地铁隧道盾构机接收的冷冻钢套筒施工技术研究

牛国亮

(中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏无锡 214000)

1 引言

近几年，盾构工程建设的机械化程度已逐步提高，并逐步应用于城市轨道交通建设中。而在地铁隧道整个施工环节中，盾构机的始发与接收是关键环节。多项研究发现，在施工过程中遇到相对较弱的地层时，盾构机掘进的接收可能面临更大的风险，为了安全地进行盾构掘进接收，通常需要加强对端头的固定处理，主要采取注浆、冻结方式。当单独使用一种固定方式无法稳固地层时，则需要采取更多的加固措施以保证其稳定性。目前，尽管我国对于钢套筒接收技术已经有了较多的研究，但由于地质条件的不确定性以及复杂性的影响，在施工过程中仍可能出现较多的问题。因此，需要对地铁隧道盾构机接收的冷冻钢套筒施工技术开展的可行性进行分析，并制订合理的解决方案保证施工安全。本文将针对盾构的冷冻联合钢套筒接收技术进行深入分析。

2 冷冻与钢套筒施工

2.1 冷冻施工

一般情况下，根据冻结帷幕设计，接收洞门冻结孔水平角度布置，冻结孔开始钻孔的顺序一般为：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。由于钻孔封闭后的冷冻效果十分关键，因此，钻孔孔口的密封十分关键。

根据相关要求调整钻机的方位角和螺距角位置后，将旁通阀安装在孔口装置上，并固定密封装置。施工时，应选择无泥浆钻井技术，当钻孔工艺可调整为采用泥浆钻井方法时，应打开孔口装置上的旁通阀，观察水、砂的情况。在施工过程中，钻孔可采用MX-120A 钻机，扭矩为2 000 N·m，推力为17 kN。钻孔完成后，需要检查冷却孔密封情况。检验方法为：将水注入成型管，进行冷冻管密封试验，试验时压力设置在0.8 MPa，30 min 内的压力值变化范围在0.05 MPa 内，在密封45 min 后压力并无变化则视为密封性合格。

2.2 钢套筒施工

1）钢套筒主体结构：钢套筒是一种一端开口的桶状结构，其整个接收的总长可达到11 170 mm，主要由1 个过渡连接环（长度在700 mm）、4 个筒体（长度为2 500 mm）、左右工字钢支撑以及1 个长470 mm 的后端盖组成。此外，根据每个地铁站点的不同，接收井的接收方式也不相同，多数情况下接收井多为封闭式，需要将钢套筒的筒体进行分块，使用10 t 龙门吊架平板车分别运输至西端头。

在钢套管开始安装前，需要确定线路的中心线，即钢套管的中心线。在完成钢制套管的定位后，要确保钢套管底中心线、隧道中心线和控制线相互重叠，以保证技术的准确性。负3层顶部开口的吊装孔约为100 mm。10 t 电葫芦可将钢套筒转移至左侧井口，按顶灯放置组装。组装完成后，沿着线路方向靠垫45B 型工字钢，使用工字钢整体顶推钢套筒，使用渡环紧贴洞门，确保钢套筒和隧洞的中心线误差不超过5 mm。

2）钢套筒支撑钢套筒、孔门钢环焊接完成，经相关人员仔细检查确认后，可安装筒体上部、侧部支撑。在每个钢套筒的中间设置1 个斜撑，侧壁上应有2 个平撑，并在两侧设有12个支撑，固定在钢套筒负3 层板底和侧壁上。

3）钢套回填及整体密封性检查。钢套筒回填土的材料主要是在盾构掘进过程中改进后再次使用，可通过地面泵到钢套的内部。如果压载土相对较厚，则需要加入适量的清水进行稀释。钢套筒完成后回填土，进入钢套的注水压力要达到0.3 MPa，然后停止注水，保持压力稳定。检查每个连接部分，包括洞门连接板、钢套筒纵向及环向的连接位置、钢套筒与反力架的连接处是否出现渗水或漏水现象。加压时间约控制在10 min，停留检测时间为10 min，压力在0.1～0.2 MPa，各级压力施加时间大概控制在15 min，停留检测时间控制在25 min；压力在0.2～0.25 MPa，压力时间约控制在45 min，停留检测时间控制在120 min。如果加压开始后检测的过程中出现渗水、漏水及焊缝脱焊的情况，需要立即进行卸压处理，可拧紧螺栓或重新焊接。

3 盾构机的推进

3.1 盾构机的停机保养制度

当平板离冰箱约10 m 时，盾构机的平板需要关闭。定期对盾构机及配套设备进行全面维护，确保所有相关设备处于最佳工作状态，为接收盾构机做好准备工作，检修保养内容主要包括：驱动动力系统（包括电机、高压油管等）、电气控制系统（包括了电磁阀、传感器等）、注浆系统（包括检修注浆泵、清通注浆管路等以保证管路的畅通）、转运系统（包括电瓶车、含皮带机，其中尤其需要对电瓶车进行检修，保证刹车功能正常）、气压设备检查，气压设备应按0.3 MPa 进行检查，并对气压设备的气密性进行全面检查。另外，还应检查盾尾的密封情况，以确保各部件的密封性能良好。此外，加强螺旋输送出土口闸门的检查和维护管理。

3.2 刀盘进入冷冻体之前的推进工作

在盾构到达前的200 m 范围内，每50 m 需要进行一次导线及高程复测，确定当前盾构机的接收状态。将土仓压力均控制在0.23 MPa，出土量应不超过42 m3，同步注浆方量应不低于5 m3，注浆的压力需要设置在0.3 MPa，刀盘的推理应不超过2 000 t，刀盘的扭矩也不应超过2 000 kN·m，推进速度不超30 mm。

3.3 刀盘在冷冻体中的推进工作

在刀盘进入冷冻体中后，由于外圈冻结管仍在维护冻结，因此，在穿越冻结体期间需要一直维持刀盘的转动，预防在停机时刀盘冻结[1]。

1）盾构机推进参数整体控制。盾构机在冻结体中应保持匀速缓慢掘进，土舱的压力应调整在约2.3 kPa，出土量应不超过4.5 m3，注浆压力设置在0.3 MPa，刀盘推力应不超过2 000 t，刀盘的扭矩不能超过2 500 kN·m，速度并不大于15 mm/min，刀盘转速应控制在1.5～2 r/min，土舱前闸门应适当进行活动以保证土舱能够正常出土，螺机出土的速度应不宜过快，预防出土量较大影响工程的进展[2]。

2）盾构机刀盘预防冻结的控制方式。盾构机在冻体内时需要保持持续运行，主要是由于冻体较强，且由于外圈冻结管在持续冻结中可能会出现刀盘扭矩较大或电机温度过高后导致刀盘跳闸，因此，在刀盘运转期间可能导致渣土被冻结后影响刀盘的正常启动，此时往往需要人工进入舱内进行凿除作业，该作业存在着较大的安全隐患。因此，在盾构机穿越冻结体期间，刀盘应时刻保持转动状态，并且需要密切关注底盘扭矩以及电机的温度等参数的变化，当温度超过预期的警报值时，应及时暂停并开展对应的整改措施再恢复推进。

3）盾构机推进辅助措施。平板电机温度达到报警后立即停机，但需要保持空转状态，还需要采取冷却措施，在循环水中高温加冰，还可设置风扇在电机前面和冰冷却。此外，如冻结强度高，扭矩或推力过大，为了确保冷冻盘能顺利挖掘，可以适当在刀盘前进方向的地面洒布盐水减少隧道的掘进难度。

3.4 盾构机在钢套筒中推进工作

注意观察刀盘里程，当刀盘将冷冻体移到地面连接壁和侧壁时，立即停止刀板的旋转，以防止损坏钢环刷。此外，可采用平推法，推进速度不能超过20 mm/min，推力不超过1 000 t。还需加强钢套相关人员的检查工作，注意检查钢套管连接漏水、后端盖斜支撑和底钢板的水平，并将钢套内压力大约控制在0.3 MPa。

4 洞门注浆封堵

采用冻结法加强盾构接收，隧道装配多孔叶片应不少于7 个环，接收环应为背盖钢管叶片，并严格控制盾构机的推进过程，在盾尾退出冷冻体后的剩余30 cm 处暂停，通过多孔管保留灌浆孔，进行第一次灌浆封堵，灌浆顺序由上到下交替进行，左右对称。洞口封堵注浆可采用双层浆液进行，采用水玻璃，按1∶1 的比例稀释，用水浆液按1∶1 的比例进行注浆工作，双液浆凝固的意见一般不超过60 s，注浆压力均不超过1 MPa，在注浆完成后应及时关闭球阀，待管片注浆完成后，应逐环检查注浆效果，开孔检查深度应至管片背后15 cm以上的部位，确定注浆孔后无流水流砂的现象时完成第一次注浆。第二次注浆封堵时，盾构机需继续推进，在盾构机推出洞门后预埋钢环，剩余的约30 cm 应暂停推进，通过多孔管片预留注浆孔以进行二次注浆封堵，注浆顺序应自上而下并左右交替，在注浆完成后关闭球阀，并检查注浆的效果，开孔检查深度至管片15 cm 以上部位，保证在注浆孔后并无流水或流沙的现象。

5 结语

当前，盾构接收采取的冷冻法加固与钢套筒相结合的技术，能够顺利完成在土层中盾构接收的工作，且使用的效果及质量均较好，并无明显的变形、渗水、流沙等情况。能够将冷冻钢套筒接收技术应用在土层盾构接收工作中。