富水砂层中钢管片冻结法更换盾尾刷技术探析

饶 彪

（佛山市铁路投资建设集团有限公司 广东佛山 528041）

0 引言

随着城市开发向纵深发展和地下空间的充分利用，地铁施工范围越来约宽泛，大部分沿海城市多有在建或规划中的地铁线路，而盾构施工技术作为一种高效先进安全的隧道施工工法，具有自动化作业程度高、掘进速度快、对周边环境干扰小、受气候因素影响小等优点，现被广泛应用于隧道施工中［1−5］。然而，在长距离、曲率较大的隧道掘进过程中，盾构机盾尾刷极易磨损，从而造成盾尾渗漏，2018年佛山“2·7”事故就是前车之鉴。为保证工程质量与施工安全性，必须定期更换盾尾刷。为确保盾尾刷检修、更换作业的安全性，有必要先对地下水进行阻隔。现行常用加固方法有注浆加固法、开孔冻结加固法等［6−7］。这些传统加固方法，均不同程度存在着工期长、效果差、费用高等问题［8−10］。相比较而言，钢管片冻结更换盾尾刷技术是采用将冻结管预埋在钢管片内，并按管片拼装要求拼装在盾尾，注入冷媒将盾构前后位置进行冻结，形成环形冻结帷幕。冻结体具有强度高、均匀性好、环向保护可靠，能精准地保证盾尾刷更换期间的施工安全［11］。

1 工程概况与分析

佛山地铁某区间右线长度为1 393 m，共计928环管片。盾构隧道管片厚度380 mm，内径φ5 440 mm，外径φ6 200 mm，标准环环宽1 500 mm。本工程采用盾构机盾尾安装了3 道密封钢丝刷及6 根油脂注入管道，在密封刷中注入密封油脂以防止隧道周边区域水土流失和工程结构内渗水，盾尾刷结构示意图如图1所示。

图1 盾构机盾尾刷结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Shield Tail Brush Structure of Shield Machine

盾构掘进至758 环时出现渗漏水，现场采取加大盾尾油脂用量，盾尾管片间隙填塞海绵条，焊接盾尾止浆小钢板等措施进行盾尾封堵，经处理复推后掘进30环至786环，渗漏情况未得到改善，经分析判断3道盾尾刷均已经磨损，无法恢复原设计功能［12−13］。考虑后期盾构掘进安全，决定进行盾尾刷更换作业。

2 冻结钢管片分析与设计

钢管片的横截面设计如图2 所示，钢管片冻结更换盾尾刷技术采用具有预埋冻结管的钢管片，钢管片内部为网格型，冻结管互相连接，形成完整冻结去回路，通过冷冻机组将冷媒输送到冻结管，依据热传递原理吸收土体中的热量，达到将盾构机尾部环状土层冻结的目的，最终形成一道环向冻结帷幕，对盾尾进行保护。为保证盾构四周环形区域冻结帷幕均匀，钢管片间连接处设置盲管，各节管片的内置冻结管通过U型管路首尾相连，形成闭合冻结去回路。

图2 钢管片横断面设计Fig.2 Cross Section Design of Steel Pipe Sheet

3 冻结准备工作

3.1 盾构机选型

盾构机选型应考虑拼装机行程及盾尾尺寸匹配问题，需满足管片拼装好后推出到露出盾尾刷位置时，拼装机行程足够拆除并重新拼装管片的要求。当拼装机行程不足时还需额外采取措施进行人工管片装拆和顶推。另外，还需考虑盾构机前进千斤顶行程满足推出盾尾刷距离。

本区间所选盾构机的特点为拼装机行程满足第一道尾刷位置管片拼装要求，但前进千斤顶行程不足。综合考虑，最终采用临时钢支撑予以前进千斤顶行程补偿的办法，更换第一道盾尾刷。

3.2 冻结位置选择

盾构刷更换位置宜结合区间联络通道段，选取地面次生风险较小，地质条件好的位置。本区间结合富水砂层及盾尾刷渗漏情况，选择在788 环作为盾尾刷更换点，在787 环安装预埋冻结管钢管片。

通过现场补勘情况揭示可知，其地址勘测如图3所示，更换盾尾刷位置地层从上至下依次为：〈1−1〉素填土、〈2−2〉淤泥质粉（细）砂、〈2−1B〉淤泥质土、〈2−2〉淤泥质粉（细）砂、〈3−1〉冲洪积粉细砂、〈3−2〉冲洪积中粗砂、〈8−2〉中风化泥质粉砂岩。地下水位深度约为1.42 m，隧道周边区域为淤泥质土，含水率及渗透系数高，适用于冻土固结加固。

图3 地质勘测Fig.3 Geological Survey （mm）

3.3 冻结位置预加固

⑴为尽快充填盾尾与土体之间的空隙，及时支撑管片周围土体，防止掘进过程中产生过大变形从而危及周围环境安全，在掘进至785环时，将盾尾同步注浆量提高至常规同步注浆量的1.2 倍，以期形成止水帷幕，作为第一道安全保险。同时，在第783、784、785、786 环采用双液浆从吊装孔进行二次注浆，填充管片背后局部不均匀或因同步注浆浆液固结收缩而产生的空隙，提高同步注浆层的防水性和密实度，从而达到管片与土体之间加固封水效果，作为第二道安全保险。其中，浆液配合比为水泥浆浆液水灰比为0.8∶1（质量比），水泥浆液∶水玻璃溶液=10∶1（体积比）。

⑵注浆顺序从下而上进行，注浆钻孔深度为40～50 cm，注浆压力以不超过0.4 MPa，注浆过程中需密切观察，防止管片因受力不均出现错台，二次注浆凝结后，打开吊装孔封盖检查注浆效果，用钢筋打穿凝结浆液层，若发生漏水则继续注入水泥浆以堵塞渗水通道。为预防突发漏水风险，现场需准备聚氨酯随时准备堵漏。

⑶在对784、785、786 环混凝土管片拼装过程中，在下半部分放置数条约10 cm厚的海绵条，作为第三道安全保险，以期减少盾尾漏浆，提升双液注浆止水效果。

3.4 冻结前盾构掘进

冻结钢管片依照由下至上顺序拼装，拼装过程应缓慢、稳定地进行，严防磕碰损伤，保护管片冻结管不被破坏。拼装完成后，使用保温隔热材料，填实管段肋板空隙。

为预防漏出盾尾刷更换过程中出现盾尾渗漏，冻结前需将788 环作为预拆环进行拼装。预拆环由6块节段组成，现场拼装5 块节段，预留11 点位置的K 块不拼装，其空隙用两根I20工字钢支撑代替，便于观察盾尾刷的露出情况及管片拆卸。

预拆环管片示意图如图4所示，拼装预拆环后，需将千斤顶继续顶进2 500 mm，才能将第1道盾尾刷完全外露。而推进千斤顶仅有行程2 000 mm，需额外增加长度为500 mm 的钢支撑，此时总计行程长2 000 mm+500 mm=2 500 mm，其行程示意图如图5所示。

图4 预拆环管片示意图Fig.4 Schematic Diagram of Pre-disassembly Ring Sheet

图5 千斤顶行程示意图Fig.5 Schematic Diagram of Jack Stroke （mm）

当预拆环拼装完成，需继续推进时，推进至预拆除环K块缺口处，直至观察到第1排尾刷露出为止，以保证第1 排尾刷更换的可操作性，此时必须确保第2排盾尾刷不能漏出管片，避免造成盾尾脱出过多，影响后续复推时管片拼装。

尾刷预留位置示意图如图6所示，其中，加长钢管支撑长500 mm，等级Q235，直径240 mm，壁厚16 mm，设计12根。根据该地区类似盾构施工经验，盾构泥土压力一般在2.5 bar 以内，本工程偏安全考虑，取P1=3.0 bar代入计算。据土压计算总推力F1=P1×π×D2÷4=0.3 MPa×3.14×6.492÷4≈992.4 t。控制推力F2=1 600 t，施工过程掘进推力计算值未超过控制推力F2，故取F=max（F1，F2）=1 600 t，单根加长钢管支撑需要承压Fe=1 600 t/12×10≈1 340 kN。

图6 尾刷预留位置示意图Fig.6 Schematic Diagram of Reserved Position of Tail Brush （mm）

在有限元中输入钢管支撑截面几何特性、材料特性、荷载等信息，对其强度、稳定性进行构件验算，计算结果显示构件处于安全状态。

4 土体冻结工作

4.1 地层冻结设计

地层冻结设计主要包括冻土结构设计和冻结三大系统（制冷、冷媒、冷却水）设计。

⑴冻土结构设计直接采用结构设计力学模型，除考虑抗滑移，抗倾覆，抗渗透外，还需考虑地质水文条件。当地下水流速大于一定限度（5 m/d）时，将影响正常冻结，因此当冻结点附近600 m范围抽水试验大于200 m3/h，或有水源时，必须实测冻结点含水层流速。此外地层含盐量或地下热源影响结冰度，当低于2 ℃时需专项设计。

冻土结构设计首先应考虑功能要求，是只止水或即止水又承载。人工冻土力学性能可参考《人工冻土物理力学性能实验：MT/T 593—1996》规定。关键考虑地层含水量和扰动值对土体冻结的影响。

⑵ 冻制系统设计

根据永久结构及冻结土帷幕厚度确定冻结孔布置。冻结孔间距需根据冻结土帷幕厚度，冻结土帷幕平均温度，冻结工期确定。其中冻结壁温度采用恒定温度场假设，并通过测温推定平均值。

冷冻站包括氨制冷设备、盐水泵、冷却水泵及其管路系统，其安装需符合《制冷设备、空气分离设备安装工程施工及验收规范：GB 50274—2010》、《氨制冷系统安装工程施工及验收规范：SBJ 12—2011》、《机械设备安装工程施工及验收通用规范：GB 50231—2009》、《工业金属管道工程施工规范：GB 50235—2010》的有关规定。此外配电系统应符合《电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施工及验收规范：GB 50171—2012》的有关规定。制冷站密封性实验应满足《煤矿井巷工程施工规范：GB 50511—2010》的有关规定。总体设计需考虑地层热容值计算总体制冷量。

本冻结方案的冻结站设备包括冻结机、盐水箱、盐水泵以及电箱等（见图7）。冻结站安装在铺设6 mm 厚木板的电瓶台车平台中，平台长20.747 m、宽1.5 m，面积约31.1 m2。其中，冻结液采用比重为1.26～1.27 的氯化钙盐水溶液，制冷剂选用氟立昂R−22，冷却水则采用本盾构掘进系统的循环水。

图7 冻结站平面布置示意图Fig.7 Schematic Diagram of Freezing Station Layout （mm）

冻结管及钢管片视为一个整体，作为传热介质，冻结管焊接于钢管片内侧和外侧。各块管片内冻结管均独立并留有连接口，在管片拼装完成后，通过U 型管将预留连接口连接，使冻结管形成完整回路，冻结管路设置伸缩接头、压力表和测温仪、阀门、流量计等控制测量元件。正式使用前进行管路严密性试验，确认盐水无渗漏情况，使用橡塑材料和塑料薄膜对管路进行密封。同时，为保证冻结效果，需对钢管片前后一环进行保温处理。

4.2 冻结施工

冻结系统积极冻结盐水温度应降至−28 ℃以下，盐水去回、路温差不大于2 ℃。在积极冻结中，冻土发展速度未25～35 mm/d，综合考虑冻结施工的不均匀性等因素，为形成半径为300 mm 的冻土帷幕，冻结施工时间约为8～12 d。

每块管片（除K 块）设置2 个监测孔，分别为测温孔、泄压孔，整环钢管片共设置共计10 个的监测孔。测温孔用于监测冻结期间温度场，冻结施工期间观测频率12 h/次，尾刷更换期间8 h/次，解冻期间24 h/次。泄压孔孔口安装压力表和用于泄水的通道和控制阀门。压力表精度为0.02 MPa。在运转前，检测地层初始水压，当泄压孔实际水压超过其初始压力0.2 MPa时，应放水泄压。冻结期间，地层水压观测频率为12 h/次。若水压发生持续上涨，应加强观测频率至6 h/次。

为确保冻结施工形成可靠冻结帷幕，在冻结施工中，应进行实时温度、压力监测，对冻结效果进行分析判断。对于薄弱环节，应打探孔检验实际冻结效果。根据计算分析理论结果，结合现场实际测温结果，分析冻结帷幕的形成情况，确定积极冻结时间，评价冻结帷幕成型的质量与安全性。

5 盾尾刷更换工作

5.1 预拆环拆除

积极冻结期间，及时用测温传感器进行温控监测，当判定盾构管片周边环形冻壁厚度达300 mm 以上、管片无渗漏水现象，即可进行预拆环拆除。

预拆环管片拆卸应分步自上而下进行，随拆同步增设加长钢管支撑（L=500 mm），加长钢支撑采用焊接20 mm 钢筋与盾尾连接的防坠构造。液压千斤通过加长钢支撑顶住上一环管片，在盾尾间隙填充泡沫，用螺栓固定1 cm 厚止浆压板，在盾构掘进恢复后须取下止浆板，重新粘贴缓冲垫及止水胶条等，其示意图如图8所示。

图8 泡沫止浆板示意图Fig.8 Schematic Diagram of Foam Stop Board

5.2 盾尾清理

管片拆除后，在清理干净密封尾刷处的油脂、砂浆等物质后，对尾刷进行割除工作，作业前应提前采用湿润的石棉覆盖盾尾内的机械和电线，做好保护措施，防止作业时的火花引起火灾。也可防止作业时的碎料进入机械影响机械使用，盾尾刷割除后及时对割除区域进行磨光处理。

5.3 尾刷切除及焊接

盾尾刷切除时，需采用接触式温度计检测盾体内表面温度，当其温度高于−5°C 时进行盾尾刷更换、焊接作业，避免低温环境下焊接质量问题。作业人员应佩戴防寒用品，为避免焊接作业产生的温度对冻结效果影响，应采用跳焊方式对盾尾刷进行更换。焊条规格采用φ5mm 506，焊接尾刷间距应不大于3 mm。焊接过程随时监测盾尾筒体温度，特别注意靠近钢管片的位置，防止焊接热量影响冻结效果。焊接工作结束后，应立即进行保温保护，使用岩棉包裹焊接接头，进行自然冷却，防止温度骤降影响焊缝成型质量。

5.4 尾刷涂抹油脂

在盾尾刷焊接完成并经验收通过后，方可开始进行盾尾油脂涂抹工作，涂抹时将钢丝刷分层拨开后注入油脂，涂刷油脂应填塞饱满、不掉落、不漏涂。

5.5 解冻及融沉

土壤冻结过程不仅使土本身性质发生显著变化，同时由于水分向冻结锋面迁移及相变致使体积增加。一般来说冻结工程完成后产生的沉降由融化体积收缩及地层模量下降导致压缩沉降两部分组成。粉土层结合水强度及透水性强度适中，地层的融沉效果十分明显。融沉控制方法主要包括埋设泄压孔，间歇供冷，速冻模式，强制解冻，跟踪注浆等方法。

本区间盾尾刷更换完成后，掘进前先对盾构机尾部盾壳交圈周边的冻土实施解冻，在原有冻结管中注入热水进行循环解冻。同时，为防止冻土融沉，应通过管片预留孔对冻结区域进行充填注浆。

6 结语

本次钢管片冻结更换盾尾刷技术在富水砂层中的应用效果非常明显，整个更换作业施工工期约20 d左右，较地面注浆加固更换盾尾刷、管片开孔冻结更换盾尾刷节省工期约2 个月时间；施工费用共计200 万左右，较其他两种传统更换盾尾刷技术节省一半费用，同时钢管片冻结更换盾尾刷技术更加安全可控，冻结效果和施工情况可以很直观地察控制。因此，钢管片冻结更换盾尾刷技术值得在富水软弱地层广泛推广。