复杂地质条件的水平冻结法加钢套筒始发技术

金志超

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101149)

1 工程概况

天津地铁10号线屿东城站与2号线屿东城站为T型换乘，2号线盾构下穿区域为多年前满堂单重管旋喷桩加固区，但目前加固保留效果不良。崂山道站～屿东城站区间下穿正在运营的既有2号线屿东城站，盾构顶面距离2号线车站底为4.395 m，下穿区域内有多种障碍物，见图1。

图1 盾构始发端线路剖面图(单位：mm)

2 工程地质与水文地质

本区间盾构始发处主要地层为：⑧4粉砂层、⑨2粉质黏土层、⑨3粉土层、⑩1黏土层、3粉土层，接收处主要地层为⑥9淤泥质粉质黏土、⑥21粉质黏土、⑦2粉质黏土、⑧2粉质黏土、⑧3粉土层，区间范围土层是第一层承压水含水层。

该试验场地内表层地下水赋养类型主要是第四系孔隙地层潜水；赋养储存于第ⅱ系的陆相黏土层中及其以下的在粉砂及粉砂黏土层潜水中的砂质地下水则具有一定承压性。

第一层微承压水赋存于第Ⅱ陆相层的⑧3粉土、⑧4粉砂及第Ⅲ陆相层⑨3粉土层中，其中⑧3粉土层、⑧4粉砂在土层呈条状或带状均匀分布；第Ⅲ陆相层⑨3粉土层呈透镜体状分布。含量深水层地基厚度0.40～5.20 m，稳定性低水位基层埋深3.64～3.81 m。

3 始发方案确定和工艺流程

通过多次专家论证并结合资源自有情况，最终确定采用水平全断面冻结+钢套筒为始发。工艺流程为：水质检测→冻结孔打设→积极冻结→浇筑垫层→过渡环、安装反力架→→安装钢套筒→安装钢套筒下部→一在钢套筒中填砂→下井并组装盾构机→安装钢套筒上部→安装预加反力千斤顶→水平层面内探孔→破洞门拼负环→二填砂于钢套筒内并注浆→、测试密封密闭性→清除冻结管→冻结状态维持，冷冻效果分析、验收→盾构始发。

4 水平冻结+钢套筒始发方案

4.1 水平全断面冻结技术

4.1.1 水平冷冻设计

盾构机的始发站在水平基层冻结壁的设计中，冻结壁有效结层厚度3.0 m，冻结壁上的平均温度不得高于-10℃，冻结壁与地下基层连续墙体结界面上的平均温度不得超过-5℃。设计阶段取得冷冻土单向轴抗压应力强度比值是3.6 MPa，弯折应力强度1.8 MPa，直剪强度1.6 MPa(-10℃)。检测洞门样品，取得水样品并开展洞门检测，根据洞门检测的实验结果分析计算出在冻结区和加固区域范围内取土体氯离子浓度含量均值为2 220 mg/kg，根据《城市轨道交通冻结法设计施工技术规程》(DB/T 29-251Z—2018)，冻结壁结冰温度为-1.72℃，确定满足冻结要求。

冻结管打设施工前，结合钢套筒及盾构井结构梁设置情况布设冻结孔，避免发生冲突[1]。在往孔内下放冻结管之前先配管，以此确保冻结管同心度。下放完成后使用经纬仪灯光测斜法检测，接着再次测试冻结孔的深度以及进行打压试漏。控制冻结孔试漏压力在0.8～1.0 MPa，稳定30 min压力无变化或前30 min压降<0.05 MPa，后15 min不降为试压合格。安装好冻结管之后，往冻结管和孔口管的间隙中填塞堵漏材料，使之密封，接着拆除孔口密封装置。

4.1.2 积极冻结与停止冻结

冻结管散热系数取250 kcal/(m2·h·℃)，冷量损失系数取1.3，单个洞门所需制冷量为28 410 kcal/h(同时考虑80 m盐水主管路的损失量)。表1为单个洞门设备配置表。

表1 单个洞门设备配置表

1)根据工程设计积极冻结时间35 d。要求冻结孔单孔流量≥5 m3/h；积极冻结7 d盐水温度降至-20℃以下，破洞门时去、回路盐水温差≤2℃，盐水在冻结期间温度应该相应地下降至-28℃～-30℃。保温板涂层软板结构材料使用的是阻燃的导热弹性泡沫软质塑料软板，厚度≥40 mm，导热系数≤0.04 W/m·k。

2)探孔设置。①“死角”探孔，距离冻圈边缘350 mm布置，上部布置3个，下部布置5个，探孔规格Φ63 mm，探孔斜向布置，角度25°/-45°，各斜向探孔伸入加固土体≥1.2 m,探孔布置；②洞圈内正面探孔,探孔呈“田”字型合理均与布置，数量不少于9个，探孔规格Φ40～63 mm，探孔伸入土体≥1 m。始发洞门探孔布置图见图2。

图2 始发洞门探孔布置图(单位：mm)

3)停止冻结。经过测试发现冻结壁温度和厚度满足设计要求后，则打开探孔看是否会涌出泥水，如无则拔管始发和接收。如果盾构没有达到始发和接收位置，可开展维护冻结，不过需注意的是，维护冻结盐水温度应低于-25℃。在盾构机重新进行始发和再次接收后，即可暂时停止压力冻结。

4.2 钢套筒始发

始发钢套筒整体长度11.1 m，内径6.8 m，标准节每段长度2.5 m，与洞门钢环连接环长度0.5 m，采用分块制作，每段设计为上下两个半圆，采用M30高强螺栓连接。

盾构始发钢套筒采用Q235B钢材制作，在环梁工作面设置16个液压千斤顶，16个千斤顶分4组，每组4个，可根据工况分别加力；钢套筒环向、纵向采用10.9级M33×150高强螺栓连接；钢套筒纵向接缝、物料门、圆形孔、方形孔处防水采用10 mm厚橡胶垫，环向防水采用锯齿形密封条，环向密封条处涂抹硅酮胶。

4.2.1 安装过渡环

认真测量洞门上预埋A板的实际平整度，并据此制定过渡环，利用焊接的方式使过渡环与A板连接，焊缝沿过渡环一圈内外侧满焊，保证焊缝具有饱满性。如果发生过渡环与连接板不能跟洞门环板紧密相贴的现象，可以往有空隙的地方塞钢板并连接牢固，注意必须填满空隙。洞门环板与过渡板全部密贴后则将过渡板满焊在洞门环上。

4.2.2 安装钢套筒下半圆

在基坑内预先确定了露出基坑井口处的中心线，一次性将钢套筒安放到预定位。吊下第一段钢套筒的盾体下半段，让两块钢板和套筒的盾体中心和整个盾体上的中心线相互重合，在套筒下半段的钢套筒左右两边的两个法兰处各设置一块橡胶密封垫，密封垫厚6 mm。在跟第二段的下半段各部分进行连接时中也应保证连接位置一致，做到连接螺栓孔连接对位精准无误。

4.2.3 钢套筒内安装钢轨

在钢套筒下面90°圆弧内平均分布安装4根38型钢轨，钢轨从钢套筒后端铺设至跑洞门围护结构2 m位置，钢轨两侧通长焊接。要想盾构机始发时维持抬头的趋势，将靠近洞门端的钢轨垫高20 mm，盾尾端钢轨不垫高。38型钢轨高134 mm，盾尾下方与钢套筒间隙134 mm，盾尾上方与钢套筒间隙136 mm，刀盘下方与钢套筒间隙154 mm，刀盘上方与钢套筒间隙66 mm。

4.2.4 第一次钢套筒内填砂(钢轨之间铺砂、压实)

在钢套筒底部4根钢轨之间铺砂并压实，每个位置的铺砂高度应比相应钢轨的高度多15 mm，等盾构机放上后进一步压实，保证底部砂层提供充足的防盾构机扭转摩擦反力。

4.2.5 安装钢套筒上半圆

二回填砂后将钢套筒筒上半圆，并调解至最佳状态，并对每处的连接位置进行查验，保证连接无误。

4.2.6 钢套筒内盾尾止水装置

钢套筒、负环管片与反力架交接处关系示意如图3所示，其中环梁设置16根75 t千斤顶并提前施加预应力，对反力架与钢套筒进行水平方向预压，消除微小间隙，防止始发时盾构机推力使钢套筒产生的水平向的过大变形。始发前负环、盾壳与钢套筒之间填入砂子，且同步注浆系统将浆液注入砂中，共同止水。

4.2.7 安装负环、盾构机刀盘推进至洞门掌子面

安装好钢套筒、反力架且盾构机调试无误后，开始安装负环、盾构机向前推进至刀盘面板贴近洞门掌子面，此时注意不需要切削掌子面。第一环负环在盾尾内拼装成型后，利用螺栓来连接管片与反力架，并使用千斤顶将后顶部紧密地和反力架贴合。

4.2.8 负环管片壁后注浆

要想确保之前的密封效果，在盾构机刀盘贴近洞门掌子面后，通过靠近反力架两环管片的吊装孔开展壁后注浆[2]，采用水泥浆浆液，使负环管片与钢套筒后面形成密封防渗环，同时注浆压力不大于350 kPa。

4.2.9 钢套筒压力测试

检查渗漏情况：将钢套筒中注入水，通过加水孔进行这一操作，在加满后检查压力值，达到3 bar便停止注水，要注意保持压力稳定，再次核查各个连接部位，包括连接板、钢套筒以及反力架的连接处[3]。

每个级别的加压时间及过程就要保证在：0～1.0 bar，10 min内，检测停留时间10 min；加压时间不超过15 min，检测停留时间25 min；2.0～2.5 bar则加压25 min以下，检测停留时间45 min，以此类推。

4.2.10 技术效果评价

水平冻结加钢套筒始发技术采用双重保险的方式，对运营车站下土体进行冻结。在盾构始发洞门破除时极大降低风险；同时减少水平冻结加固长度，降低了冻胀融沉的影响范围，确保了运营车站和在建车站的安全。

5 结束语

盾构施工在复杂地质条件下的难度较大，尤其是富水地层，更易发生质量乃至安全问题，本文以具体工程为实例，对既有车站下复杂地质条件的水平冻结法加钢套筒始发技术进行了研究，希望对同类施工提供参考。

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