍結器羊角均用1.5″鋼管加工.接收期間，測得鹽水進水溫度為-32 ℃，回水溫度為-30 ℃.測溫孔最高溫度：-9.5 ℃(T′1、5.5 m)；最低溫度：-29.1 ℃(T′6、1.9 m).冷凍效果達到設計要求的強度，接收井主體具備接收條件后，根據洞門實際中心進行測量放樣，精確定位鋼套筒安裝位置.

3.1 鋼套筒施工流程及關鍵環節

鋼套筒安裝流程主要包括：1) 主體部分連接；2) 筒體間各連接處密封；3) 鋼套筒頂升及平移；4) 反力架及支撐安裝；5) 鋼套筒壓力密封性檢查；6) 套筒內澆筑砂漿基座；7) 套筒內填料.

圖6 鋼套筒設計Fig.6 Steel sleeve assembling

施工過程中，筒體間密封采用兩種方式：1) 連接法蘭間采用8 mm厚環形橡膠密封墊，在螺栓緊固力的作用下夾緊橡膠板起到第一層密封的作用；2) 筒體連接處內壁上采用涂抹20 mm厚快速水泥層來起到內側密封的作用.密封后要注意檢查各部連接處，尤其是對于鋼套筒的上下半圓和節與節部分之間聯結的檢查，還要檢查過渡連接板與洞門環板之間的焊接.

鋼套筒安裝完成后要進行壓力密封性檢查.在筒體下方設置200 mm的檢查孔.從加水孔向鋼套筒內加水，至加滿水后，檢查壓力，每級加壓過程及停留保壓時間如表2所列.如果壓力能夠達到2.5 bar.則停止加水，并維持壓力穩定.如無法通過水壓達到2.5 bar，則將水管解開，利用空壓機向鋼套筒內加氣壓，直至壓力達到2.5 bar為止，并對各個連接部分進行檢查，觀察洞門連接板、鋼套筒環向與縱向連接位置、鋼套筒與反力架的連接處有無漏水現象.

表2 壓力試驗參數

在鋼套筒試壓完畢、底部砂漿基座施工完畢之后即可進行洞門鑿除；水平冷凍管拔除要分兩次進行，在鋼套筒試壓完成后，洞門全部鑿除后，開始拔除內圈冷凍管，水平凍結外圈冷凍管割除在盾構接收完成后，盾構接收期間維持凍結.

3.2 盾構接收段的推進施工

洞門加固區域及鋼套筒位置如圖7所示，盾構進洞段的推進施工分為三個主要階段，掘進主要在④粉砂層和⑤粉質粘土層中進行.

第一階段掘進(盾尾位于1 401環～1 403環)，盾構尚未入冷凍加固區域，為防止盾構機刀盤過于貼近冷凍體，受凍卡死，故在掘進過程中需注意以下事項：1)土倉壓力保持0.24 MPa以上推進，以阻擋地層水壓力，防止土倉涌入地層水，螺旋機噴涌.2)推進速度控制在3 cm/min，不宜過大，否則扭矩增大，影響加固體整體性.3)管片拼裝過程中，刀盤開啟0.3 rpm旋轉，防止凍結.掘進完成第1 403環后，從管片1 400環往小里程方向，連續5環，進行整環環箍施工，封堵后方來水.

圖7 盾構機接收階段掘進示意圖Fig.7 Schematic diagram of tunneling during receiving phase of shield tunneling

第二階段掘進(盾尾位于第1 404環～1 408環)，盾構位于冷凍加固區，待洞門破除完畢，鋼套筒填充完畢，再啟動盾構機.當從管片上預留的注漿孔向管片外側注雙液漿，及時施作環箍，有效封堵開挖土體與管片外殼之間的滲漏通道.鋼套筒接收時，選擇在管片脫出盾尾3環后開始二次注漿.嚴格控制二次注漿孔位和注漿壓力、注漿量，采取隔1環注1環的方式，漿液采用水泥-水玻璃雙液漿.

第三階段掘進(盾尾位于1 409環～1 415環)，盾構進入鋼套筒，為便于推進，增加一環工作環，即圖7中進洞環，將盾構機推到合適位置后停機，待檢查沒有滲漏，鋼套筒泄壓后，拆機前先拆除工作環.至此，盾構機完成鋼套筒接收，下步轉入拆除、吊裝階段.

接收施工過程中盾構主要掘進參數如表3所列，可以發現，階段I和II中，盾構主要掘進參數相近.階段I未加固地區，為了防止富水地層中掘進面失穩，倉內壓力較高約為0.24 MPa；階段II凍結區域地層穩定性較好，土倉壓力維持在0.2 MPa，適當降低土倉壓力有利于降低掘進載荷提升掘進功效.考慮到套筒內填料強度較低且利于開挖，階段III盾構掘進速度降低至<5 mm/min，最大推力降至400 t，扭矩和轉速分別降至1 500 kN·m和0.6～0.8 rpm，土倉壓力降低至0.18 MPa，降低掘進荷載有利于控制鋼套筒內壓力，減小鋼套筒及支撐架受力變形.

表3 盾構掘進參數

4 接收施工段地表沉降規律

隧道軸線上方地表沉降發展規律如圖8所示.階段I中(盾尾位于1 402環)，地表最大沉降發生在盾尾正上方，沉降量約為12 mm；盾尾前方地表沉降隨著距洞門距離的減小而減小，距離洞門4 m區域地表出現隆起，最大隆起約為2 mm，這主要是冷凍加固時土體凍脹引起的；階段II中，盾構完成1 407環施工，盾尾處地表沉降約為12 mm；階段III完成1 413環施工，距離洞門4 m范圍之外未加固區域地表沉降大于10 mm，距離洞門4 m范圍內地表沉降呈現顯著減小.監測結果表明凍結加固能有效控制地層沉降，另外施工中及時采用雙液漿二次補漿對控制洞門區域水土流失也起到了較好的作用.

圖8 地表沉降Fig.8 Ground settlement

洞門加固區域地表沉降如圖9所示.由于土體凍脹，加固范圍地表出現隆起，最大隆起量為2 mm.隨著盾尾逐漸接近洞門加固范圍，地表變形由隆起逐漸變化為沉降，當盾尾完全進入加固區域后，地表沉降發展逐漸趨于穩定.距離洞門4 m處地表最大沉降約為8 mm，距離洞門2 m處最大沉降約為4 mm.并且套筒和洞門連接處無漏水漏砂，表明聯合工法對富水地層變形控制較好.

本文施工現場盾構接收過程中監測的地表沉降值與已有研究對比如表4所列.其中理論預測的地表沉降值最小，這是因為忽視了掘進過程中孔隙壓力變化對地表沉降的影響.已有的一例監測研究顯示地表沉降最大值為5.8 mm.本文現場實測數據顯示盾構在結凍加固區內推進時較平穩，地表沉降值較小，距離洞門2 m處地表最大沉降約為4 mm，距離洞門4 m處地表最大沉降約為8 mm，距離洞門2 m處地表沉降較小，由于靠近洞門，土體和地墻相互作用，地墻對土體有加固作用，因此土體位移較小.洞門加固區域整體沉降可控在10 mm以內.

圖9 洞門加固區域地表沉降Fig.9 Ground surface settlement in freeze area

表4 盾構接收過程中地表沉降對比

5 結論

本文以蘇州軌道交通5號線某區間中間風井盾構接收工程為背景，蘇州富水地層具有地下水豐富、土層軟弱且透水性強的特點，極易發生漏水、漏砂等工程問題，引發安全問題.針對此地質特點，設計采用凍結法與鋼套筒法聯合接收施工技術，以降低盾構接收施工洞門滲漏等風險，提高安全性.盾構接收施工全程都應注意鋼套筒的保壓性及止水性是否滿足施工要求，應密切關注其密封性能，監測壓力大小保證密封性，時刻觀察是否有漏水漏砂.接收施工段監測的地表沉降數據表明冷凍加固以及鋼套筒內接收對地層變形有較好的控制效果.鋼套筒與凍結聯合工法能有效抑制洞門漏水漏砂、有效控制地層變形，在蘇州富水地層中的成功應用對長三角富水軟土地區盾構隧道施工具有參考借鑒價值.