封闭环境下冻结法辅助钢套筒盾构施工关键技术研究*

高 瑞，岳红波，梁 聪，刘媛莹，燕 晓，梅 源

(1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

盾构始发及接收是盾构施工的关键环节，直接关系周围建筑物的安全和整个施工过程的安全,同时，此阶段使施工过程中也最易出现问题，如何在施工中采取合理措施，以避免危险事故发生，是值得注意的问题。

冻结法在我国隧道盾构施工中应用较广泛，尤其是在富水地层中的应用，但单一冻结法已不能满足施工需要。盾构的始发和接收是富水软弱地层盾构施工的重大风险事件之一。冻结法及钢套筒法盾构接收出洞技术虽均有工程应用，但环境安全控制效果无法满足富水砂层和粉砂层地区的施工要求。因此，在富水砂层或粉砂层中采用冻结法联合钢套筒盾构接收或始发技术可成为解决富水砂层盾构接收和始发时环境安全控制的有效途径。

1 工程概况

本工程位于苏州地铁5号线竹园路站—塔园路站，竹园路站西端头井位于滨河路以西现有市政道路竹园路下方，距竹园路与滨河路交叉口130m左右，西端头井内为地下3层结构，地面标高约3.800m，盾构中心埋深约21.3m，洞口直径6.7m，盾构接收范围内分布的土层主要为粉砂夹粉土、粉质黏土层，该土层为软弱富含水土层，盾构进出洞有涌水涌砂风险。西端头井洞门加固影响范围内无重要建(构)筑物，地面位置及周边环境如图1所示。

图1 竹园路站周边环境示意

2 工程特性分析

1)盾构的始发井、接收井及掉头空间为既有车站 竹园路站西端头为盾构接收(左线)及始发(右线)井，车站为地下3层3跨现浇钢筋混凝土结构。车站采用复合墙结构，站台层内衬厚1 000mm，端头井宽25 200mm，长12 600mm，西端头地下2层板下翻梁与地下3层底板净空为7 200mm，西端头为盾构掉头井，盾构掉头后组装始发。始发井左、右线地下1，2层板上均已预留5m×4m吊装口，用于盾构机掉头、接收、始发所需配件材料及钢套筒、反力架下井组装。

2)盾构进出洞处土体为软弱含水土层 盾构出洞处距京杭大运河500m左右，如图2所示，土体为软弱含水土层，具有较大的漏水涌砂风险。若不提前加固处理，极易塌方或水土流失，造成地面塌陷，甚至使盾构失去控制。

图2 竹园路站与京杭大运河位置关系

3)地面沉降较难控制 苏州地区广泛分布松散第四纪沉积物，地下水资源开采利用强度较大，抽汲地下水使第四纪土层固结压缩所导致的地面沉降较严重。地面沉降地质灾害具有易发性、缓变性和累积性等特点，地面沉降及其引起不均匀沉降长期积累，会危害建(构)筑物自身安全。

3 技术原理

3.1 冻结设计原理

冻结法是利用人工制冷技术，将钢管打入地层，然后将低温盐水导入钢管进行循环流动，使地层中的水结成冰块形成冻土帷幕，将天然岩土变为冻土，增加其强度和稳定性，不仅可承受四周的水土压力,还能隔绝地下水与地下工程的联系，可在冻结壁的保护下进行地下工程掘砌施工。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。冻结壁是一种临时支护结构，支护形成后，停止冻结，冻结壁融化，冻结法加固如图3所示。

图3 冻结法加固示意

3.2 钢套筒应用原理

采用钢套筒盾构始发或接收，实质上是将地层环境延长至地表自然空间，使盾构离开隧洞时隧道结构已处于完成状态，以化解隧道洞口的坍塌风险。从盾构始发技术的实际应用情况来看，钢套筒盾构始发技术比传统盾构始发技术具有更高的安全性与稳定性。在盾构机始发前借助具有密闭性的钢套筒创造穿越土层过程所承受的压力环境，避免破除洞门前发生涌水涌砂，确保整个作业过程具有极高的安全性。

4 施工关键技术

4.1 杯形水平冻结法端头加固

受竹园路站西端头地面场地条件限制，常规端头加固方式如旋喷桩加固法、深层搅拌桩加固法、注浆加固法、旋挖素混凝土法等均不能满足加固要求，迫切需更节约场地的加固方式，最终选用冻结加固法。

4.1.1冻结帷幕设计

洞门采用水平冻结加固技术，结合苏州地区冻结加固经验，冻土强度的设计指标取值为：单轴抗压4.0MPa，抗折2.0MPa，抗剪1.8MPa(-10℃)。冻结加固采用杯形冻结壁，杯底厚3m，杯壁高4m，厚2m，如图4所示。

图4 冻结帷幕示意

4.1.2冻结孔施工

钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。孔口管密封装置如图5所示。

图5 孔口管密封装置示意

4.2 钢套筒辅助盾构接收及始发

盾构机始发及接收需通过吊装井将钢套筒从地面下放到地下，但由于本工程在特殊密闭环境下进行，封闭段地面管线及交通已恢复，地面无任何吊装作业条件，传统的钢套筒结构及施工方法不能满足该工况要求，施工难度较大。因此，对钢套筒结构及组装方法进行了改良研究，钢套筒结构及组装方法主要包括：与洞门钢环固定连接过渡环、过渡环背离洞门钢环一侧固定设置依次排列的若干节筒体、相邻筒体间密封连接，筒体背离过渡环一侧设后端盖、后端盖一侧设斜撑、筒体下方设底座，且底座与筒体的第4环片固定连接等，如图6所示。通过改良钢套筒设计，方便了钢套筒安拆及吊装，降低了钢套筒施工风险。

图6 钢套筒辅助盾构接收示意

一般地铁车站在底板浇筑混凝土时，在底板上预埋钢板，待盾构机始发时，将反力架斜撑直接焊接在预埋钢板上，为盾构机推进提供反力。但在实际操作中，因施工单位不同、进场时间不同，会出现底板钢板未预埋情况，从而影响施工，且底板钢板位置固定会导致施工具有一定局限性。本工程通过研究一种反力架斜撑与混凝土的连接固定装置解决了上述难题。装置包括盾构机末端连接反力架，反力架通过撑杆与主体结构底板固定，且主体底板上设混凝土底板并在表面开孔，孔内通过植筋胶固定圆钢，圆钢上端固定钢板，钢板厚度等于圆钢伸出混凝土底板的长度，钢板上预先开设与圆钢对应的通孔，圆钢顶端伸入通孔内与钢板满焊固定，钢板与斜撑杆底端满焊固定。通过改良始发反力架设计，以提供一种使用灵活、操作简单、斜撑底部设定位置自由、可适用于多种型号盾构机的反力架斜撑与混凝土连接固定装置。

4.3 富水粉砂地层盾构接收与始发洞门密封

目前采用钢套筒进行盾构接收及始发工艺在洞门密封施工中仍存在诸多问题，如洞门无专门的密封装置，仅依靠注浆进行填充止水，该技术止水措施单一，且受注浆效果的影响较大，浆液配合比不合适或施工人员疏忽导致注浆效果差，将会造成较大的漏水漏砂安全隐患。同时，现有的始发及接收洞门密封依靠折页翻板压紧帘布橡胶板的方式进行堵水，帘布橡胶板与管片之间存在较大间隙，不能达到彻底密封效果，盾构在始发或接收过程中仍存在漏水漏砂风险，且该密封装置后期需拆除，存在严重安全隐患。

鉴于前述原因，为确保工程安全进行，对富水粉砂地层盾构接收与始发洞门密封技术展开研究，针对现有技术的不足，基于盾构始发和接收的隧道洞门密封方法与安全结构对隧道洞门进行彻底密封，密封装置包括预埋有塑性钢环刷的洞门钢环及位于预埋洞门钢环内侧的环形拼装混凝土管片，以解决传统圆环板、折页翻板和帘布橡胶板结构密封不彻底的问题。

4.4 全封闭地铁车站盾构机暗掉头施工

在主体结构已完工的封闭车站内进行盾构掉头，施工过程控制难度大。鉴于此，通过归纳总结盾构机可掉头的车站结构、限制条件及通用施工步骤，强化施工过程，推导框架结构车站内盾构掉头可行性相关公式，研究一种用于盾构台车掉头平移的辅助轮盘系统和千斤顶反力支座，以解决现有技术中盾构台车在车站内掉头平移装置结构复杂、狭小空间内定向移动操作难度大、工作效率较低的技术问题。辅助轮盘系统主要包括承重平台、支撑梁及行走机构(见图7)，其中，承重平台固定设置在支撑梁上方，用于承载盾构台车，行走机构安装在支撑梁下方。千斤顶反力支座由千斤顶卡槽、活动铰及支座组成，其中，千斤顶卡槽用于固定千斤顶，活动铰的一端与千斤顶卡槽固定连接，另一端与支座固定连接，活动铰的转动轴线竖向设置，支座固定设置在地面上。

图7 千斤顶反力支座示意

5 冻结法施工过程数值模拟与分析

5.1 模型建立

基于实测数据利用有限元软件ABAQUS对冻结法施工进行数值分析，根据苏州地铁5号线竹园路站人工冻结设计方案，考虑冻结温度场的影响范围，按工程实际建立三维数值模型，模型整体尺寸为40m×20m×40m。隧道纵向及竖直方向各取20m和40m，隧道中心与两侧边界距离相等。不同温度下粗砂层的相关参数如表1所示。所建几何模型如图8所示。

表1 不同温度下粗砂层的相关参数

图8 杯形冻结土体、拟挖除土体及衬砌相对位置

本模型选用完全热-力耦合数值模拟。冻结法施工中，由于土体中水分冻结成冰的作用，在不同负温下，土体会有不同的弹性模量和泊松比。

5.2 计算结果分析

土体位移结果如图9所示。积极冻结期，地表冻胀位移约17mm，在安全范围35mm内。由于计算模型所采取的假定等原因，计算结果偏保守，冻胀土体的实际位移值应小于计算值，因此冻结方案安全可行。

图9 积极冻结期模型中心纵剖面最终地层位移云图

6 结语

1)设计了一种适用于多种型号盾构机的反力架斜撑与混凝土连接固定装置，解决了因施工单位不同、进场时间不同导致的底板钢板未预埋问题。针对现有技术不足，研究一种基于盾构机始发及接收的隧道洞门密封装置，有效解决了在采用钢套筒进行盾构机始发及接收过程中的隧道洞门密封安全问题。

2)通过研究用于盾构机掉头平移的千斤顶反力支座和辅助轮盘系统，解决了盾构机在狭小空间内掉头平移装置结构复杂、定向移动难度大、工作效率较低的技术问题；同时，能实现盾构机在非工作状态下移动到所需位置，有效提高了工作效率。