高水压软土地层HFE盾构始发研究与应用

李有兵，余 浩，张 亮

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030001；2.中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032）

哈尔滨市轨道交通2 号线一期工程为哈尔滨轨道交通网络中由北部至东南的骨干线路，自松北大学城站至香坊区的气象台站，线路全长28.7km，共设19 座地下车站，其中世茂大道站-冰雪大世界站、太阳岛站-人民广场站为过江区间，端头始发水头高度高、地下水位埋藏浅、水量丰富、地层透水性强、与松花江水系有水利联系，围岩土体的自稳能力差，且软土刀盘不具备地下连续墙破除能力，需要人工破除洞门地下连续墙，始发及接收风险较大。人民广场站-尚志大街站、尚志大街-博物馆站、博物馆站-工人文化宫站距松花江较近，始发端头靠近建筑物，始发及接收风险大、对沉降要求极高。

1 HFE法简介

始发前地层的加固非常重要，常见的加固方法有：高压旋喷法（广深港狮子洋隧道盾构始发地层加固）、三轴搅拌桩法（太原地铁2 号线学府街站-长风街站左线隧道盾构始发地层加固）、冻结法（深圳地铁5 号线民治站-五和站左线隧道盾构出洞）、地连墙法和水平注浆法等，这5 种地层加固方法单独使用，对高水压软土地层的帷幕止水和地层稳固效果差，HFE 法便应运而生。

由于哈尔滨地铁盾构始发端地下水量丰富、透水性强、水头高度高，需要人工破除洞门地下连续墙，且高水压软土地层的自稳能力差，施工中创新地采用高压旋喷桩（High pressure jet grouting pile）加强地层自稳性、减少侧向水土压力；同时采用冷冻法（Freezing method）隔绝地下水、防止涌水、涌泥，确保洞门破除安全；同时采用洞门外接环（External ring）在盾构始发时密封止水，三者形成多道防线，优势互补，与地下连续墙贴合紧密，工序衔接连续性好，可靠性高，有效减少始发过程中的薄弱环节，降低盾构始发风险。这种高压旋喷桩和冷冻法相结合的加固方式及外接环洞门密封防水装置，三者进行优化组合的施工方法，即HFE 法。

2 泥水盾构始发技术

HFE 法盾构始发工艺流程见图1。

图1 HFE法盾构始发工艺流程

2.1 高压旋喷加固

1）旋喷加固设计 常规加固长度按照盾体长度+两环管片的长度来计算，根据现场水文地质情况，优化为满足水土压力即可。按水土压力计算加固长度，盾构（左右线）外径外侧3.0m，底、顶部各3.0m 范围内为加固区，加固长度按照洞门破除后水土压力计算，这样既安全可靠，又节约成本，这是HFE 法的优点之一。

2）高压旋喷施工 按照设计图纸要求，编制施工方案并进行试桩，根据试桩结果确定施工参数并进行施工，在满足设计要求的基础上尽量降低旋喷加固体强度，便于后期掘进，端头加固见图2。

图2 端头加固图

2.2 冻结设计及冻结

1）冻结设计及冻结管施工：根据总设计要求对冻结进行深化设计，在满足施工需要的同时，本着科学合理、经济务实的原则布置冻结管。为了准确掌握冻结帷幕的发展状况，在每个端头冻结围幕范围之内及设计冻结范围边缘布置测温孔，布设测温线，测温孔位置可根据实际情况来布置，冻结孔和测温孔布置平面图见图3。

图3 冻结孔和测温孔布置平面图

2）冷冻设备安装、冻结站管路安装，冻结系统调试及试运转，冻结。试运转时，调节压力、温度等参数达到相关工艺规范和设计的要求。冻结时，定时检测冻土墙扩展情况，实时掌握盐水温度和流量，根据冻土墙的冻结情况，及时调整冻结系统的运行参数，当冻结系统运转正常后，进入积极冻结。冻结期间，要求7 天内盐水温度降至-25℃以下。冻结时，冻结孔钻进深度应不小于设计深度，冻结孔孔位垂直度偏差应控制在100mm 以内，如果冻结孔的垂直度偏差过大，则需要重新钻孔。冻结管的密封试验压力值应为0.8MPa，30min 内压力无变化为合格，冻结体平均温度应低于-10℃，冻结体与地连墙的连接处及附近温度应低于-5℃。

3）冻结时机要求：盾构组装和调试的过程中，同步对始发端头地层进行积极冻结，冻土平均温度和厚度达到设计值后，将盾构推入外接环，进入洞门，距冻结体20cm。先拔第一、第二排冻结管，拔至盾构上方，继续冻结。拔管过程中不需完全解冻。强制解冻第三排冻结管至盾构上方，继续冻结。依次类推，在隧道范围内所有冻结管全部拔至盾构上方，并冻结达到设计要求后，盾构方可始发。隧道两侧的冻结管暂时不拔，待盾构穿过最后一排冻结管后，再拔出并填充。尤其注意，最后拔出地连墙附近的冻结管，以防拔管后孔底土层融化导通地下水。在保证安全的前提下，尽量减少冻结体的体积，以减轻冻胀和融沉对周边建筑物及地下管线的影响。

2.3 盾构始发准备及外接环安装

对已加固的端头土体进行检查，确保地基承载力满足起吊设备施工安全后，开始在始发井内组装盾构。①将后配套单元车通过始发井吊入车站内，然后组装；②将盾构主机依次通过始发井吊入车站内，然后把主机和后配套单元车连接起来；③对盾构整机进行调试；④同步进行水平运输系统、垂直运输系统、制浆系统、泥浆处理系统等安装和调试；⑤同步进行冷冻系统积极冻结；⑥同步完成反力架安装，进行负环管片拼装，为盾构始发做好准备。

为防止掘进掌子面泥水和注浆浆液的流失，在洞门钢环外又增加外接环，外接环长750mm，由3 道密封结构构成，第一道和第二道密封装置由两道橡胶密封板，翻板、圆环板、垫圈和螺栓等组成。第三道密封采用钢环外侧焊接盾尾刷密封，形成两个密闭腔体，外接环两密闭腔间预留带有闸阀的注脂孔，盾构始发前需通过油脂加注孔向两个密闭腔内注入油脂以保证密封的良好性，洞门临时密封装置如图4 所示。

图4 洞门外接环剖面图

2.4 洞门破除

盾构始发准备工作完成并冻结加固达到设计效果后，为保证洞门围护结构稳定，洞门围护结构破除要分块、分层，从里到外从上到下的方式进行凿除，首先将背土侧（内层）的围护结构内层钢筋保护层混凝土凿除，并用气割切掉钢筋，然后继续凿至迎土侧（外层）的钢筋外露为止，洞门破除过程中继续维护冻结，做好冻土面保温，防止冷量损失，冻结体解冻，然后破除下一块围护结构，确保洞门破除安全。当盾构安装调试完毕，推行盾构就位后，再拆除保温棉，快速将余下围护结构外层钢筋割除，进行清理后，即可始发，破除过程中注意冻结管的保护。

2.5 外接环手抹油脂涂抹

为确保密封效果及缩短建压时间，洞门破除完毕并清理完成后在3 道密封结构形成的密闭腔体内及尾刷上涂抹手抹油脂，手抹油脂分层涂抹，必须确保手抹油脂在盾尾刷密闭腔内均匀分布，油脂尽量塞到外接环尾刷根部，涂抹顺序原则上从下向上，以免上部涂完后油脂掉落至下部作业人员身上，已涂完部分要注意保护，上部涂抹之前，应用帆布将临近设备覆盖，以免油脂污染设备。外接环手抹油脂涂抹完成后继续拼装负环，将盾体向前推进，推入洞门前，在刀盘外周和橡胶帘幕外侧涂抹润滑脂，防止划破橡胶帘幕影响密封效果，为确保冻结管安全，将盾体前移至冻结体前20cm 即停止推进。

2.6 开挖面建压

1）外接环密闭腔油脂注入 当刀盘推进到预定位置，用注脂管连接外接环预留注脂孔和油脂分配阀，打开注脂闸阀，使油脂从外接环预留注脂孔注入两道钢丝刷之间，填满其空隙；为杜绝洞门渗漏水、避免泥水压力损失，油脂注入压力应大于切口水压，形成溢流。

2）泥水建压 油脂注入达到预定压力后，打开泥浆管，逐步抬高开挖仓液位，观察外接环漏浆情况，若漏浆则暂停泥浆注入，继续在漏浆处加注油脂，若洞门达到密封效果，则逐步提高切口水压。为减小泥水对外接环的压力，确保外接环密封效果，建压时可在允许的范围内尽量降低切口泥水压力，严禁超过洞门橡胶帘幕的耐压值。

2.7 掘进轮廓内冻结管拔除

当泥水压力建立、确保外接环密封效果后，即可开始掘进轮廓内拔除冻结管，继续冻结其余冻结管。拔除冻结管的方法与步骤为：①准备阶段，准备设备、机具（汽车式起重机、起管机或千机顶、电热管、盐水箱）和粘土或低标号水泥砂浆等；②操作阶段，用电热管在盐水箱中加热盐水，加热后让热盐水在冻结孔（或测温孔）中循环，当孔周围冻土融化达到3～5cm 时，用起管机或千斤顶松动冻结管，用汽车式起重机快速拔出；③注意事项：热盐水循环以每2～3 组冻结孔为一批，拔管后用粘土或低标号水泥砂浆及时封孔。冻结管周边强制解冻后，为了防止拔断冻结管，要先松动，同时起管机与冻结管之间要设限力装置，避免拔断后影响盾构始发。冻结管拔除时对盐水箱及冻结管内盐水进行回收利用，不得随意排放，以防污染水体。

2.8 弧形板焊接

始发阶段掘进应缓慢稳步前进，推进速度控制在10mm/min 以下，当掘进至盾体全部进入外接环，盾尾边缘比外接环外立面略微靠前，外接环尾刷与止浆板相交但尚未脱离前暂停推进。当盾尾完全进入洞门后，管片与外接环间有300mm间隙，止水橡胶帘幕、压板和管片外弧壁接触瞬间，因盾构后筒外径为6450mm，而管片外径为6200mm，外径差值瞬间增大到125mm，为防止外接环尾刷及橡胶帘幕外翻造成密封失效，在盾尾进入外接环后在外接环外立面焊接一圈弧形板，将外接环与管片间间隙进行封堵，若间隙过大，必要时可在弧形板与尾刷间塞填棉被，塞填物不可影响尾刷回弹，确保盾尾通过外接环瞬间，外接环与管片间密封效果（图5）。

图5 始发密封示意图

2.9 始发掘进及同步注浆

缓慢稳步向前推进至盾尾全部通过外接环，同时使外接环帘幕与尾刷与管片密贴。当盾尾全部进入外接环，并脱开盾尾1～2 环后开始同步注浆，同步注浆的主要目的是确保洞门的密封性和安全性。始发时同步注浆选取的注浆材料为水泥浆和水玻璃按一定比例混合组成的双液浆，它的注入会迅速缩短浆液的凝固时间，减少始发的掘进风险，增强刀盘在掘穿加固区时对洞门的冲击水压的抵抗力。同时，要注意控制双液浆注入过程中的出口压力，防止压力过大对盾尾造成损坏，一般始发掘进时注浆出口压力取值为0.1～0.3MPa，注浆量取值为环形计算空间的1.3～1.8 倍，这样既能保证环形施工空隙的有效充填，又能确保管片不发生变形、损坏或整体上浮。

盾体全部进入洞门钢环并完成洞门加强注浆后，逐渐提高切口水压至理论计算值，完成始发掘进，停止冻结站运转，拔除剩余冻结管，进入正常掘进施工。剩余水泥浆固结后外运，不得随意排放，防止污染水体。

3 结语

世茂大道站-冰雪大世界站区间右线盾构始发首次采用HFE 法施工，安全顺利，无涌水涌砂，效果良好。世茂大道站-冰雪大世界站区间左线、太阳岛站-人民广场站为过江区间、人民广场站-尚志大街站、尚志大街-博物馆站、博物馆站-工人文化宫站等区间，都推广应用HFE法始发，同样取得良好效果，沉降满足设计要求。该创新方法不仅工艺简单、技术先进，安全性能高，而且相比传统始发加固，每次可节约加固成本100 万元，每次可减少降水约307200m3，既降本增效又环保安全。采用该技术后在洞门破除、盾构建压、盾尾进洞等高风险环节安全系数大幅提高，风险可控性强，大大降低了洞门漏水漏浆及始发风险，使我国高水压软土地层盾构始发掘进的技术更加全面成熟。该技术优势明显、适用范围广、推广前景好。