水平冻结加固与钢套筒辅助盾构接收施工技术分析

水平冻结加固与钢套筒辅助盾构接收施工技术分析

杨贺

中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001

摘要：为了更好地解决接收端头软弱富含水土层地质条件差、地上管线密布、周边邻近建筑物沉降变形较大的盾构接收问题，避免盾构接收过程中未发生涌水、涌砂现象。采用水平冻结加固与钢套筒辅助的盾构接收施工技术，可以有效降低施工安全风险，有效保障盾构接收的顺利进行，提升软弱富含水土层盾构接收的安全与质量。

关键词：水平冻结加固；钢套筒；盾构接收   中图文分类号：U25；U231+.3

1、工程概况

（1）工程地质与水文

工程项目为郑州某地铁站，盾构接收端穿越地层主要为②33c 粉砂、②34 黏质粉土与②51细砂。其中，区间隧道顶部2.34米以上为②33c粉砂，中间夹渣1.4米厚的②34黏质粉土，底部2.46米以下为②51细砂。

地下水类型属第四系松散岩类孔隙水，地下水主要赋存于约30m以上的黏质粉土、粉砂、细砂中，属弱～强透水层,主要受大气降水补给和地下水开采的影响。接收端现状地下水位埋深约为8.20～9.50m，地下水主要赋存在②33C层粉砂、②34层黏质粉土、②51层细砂中。

（2）端头冷冻设计

接收端头地层加固采用洞内水平冷冻法加固。冻结加固区为杯型，加固杯体尺寸为杯底厚度3.5m，杯壁厚度2m，杯长不小于13m，盾构主机和刀盘总长约为10m，冻结加固区长度满足要求。经加固的土体无侧限抗压强度不小于3.6MPa，抗拉强度不小于2MPa，抗弯强度不小于1.6MPa。

（3）钢套筒设计

接收钢套筒是一端开口、另一端封闭的圆筒状钢结构，由过渡连接环、4节筒体、后端盖、立柱及左、右工字钢支撑等组成，钢套筒整体组装好长度为11.5m，筒体为厚度20mm的钢板，内径6.9m，外直径7.2m。筒体之间均采用M30、8.8级螺栓连接，中间加8mm厚橡胶垫，筒体的外周焊接纵、环向筋板以保证筒体刚度，反力架与车站结构的支撑采用3根壁厚10 mm、直径Φ530 mm钢管斜撑于车站结构底板上。

图1. 水平冻结加固与钢套筒辅助盾构接收示意图

2、水平冻结加固与钢套筒辅助盾构接收关键技术

（1）水平冻结加固接收控制要点

冷冻系统安装完成后，首先进行盐水系统试运转，清水系统不参与运转，冷冻机处于停机状态运转一天并观察液位，液位无变化方可确认制冷系统密闭无漏点。盐水系统试漏完成后，检查确认冷冻电路系统、冷却水循环系统参数正常后方能开冷冻机。冷冻机先空转三小时左右，观察运转是否异常。在试运转时，要逐步调节能量、压力、温度和电机负荷等各状态参数，使机组在有关设备规程和运行要求的技术参数条件下运行。冷冻站正常运转一周盐水温度降至要求温度以下开始冻结后，要巡回检查冻结器是否有断裂漏盐水的情况发生。一旦发现盐水漏失，立即关闭阀门，并根据盐水漏失情况采取补救措施。在冻结过程中，每天检测去、回路干管盐水温度、冻结器回路盐水温度、盐水箱液位变化、冷却水温度,观察冻结器头部结霜是否有异常融化。在冻结运转初期，检测各冻结器的盐水流量，如发现检测流量小于设计要求，则应用控制阀门进行调节，或者加大盐水泵泵量，使其满足设计要求。每天必须巡视冻结情况和监测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。冻结孔钻孔施工时，需严格控制钻孔角度，防止外圈冷冻孔侵入盾构机掘进范围。洞圈内冻结孔拔除后盾构出洞不宜超过3天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。盾构掘进至冻结加固区内时，如果停止掘进应转动刀盘防止刀盘被冻住[1]。

（2）钢套筒安装流程

钢套筒安装流程主要包括:主体部分连接、筒体间各连接处密封、钢套筒顶升及平移、反力架及支撑安装、钢套筒密封性检查、钢套筒内浇筑砂浆基座、钢套筒内填料。

施工过程中，筒体间密封采用连接法兰间采用厚环形橡胶密封垫，在螺栓紧固力的作用下夹紧橡胶板起到第一层密封的作用，以及在筒体连接处内壁上采用涂抹快速水泥层来起到内侧密封的作用。密封后要注意检查各部连接处，尤其是对于钢套筒的上下半圆和节与节部分之间接缝处的检查，还要检查过渡环与洞门钢环之间的焊接质量。由于钢套筒填料前端头需维持冻结加固，钢套筒安装前需预留出冷冻管进出口，导致钢套筒安装完成后无法形成一个密闭空间。因此，钢套筒安装完成后不具备采用“加水与加气”相结合的方式进行密封性检查的条件，只能通过筒体上部的下料孔向钢套筒内加水至满水后，观察洞门连接板、钢套筒环向与纵向连接位置、钢套筒与反力架的连接处有无漏水现象，以此验证钢套筒密封性。从经济合理性方面考虑，盾构接收钢套筒填料主要采用区间盾构掘进渣土。由于盾构掘进渣土不具备较好的流塑性，无法完全有效填充钢套筒内部空间[2]。因此，在采用盾构掘进渣土作为钢套筒填料的基础上，辅以“膨润土与水泥浆”，具体填充方式为盾构渣土、膨润土、水泥浆混合”。在钢套筒内部盾构渣土及膨润土填充到位后，开始向钢套筒内注入水泥浆，注浆完成后注意观察注浆压力有无明显变化，以此对钢套筒密封性进行二次验证，确保钢套筒内部空间填充密实。

（3）盾构接收段掘进技术及参数控制

选择合适的距离进行盾构机临时停机，开始凿除洞门。盾构掘进尚未进入冻结加固区，为防止盾构机刀盘过于贴近冷冻体，受冻卡死，故在掘进过程中需注意:

建立良好的土仓压力推进，以阻挡地层水压力，防止土仓涌入地下水，导致螺旋机喷涌。控制好推进速度，不宜过大，否则扭矩增大，影响加固体稳定性。管片拼装过程中，刀盘要有合适的转速，防止刀盘被冻结。

冻结加固区盾构掘进时需注意：盾构进入冻结加固体区，以低速度进入作业面，盾构主司机在此过程应密切注意刀盘扭矩变化，如果刀盘油压扭矩变化太大，宜降低刀盘转速，并间歇性的正反转几分钟，防止刀盘卡死。本工程采用增设注浆孔管片，通过管片上的增设注浆孔进行二次注浆及时施作止水环箍，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，有效封堵开挖土体与管片外壳之间的渗漏通道。止水环箍施作过程中，为防止盾构机因注浆作业出现“抱死”现象，部分注浆孔位注浆作业完成1～2小时后盾构应向前推进。盾构穿越冻结加固区时，管片安装期间刀盘继续保持低速转动，管片安装应尽快完成，如管片安装时间较长，则应停止安装，正反转螺旋机，避免螺旋输送机被冻住，然后继续安装管片。在刀盘进入加固体后，启用蒸汽发生器对土仓内土体进行加热，防止冷冻渣土二次冻结将刀盘困住，加强对渣土土质温度进行检查，发现渣土温度异常及时反馈。刀盘穿越冻结加固区时，推进速度宜不应过快，确保土仓内具有一定的土压，以防止出空土仓而发生盾构抬头上浮的现象[3]。

盾构进入钢套筒，盾构掘进时需注意：在钢套筒内盾构机以管片拼装模式掘进。盾构机在钢套筒内掘进的过程中，要确保与外界联系，密切观察钢套筒变形及渗漏情况，一旦发现变形量超限或钢套筒有渗漏时，必须立即停止掘进，及时采取补救措施。根据钢套筒顶部安装的压力表读数，及时调整盾构推进压力，避免推进压力过大时钢套筒密封处出现渗漏。若推进压力过大，应及时打开钢套筒后板盖上的排浆口，进行卸压。盾构掘进过程中，通过管片上的增设注浆孔对洞门连续三环采取逐环进行二次注浆的方式及时施作止水环箍，浆液采用水泥-水玻璃双液浆，有效封堵开挖土体与管片外壳之间的渗漏通道。止水环箍施作过程中，为防止盾构机因注浆作业出现“抱死”现象，部分注浆孔位注浆作业完成后盾构向前推进合适的距离。盾构进钢套筒时的姿态控制，必须以实际测量的钢套筒安装中心线为基准控制盾构机姿态，要求钢套筒安装中心线偏差控制在±2cm之内。盾构机进入钢套筒后，注意其姿态控制。盾构掘进至指定位置并完成洞门封堵后，在刀盘不转的情况下，出空土仓内回填物；打开钢套筒底部的排浆管，排出剩余的浆液，并检查筒体的漏浆情况；在洞门双液浆凝固且稳定安全的情况下，开始拆除钢套筒后端过渡连板及后端盖。

（4）止水环箍施作注浆质量控制措施

止水环箍施作注浆作业前，按照规范要求编制专项施工方案，并对现场施工人员进行书面技术交底，注浆作业由专人进行，上岗前应通过培训，施工过程应由富有经验的土木工程师负责注浆技术指导工作。施工前应进行详细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料、添加剂及浆液配比，保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标满足工程的设计要求。每次注浆作业前，应检查注浆设备和压力表是否运转正常，注浆作业过程中不允许超压注浆。注浆前必须做好充分的注浆准备，过程中做好注浆设备的维修保养、注浆材料供应，以保证注浆作业顺利连续不中断的进行。注浆作业过程严格按照注浆、检查、记录、分析进行，过程中要做好注浆参数记录。主要记录注浆位置、注浆压力、注桨时间和每环注浆量，同时及时做出P（注浆压力）-Q（注浆量）-t（时间）曲线，分析注浆效果，以反馈指导后续注浆。注浆作业过程中，确保进浆量准确，严格控制双液注浆压力，双液注浆方向由专人操作，当压力突然上升或从孔壁、地面溢浆以及跑浆时，立即停止双液注浆。注浆作业过程中，根据洞内管片衬砌变形和地面及周围建筑物变形监测结果，及时进行信息反馈，修正注浆参数和施工方法，确保止水环箍施作质量。

3、总结

采用水平冻结加固与钢套筒辅助的盾构接收施工技术，可以很好地解决了接收端头软弱富含水土层地质条件差、地上管线密布、周边邻近建筑物沉降变形较大问题，可以有效避免盾构接收过程中发生涌水、涌砂现象，施工效果良好。利用水平冻结加固与钢套筒辅助的盾构接收技术，可以有效降低施工安全风险，有效保障盾构接收的顺利进行，提升软弱富含水土层盾构接收的安全与质量。采用水平冻结加固与钢套筒辅助的盾构接收施工技术主要控制点：

（1）筒体、反力架及钢套筒体与洞门的连接等是钢套筒设计的关键，必须根据成型主体结构尺寸来设计筒体长度、根据水平冻结孔位布置及洞门预埋钢环尺寸设计钢筒外径。在完成钢套筒连接及平移、反力架安装、洞门凿除、冻结管拔除等工序后，必须在确保密封性满足要求的前提下，才能进行钢套筒填料等后续工序作业。

（2）由于不同范围内的盾构掘进参数存在变化，将盾构接收段的推进施工严格分３个阶段：冷冻加固体前范围掘进段、加固区及冻结体掘金段、钢套筒掘进接收段，各阶段须按照根据工程实际情况制定各项掘进参数。

（3）止水环箍作为管片壁后封堵的重要措施，是盾构接收时各阶段的技术卡控重点。止水环箍的施作效果直接影响着盾构出洞安全，注浆要坚决做到能注必注，及时形成整体闭环，保证管片壁后注浆饱满密实。另一方面，必须要让现场施工人员深入了解其重要性，思想上高度重视，措施要严格落实，同时对管片注浆效果进行开孔验证，确保止水环箍能够起到有效封堵后方来水的效果。

（4）钢套筒的保压性和止水性对钢套筒接收来说是关键指标。盾构接收施工全程应注意钢套筒的保压性及止水性是否满足施工要求，时刻观察是否有漏水漏砂，应密切关注其密封性能，监测压力大小，保证钢套筒的密封性。

（5）作为盾构辅助接收装置的钢套筒使用范围广，对于软土、砂层、地下水位较高以及含有承压水等复杂地层，钢套筒盾构接收均有较好的适用性。因此，钢套筒的制作和使用为盾构到达接收提供了一种新的方法，丰富了盾构出洞的施工方法。建议后续类似盾构接收施工时洞门的围护结构地下连续墙采用玻璃纤维筋混凝土。这样，盾构接收时可直接切削玻璃纤维筋混凝土出洞，从而减少了人工凿除洞门钢筋混凝土的风险，这样可以保证盾构接收更安全、更省时。

（6）采用水平冻结加固与钢套筒辅助的盾构接收施工技术虽然更加安全，但还应做好应急准备工作。组织项目部全员参与盾构接收应急救援抢险演练，并及时针对演练中发现的问题和不足及时进行分析总结，做到充分应对盾构接收突发事件，并能够及时有效的进行处置。

参考文献：

[1]钟慧民.盾构出洞冷冻法加固施工技术[J].施工技术,2010,39(S1):228-230.

[2]刘阳君,杨智麟,羊涛等.密闭钢套筒+冷冻法加固盾构接收技术[J].现代隧道技术,2020,57(S1):974-979.

[3]沈伟,俞淼,付春青等.盾构隧道冻结法与钢套筒联合接收施工技术[J].兰州交通大学学报,2021,40(01):20-26.

作者简介：杨贺（1994-），男，河南省永城市，汉族，研究生学历，助理工程师，中铁隧道股份有限公司， 450001；主要从事市政工程、地铁车站与隧道施工技术研究。