杯型水平冻结法端头加固与钢套筒辅助的 盾构接收技术 赵 亮 杨 平 刘增光 姚梦威 陈 亮 (1.南京林业大学土木工程学院,210037,南京;2.常州市轨道交通有限公司,213022,常' ̄I//第一作者,硕士研究生) 摘要盾构接收是复杂软弱富含水地层盾构施工的关键 风险点。针对某地铁车站端头隧道施工中所遇到的特殊工程地 质条件,提出并采用了杯型水平冻结法端头加固与钢套筒辅 助的盾构接收施工工艺。采用工程应用与实测相结合的研究 方法,对水平冻结加固区的温度以及盾构接收期间地表沉降 进行了现场实测研究。分析了冻结壁温度变化规律,判断安装 和切割钢套筒时机,确保了钢套筒顺利切割。总结了软弱富 含水地层钢套筒盾构接收技术的特点及难点,有效地避免了 盾构接收过程中涌水、涌砂的风险,保障了盾构的安全接收。 关键词软弱富含水土层;盾构接收;杯形水平冻结法;钢 套筒;实测分析 中图分类号U455.43 DoI:10.16037 ̄.i007-869x.2017.09.026 On Shield Receiving by Horizontal Freezing Reinforcement Technology and Steel Sleeve ZHAO Liang,YANG Ping,LIU Zengguang,YAO Mengwei, Chen Liang Abstract Shield receiving is the key risk point during shield construction in soft water—rich soil.According to the special engineering geological conditions of a subway station,the con— struction technology of horizont ̄freezing reinforcement and steel sleeve assisted shield construction is proposed.This freezing construction ̄chnology and the ground subsidence dunng the shield receiving ale studied by using engineering application and field measurement.The law of the freezing soil wall thermal field is analyzed to judge the time of installing nad the cutitng of steel sleeve for smooth shield receiving.The specific process and the key technology of shield receiving in soft water-rich soil ale summarized,in order tO avoid the risk of water gushing and sand pouring in the process of shield re- ceiving effectively. Key words soft water-rich soil;shield receiving;horizon ̄l freezing method;steel sleeve;measured analysis First-author S addre ̄ College of Civil Engineering of Nanjing Forestry University,21 0037,Nanjing,China 杨平为本文通信作者 ・126・ 在地铁盾构隧道建造过程中,盾构始发与接收 是工程风险较大的环节之一。其风险主要在于破除 洞门临时围护结构后,端头土体的自立性较差可能 会引起洞门土体坍塌,且在含水量丰富的砂层中更 易引起洞门向盾构井内涌水及涌砂,影响盾构正常 推进,危及地面周围建筑物安全_1 ]。冻结法作为一 种形式灵活、适应性强、施工无污染、对环境影响小 的土体加固方法,在盾构始发与接收施工中展现了 广阔的应用与发展前景[ ]。在复杂的工程地质条 件下,盾构到达采用水平冻结法端头加固与钢套筒 辅助的接收措施,有效地提高了盾构接收的风险可 控性[ ]。 某地铁车站东端头右线盾构接收工程由于工程 地质及周边环境复杂,无法实施地面加固,故采用了 水平冻结法端头加固(无化学加固)与钢套筒辅助接 收盾构机的施工方式,有效地避免了含水粉砂地层 涌水、涌砂的风险,取得了良好的施工效果。 1工程概况 某地铁车站东端头井盾构接收范围内主要分布 的土层为粉砂② 、粉砂②弛。该土层属于软弱富含 水土层,地下水位埋深1.4 m,自身承载力差。该粉 砂层与上层粉土层均分布有潜水,且与下层的微承 压含水层中的地下水有一定的连通性,导致盾构接 收过程中存在较大的涌水、涌砂风险。且盾构接收端 上部分布有地下管线,导致水泥土搅拌桩、旋喷桩及 垂直冻结法等常规端头加固方式无法施工。为保障 盾构顺利接收,结合工程环境条件,决定采用人工水 平冻结端头加固技术以及钢套筒辅助接收来破解这 一工程难题。盾构接收端头地质及地下管线分布情 况如图1所示。 行变更,采用较大范围的杯型水平冻结加固方案。该 方案具有强度高、抗坍塌能力强、止水性好、施工安 全可靠等优点。 2.2冻结方案与冻结参数 采用杯形水平冻结加固方案,具体冻结孔和测 温孔布置如图2所示。根据冻结方案设计,冻结孔按 水平角度布置,冻结孔数为53个。其中,圆柱体冻结 孔沿开洞口4,7.5 m圆形布置,开孔间距为0.76 m (弧长),冻结孑L数为31个,长度为12.2 m。板块冻结 孔沿开洞口4,s.1 m、4,2.7 nl圆形布置,其中,中圈孔 图1盾构接收端头地质及地下管线分布情况 开孔间距为1.135 m(弧长),冻结孔数为14个;内圈 孔开孔间距为1.172 m(弧长),冻结孔数为7个;开 洞口中心布设1个冻结孔。冻结孔长度均为3.5 m。 此外,布设了6个测温孔,其孔深与冻结孔孔深一致。 盾构端头洞门槽壁破除前应满足以下要求: (1)盐水温度范围为:一28℃—一30℃; (2)盐水去回路温差≤1.5 0C; 2盾构端头加固及接收方案比选 2.1盾构接收端头地基加固处理 盾构到达端头由于地下管线分布复杂、场地条 件限制以及工期紧张等原因,无法按原加固方案(三 轴深层搅拌桩+高压旋喷桩+垂直冻结)进行实施。 软弱土地基在无常规化学加固处理的情况下进行盾 构接收存在较大风险。为满足本工程端头加固范围 (3)冻结壁外圈(杯壁)平均厚度≥1.6 m; (4)槽壁与冻土结合面处通过各探孔显示温度 ≤一5℃: 及强度要求,确保盾构安全接收,故对原加固方案进 —— 俅绢JJU ++++++‘++++++J△ + +++++++++J + + + ++ | 。。。’__。■。____。■。一 +++++J+ + ++…{ + + J ‘ + + + +0 n ./ _二-=—+…_ = IJ ’■+ + + + + + + ■: 盾1 构掘进方向 0 ) ; + .’ + +’+ + + ’+ + ++ + + + ,3 500 l\8 700 . a)立面图 单位:mm b)纵断面图 图2杯型水平冻结方案中水平冻结孔与测温孔布置 (5)外圈冻结壁平均温度≤一10℃。 2.3盾构接收方法比选 目前国内使用的盾构接收方法较多,主要有直 接破洞接收法、水中接收法、钢套筒法等,但这些方 构接收时洞门内外压力的平衡,从而防止盾构与洞 门圈间隙涌水、涌砂,造成地表沉降过大或端头地层 坍塌。故针对于富水砂性土层,水中接收法是中大直 径盾构接收的有效方法。但鉴于本车站右线接收端 头与既有的3号线相隔,且受施工场地的限制,故不 宜采用水中接收法。 法间常需要联合使用[11-12]。 (1)直接破洞接收法。对于全断面岩石地层,可 不进行地基加固;但当岩石裂隙较发育或裂隙水较 大时,可采用分层注浆的方法封堵裂隙。 (2)水中接收法。向盾构接收井内回填黏土,并 进行压实,回填黏土后向接收井内灌人清水,保证盾 (3)钢套筒接收法。钢套筒接收法不受地层条件 的限制,且钢套筒中充填物模拟了水土压力,大大降 低了含水软弱土层洞门涌水、涌砂的可能性,提高了 盾构接收的安全性;钢套筒接收法占地面积小,相比 ・127・ 其他接收法,钢套筒可回收循环使用,工程造价较低。 通过以上三种盾构接收法的比选,认为钢套筒 接收法为最合理的方案。 3钢套筒盾构接收关键技术与实测 3.1钢套筒设计 盾构接收钢套筒主要用于辅助盾构到达接收, 整个装置为一端开口、另一端封闭的容器。钢套筒 开口端与洞门预埋钢环相连,形成一个整体密闭的 容器。容器内充满回填料,用于支撑盾构推进时对洞 门回填混凝土形成的反力,防止大块混凝土块掉人 钢套筒底部或进入环流堵塞管路[13-15]。整个钢套筒 结构由筒体、后端盖板、顶推托轮组、反力架以及前 后左右支撑等部分组成。 钢套筒筒体部分长9 600 nlln,分4段(每段长 2 400 mm),每段又分为上、下2块,其内直径为6 700 mnl。简体材料选用20 mm厚的Q235A钢板,每段 筒体的外周焊接纵、环向筋板形成网状以保证筒体 刚度;筋板厚15 IIIII1,高140 rnlTl,间隔约560 mii1× 580 mm;每段简体的端头和上、下两段圆弧结合面 均焊接法兰,法兰用40 mtn厚的Q235A钢,上、下 两段连接处以及两段筒体之间均采用M30×90的 8.8级螺栓连接,中间加3 mm厚橡胶垫,以保证密 封效果。 3.2钢套简接收施工流程 该车站东端头周边管线密集,盾构到达端头所 在土层为软弱土层。该土层自立性差,施工难度及 风险大。盾构钢套筒接收施工工序繁多,因此各工序 之间的衔接必须紧密。盾构到达端头时钢套筒接收 施工流程如图3所示。 端头 钢套筒及其反力架安装 钢套筒密封 第2次破除洞门 向钢套筒内填料 拔除内圈冻结管 盾构推进接收 图3盾构钢套简接收施工流程 ・128・ 3.3钢套筒安装定位及密封性检测 钢套筒定位时必须严格控制钢套筒底部高程, 以确保洞门中心线与钢套筒中心线重合。钢套筒组 装完成后,在筒体内加气以检查其密封性,气压保持 在0.2 MPa以上。若在12 h内,气压保持在0.18 MPa以上,则可满足钢套筒接收要求;如果气压小 于0.18 MPa,找出泄气部位,检查并修复其密封质 量,然后再次进行试压,直至满足试压要求为止。 3.4盾构接收推进技术及参数控制 盾构接收阶段的推进施工分2个阶段(如图4 所示)。 图4盾构接收阶段不意图 (1)第一阶段为盾构机穿越冻结加固区土体。 盾构穿越冻结加固区的过程中,应随时观测渣土温 度。当盾构机径向注浆孔进入杯状冻结加固区后, 开始从径向注浆孔向盾壳外注聚氨酯,切断刀盘前 后的水力联系。该阶段推进过程中,需做好以下事 项:①在切口距离冻土墙30 cm时,连续转动刀盘, 直至盾构机刀盘穿越冻结加固区后再按照常规转动 刀盘;盾构机在拼装管片时,要求刀盘每隔3 min转 动一次,防止刀盘被冻住。②刀盘穿越冻结加固区 时,推进速度宜控制在1 cm/min,以保证土仓内的 土压,防止出空土仓时盾构机抬头上浮。③从特殊 管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆,防止盾 尾后的水进入盾尾前方。 (2)第二阶段为盾构机进钢套筒掘进。盾构机 刀盘穿越冻结加固区后,盾构机开始进行第二阶段 推进。盾构机刀盘中心刀进入冻结加固区14 m时, 盾构机开始进入钢套筒,并从中盾的径向注浆孔向 盾壳外注聚氨酯;当径向注浆孔进人钢套筒后,停止 注入聚氨酯;当盾尾脱离洞门钢环时,停止同步注 浆。在第二阶段推进过程中,需做好以下事项:①参 数设置。推速<5 mm/min,推力<8 000 kN。在钢套 筒内盾构机以管片拼装模式掘进。盾构机在钢套筒 内掘进的过程中,要确保与外界联系,密切观察钢套 沉降监测断面,且每个断面布设11个监测点,监测 筒顶部的情况,一旦发现变形量超量或钢套筒顶部 有渗漏时,必须立即停止掘进,及时采取补救措施。 ②根据钢套筒顶部安装的压力表读数,及时调整盾 构推进压力,避免推进压力过大时钢套筒密封处出 现渗漏。若推进压力过大,应及时打开钢套筒后板盖 上的排浆口,进行卸压。③盾构进钢套筒时的姿态 控制。必须以实际测量的钢套筒安装中心线为基准 控制盾构机姿态,要求钢套筒安装中心线偏差控制 在±2 cm之内。盾构机进入钢套筒后,注意其姿态 控制。④盾构机筒体推到设计位置并完成洞门密封 后,在刀盘不转的情况下,出空舱内回填物;打开钢 套筒底部的排浆管,排出剩余的浆液,并检查筒体的 漏浆情况;在洞门双液浆凝固且稳定安全的情况下, 开始拆除钢套筒后端过渡连板及后端盖。 3.5盾构接收实测结果分析 lu/删 v{ t 6 5 4 3 2 O 根据各测温孔、冻结管与地下连续墙之间的位 置关系,选择最不利工况下的c1号测温孔进行冻 结壁圆柱半径计算。c1号测温孔共5个测温点,各 测温点的温度变化曲线如图5所示。由图5可知,整 个冻结期间温度表现为平稳下降,冻结40 d后各测 点的温度基本保持平稳。利用相关公式计算得到冻 结加固区最小冻结圆柱半径为1.35 m,由此绘制出 冻结壁厚度达2.59 m,该数值已超过设计冻结壁厚 度1.6 m;冻土壁平均温度为一11.3℃,该温度满足 设计要求(≤一10℃);于洞门范围内施工探孔,在 开凿探孔的过程中洞门范围地层未见水流出,且测 得这些探孔处冻结壁与槽壁的交界面温度均低于一 5℃,确定此时可以开凿洞门。 20l5 藉一 0 : : 冻结天数/d 注:界面指地下连续墙与冻土的交界面 图5 C1号测温孔温度变化曲线 由于盾构在推进过程中会对接收段周围土体造 成扰动,为保障盾构推进过程中沿线地面建筑物及 地下管线的安全,故采用水准仪对地面沉降隋况进 行监测。沿隧道轴线方向每隔10 m布设1个地表 点距隧道轴线的距离分别为0 m、3 m、6 m、9 m、12 m、15 m。监测结果表明:盾构在结冻加固区内推进 时较平稳,地表沉降值较小,地表沉降最大值为5.8 rain。冻结加固区地表累计变化最大值点的沉降曲 线如图6所示。 图6冻结加固区地表累计变化最大值点的沉降曲线 3.6杯型水平冻结法端头加固与钢套筒辅助的盾 构接收施工特点及难点 (1)控制轴线偏差在可控范围之内。盾构在接 收段推进时必须严格沿轴线进行掘进,使盾构姿态 水平方向偏差控制在±15 mm以内,竖直方向偏差 控制在+2o~+30 111111,保证盾构进入钢套筒时不 出现磕头现象。因盾构接收段上覆土层厚度较浅,接 收口顶部埋深仅为1 1.96 m,浅覆土段盾构施工对 盾构轴线控制以及地面沉降控制存在较大难度。 (2)钢套筒接收法步骤繁多,耗费时间长。在盾 构接收之前,要凿除洞门范围内的地下连续墙,尤其 是第2次破除洞门时需一次性破除1.1 m。由于盾 构接收和洞门准备时间的相互影响,洞门破除又制 约了钢套筒的施工工序,造成洞门破除时间紧、施工 难度和风险较大。 (3)为增强端头加固土体的稳定性,确保洞门 破除以及盾构接收的安全。本工程采用人工水平冻 结法加固端头软弱土层,冻结法施工进度滞后以及 冷冻质量出现问题都将给盾构接收造成重大影响。 因此,人工水平冻结加固是本工程的重点之一。 (4)由于水平冻结加固区范围较大,当盾构通 过冻结加固区时易发生刀盘冻结事故,且室温泥浆与 低温的冻土墙接触时,可能会造成泥浆f生质的改变以 及冻土墙升温失稳的现象。因此,盾构应迅速通过 冻结加固区,防止盾构冻住也是本工程的重点之一。 4结论 (1)水平冻结法与钢套筒相结合的盾构接收方 ・129・ 法,很好地解决了该车站盾构端头软弱富含水土层 [4]余占奎,黄宏伟,王姗各,等.人工冻结技术在上海地铁施工中 行加固的困难璺 竺差、 要 妻 ,盾构接收过程中未发生涌水、涌砂现 思 薹 , ’ . 尚 集55庆0-门55盾6.构隧道进洞端头 吾 象。 (2)作为盾构辅助接收装置的钢套筒使用范围 广,对于软土、砂层、地下水位较高以及含有承压水 等复杂地层,钢套筒盾构接收均有较好的适用性。 因此,钢套筒的制作和使用为盾构到达接收提供了 一版),2009(6):591—596[6]王杰,杨平等,王许诺,等.盾构始发水泥土加固后水平冻结温 度实测研究 现代隧道技术,2011(12):99—103. [7]袁云辉,杨平,王海波-人工水平冻结 土帷 强制解冻温度场 ’南京林业大学学报‘自然科学版  ̄ -- i,x: [8]苗立新,种新的方法,丰富了盾构出洞的施工方法。 (3)建议今后洞门的围护结构地下连续墙采用 齐修东,邹趣冻结法在盾构接收端头土体加固中的 应用[J].铁道工程学报,2013,37(3):145—151. [9]逯建栋盾构到达钢套筒接收施工技术[J].广东土木与建筑, 0¨( 0): — ・ Ll,: /[11]贲志江09-,玻璃纤维筋混凝土。这样,盾构在到达时可直接切 削玻璃纤维筋混凝土出洞,从而减少了人工凿除洞 全、! 省时。 门钢筋混凝土的风险,这样可以保证盾构出洞更安 [10 弩盾构进洞钢套简施工技术的研究_J]_建筑施L 1. 杨平,张旭辉,等.地铁过江隧道大型泥水盾构接收方 参考文献 [1]YANG P,KE J M,WANG J G,et 1a.Numerical simulation of frost heave with coupled water freezing temperature and stress 119—124 釜 嚣 [J].现代隧道技术,2OLO(12):51—56. 大型泥水盾构的水中 接收技术[J].南京林业大学报(自然科学版),2015,39(1): [13]郑石,鞠世健.泥水平衡盾构到达钢套筒辅助接收施工技术 [14]陈珊东.盾构到达接收辅助装置的使用分析[J].隧道建设, 2oao(8):492~494. fields in tu ̄el excavation[J]_Computer and Geotechnics, 2006(33):6—7. [2]YANG P,ZHU F B.Application of freezing method to recover tunnel accident in complex stratum of nanjing subway[M]. Singapore:World Scientific Publishing Company.2005:1. 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