劉攀

中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東濟南 250002

0 引言

盾構接收是盾構工法的關鍵環(huán)節(jié)，由于隧道洞門土體自穩(wěn)性較差，盾構接收時極易引起洞門的涌水涌砂，危險程度很高。國內(nèi)地鐵建設過程中，常用的盾構接收方法為接收端頭土體加固接收方案[1-4]，近幾年鋼套筒接收和水中接收等新技術也得到了應用。江玉生等[5]主要圍繞土體加固、洞門密封等進行了盾構接收風險論述；文獻[6-7]進行盾構接收土體加固方案的比選；張穎君等[8]運用液氮凍結法完成盾構井的堵漏；汪振偉等[9]運用液氮凍結法完成了地下水的封堵；文獻[10-12]分析了盾構接收常用的改良端頭土體的接收工法、水中接收工法、鋼套筒接收工法的施工技術及優(yōu)缺點；肖衡等[13]介紹了富水卵石層土壓盾構鋼套筒接收技術；王文燦[14]提出凍結法和水平注漿在天津地鐵盾構接收中的組合應用；賁志江等[15]介紹了泥水盾構水中接收關鍵技術；侯建軍等[16]研究了高水壓粉砂地層盾構水中接收到達施工技術；王社江[17]研究了富水粉砂地層盾構到達施工技術。

考慮到濟南地鐵R1線大楊莊站盾構接收施工具有高富水、高水壓、復雜地層等特點，同時接收端頭毗鄰經(jīng)十路交通要道，車流、人流量大，并且管線種類多、分布密集，本文對工程原端頭土體加固(高壓旋噴樁+素咬合樁止水帷幕+輔助降水井)盾構接收方案的不足進行改進，增補液氮垂直凍結與水中接收的盾構接收方案，以確保盾構機在復雜工況條件下的順利接收。

1 工程概況

1.1 工程位置

濟南地鐵R1線地下段土建工程一標段區(qū)間風井至大楊站區(qū)間左、右線長度均為2 033.1 m，雙線隧道均采用開挖直徑6.68 m的土壓平衡盾構機施工。2臺盾構機先后從區(qū)間風井北端頭井始發(fā)，沿黨楊路由南向北掘進，最終在大楊莊站南端頭井接收。大楊莊站南端頭井基坑位于齊魯大道、黨楊路和經(jīng)十路的交叉路口。接收端頭上方存在臨時改遷的220 kV供電管溝、給水管道，各類管線密集。盾構接收洞門設置在地下2層，兩臺盾構機在地下2層接收(地下3層為遠期地鐵M3線預留)。

盾構接收施工包括盾構機最后50 m掘進(掘進參數(shù)控制)，接收端頭加固(液氮垂直凍結)與水中接收(洞門密封安裝、接收基座安裝、洞門破除、擋水墻施工、澆筑砂漿墊層、基坑注水、盾構機步入接收基座、封堵洞門、基坑排水)。

1.2 地質水文概況

大楊莊站南端頭地處濟南西水源地，地質情況由上至下依次為：雜填土層、黃土層、粉質黏土層、卵石層、細砂層、粉質黏土層。隧道拱頂覆土10.4 m，區(qū)間左右線均處在粉質黏土中，隧道底部以下0.5 m即為細砂層及卵石層，靜止水位線位于地表以下5 m。盾構接收端頭位置地下水主要為潛水和承壓水。潛水主要分布在粉質黏土中，承壓水主要分布在細砂和卵石層中。

盾構接收前，為處理圍護結構和加固體之間的冷縫，在接收端頭上方靠近圍護結構處進行引孔取芯、注漿，核實地層實際情況，接收端頭地質橫剖面如圖1所示。

圖1 盾構接收端頭實際地質橫剖面圖

1.3 原接收端頭加固設計方案

原接收端頭加固采用Φ800 mm@600 mm高壓旋噴樁+Φ800 mm@600 mm單排素混凝土咬合樁止水帷幕+輔助降水井的方式，如圖2所示(圖中單位為mm)，擬達到“土體固結，水位降至隧道底部以下”的目的，防止盾構接收時洞門涌水涌沙，造成地面沉降，威脅管線、地面交通和隧道的安全。

旋噴樁加固體長9 m，加固范圍為隧道結構外側上下左右各3 m，旋噴樁采用三重管工藝。咬合樁采用Φ800 mm素混凝土樁，樁底位于隧道結構以下6 m，混凝土設計強度等級為C20。咬合樁與地下連續(xù)墻接口位置采用Φ800 mm@600 mm旋噴樁補強，旋噴樁長度與咬合樁一致。加固體外側和中部共有8個備用降水井，降水井井底標高位于加固體以下5 m，埋深27 m。

a)平面圖

b)剖面圖

盾構機接收端頭加固完成后：通過對加固體進行取芯，發(fā)現(xiàn)隧道中下部斷面芯樣不完整，不連續(xù)，無實質性加固效果；所有降水井運行后，動水位穩(wěn)定至井底位置附近，水位無法進一步下降，一旦停止抽排水，水位上升很快，經(jīng)過地下水“強排”，水位不能降至隧道底部以下，降水深度仍然不滿足接收條件。

根據(jù)鉆孔取芯顯示的地質情況和降水井降水情況，發(fā)現(xiàn)雙線隧道洞身及下部均存在厚9 m的卵石層，與地質勘探報告顯示厚2 m的卵石層存在較大懸殊。原端頭加固方案中素混凝土咬合樁實際沒有插入到“2 m卵石層”下面的黏土層，未能隔斷卵石層中地下水的水平補給。

因此原盾構接收端頭加固方案無效，需要完善。

2 擬定施工方案

2.1 冷凍施工方法

本工程中，端頭加固產(chǎn)生了大量的水泥土，水泥土孕含的水化熱不能保證凍結施工的效果，因此，選擇合適的凍結方法勢在必行。常規(guī)的凍結方法有液氮冷凍和鹽水冷凍。液氮凍結法是將液態(tài)氮注入凍結器中的液氮供液管，使之在凍結管內(nèi)氣化，吸收周圍土壤的熱量，使土壤凍結。液氮氣化吸熱后，逸出凍結管，排出氮氣，隨著液氮的氣化、揮發(fā)和持續(xù)向凍結管供給新的液氮，直至形成符合設計要求的凍土墻。鹽水凍結法以鹽水作為制冷循環(huán)系統(tǒng)的媒介，經(jīng)過低溫鹽水進入鹽水循環(huán)系統(tǒng)→低溫鹽水與地層熱交換→高溫鹽水流出鹽水循環(huán)系統(tǒng)→高溫鹽水進入冷凍機組→冷凍機組工作將高溫鹽水變?yōu)榈蜏佧}水等過程，鹽水周而復始循環(huán)，不斷吸走地層中的熱量，使土壤凍結。表1為液氮凍結與鹽水凍結2種方法的施工特點對比[18-20]。

表1 鹽水凍結與液氮凍結2種凍結方法對比

由表1可知：液氮凍結較鹽水凍結效率高、效果好，能夠快速克服水化熱的影響。

2.2 確定施工方案

因端頭加固區(qū)內(nèi)降水井未能將承壓水水頭降到隧道中心線以下，隧道下部及以下存在較厚的砂卵地層，在此地層中旋噴樁的加固效果相對較差，難以起到隔水效果，端頭地質透水能力強、水壓大，易發(fā)生洞門涌水涌沙風險。

為確保施工安全，在原“高壓旋噴樁+單排素咬合樁止水帷幕+輔助降水井”加固方案基礎上，增設液氮垂直凍結與水中接收的盾構綜合施工方案。

1)液氮垂直凍結。液氮垂直凍結區(qū)別于液氮水平凍結，即在盾構接收端頭地表垂直向下打設凍結孔、測溫孔。液氮垂直凍結施工可以最大限度地避開盾構接收井，減少交叉作業(yè)。另外，還可以方便連接、維護凍結管路，快速展開施工。采用液氮垂直凍結，在洞門后面快速形成連續(xù)、完整的凍結壁，有效封堵地下水，降低洞門破除期間涌水涌砂風險。

2)盾構水中接收。在盾構接收下沉井內(nèi)澆筑臨時擋水墻，在基坑灌水狀態(tài)下進行盾構接收，利用內(nèi)外水壓平衡相抵的原則[21]，降低盾構接收施工的風險。

3 液氮垂直凍結

液氮垂直凍結工藝成熟[22]，采用“兩班倒”施工，單班投入16人，其中技術管理人員1人，安全員1人，鉆工6人，電工1人，電焊工2人，制冷工4人，材料員1人。液氮垂直凍結施工流程如圖3所示。液氮垂直凍結施工進度計劃安排如表2所示，加固設備和材料見表3[23]。

圖3 液氮凍結施工流程

3.1 凍結孔布置與凍土墻形成

采用垂直凍結孔單排布置，間距700 mm，每個端頭布置15個凍結孔，2個測溫孔。凍結管距離既有地下連續(xù)墻300 mm，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況微調，以避開地下障礙物，凍結孔D1～D15布置如圖4所示(圖4中單位為mm)。

表2 主要施工工序及進度計劃

序號主要工序計劃工期/d備注1施工前準備工作2.02鉆孔定位及開孔1.53凍結器連接1.5含系統(tǒng)調試4積極凍結7.05維護凍結5.0根據(jù)井內(nèi)破壁時間定6拔除凍結管1.0總工期18.0

表3 凍結加固設備及材料

材料名稱規(guī)格型號數(shù)量備注履帶式鉆機YGL-1002臺泥漿泵BW-250/502臺不銹鋼管Φ32 mm×3.5 mm300 m供液管無縫鋼管Φ45 mm×4 mm50 m測溫管不銹鋼管Φ108 mm×4 mm300 m凍結管保溫板100 mm100 m2低溫截止閥DN2515個不銹鋼截止閥DN404個

圖4 凍結孔布置示意圖

因為地層不同，凍土墻的擴展速度一般為80～150 mm/d。凍結7 d后開始破除洞門進行盾構接收，預計凍結壁厚度可達1.0 m，凍土平均溫度為-15 ℃。

3.2 施工工藝

3.2.1 工藝要求

1)工藝參數(shù)。根據(jù)彈性薄板計算理論及施工經(jīng)驗，選取液氮凍結加固工藝參數(shù)如表4所示。

表4 液氮凍結工藝參數(shù)

2)凍結孔質量。凍結孔偏斜率控制在0.5%以內(nèi)，孔位偏差小于1 cm。

3)凍結孔鉆進與凍結器安裝。鉆孔過程中應保證足夠的凍結孔鉆進深度和鉆孔垂直度，鉆進后需掃孔。凍結管焊縫不能存在氣孔、裂紋。凍結管管口安裝堵頭，保持管內(nèi)清潔。

4)凍結孔成孔質量檢測。每根凍結孔成孔后應對成孔質量進行檢測，包括凍結孔密閉性試驗和鉆孔垂直度檢測。主要采用燈光測斜法測垂直度，將照明裝置捆綁在PVC管上慢慢放入凍結孔底部，采用經(jīng)緯儀測量凍結孔深度和垂直度偏差，并采用滑動式垂直測斜儀進行復核測量。分析凍結孔終孔間距，若終孔間距過大，則需根據(jù)實際情況進行補孔。

3.2.2 凍結制冷系統(tǒng)安裝與調試

1)液氮供液管安裝。供液管主要采用焊接安裝。

2)液氮管路安裝。每1組串聯(lián)2個凍結管，管路用低溫液氮閥門控制，并用不銹鋼軟管連接。所有液氮管路裹纏保溫泡沫板，防止能量散失。每組回路進、出口處安裝測溫裝置。

3)液氮測溫點設置。溫度控制是液氮凍結的核心，凍結管出口溫度一般不高于-60 ℃，不低于-80 ℃；壓力控制在50～100 kPa。液氮儲存罐出口溫度一般不高于-150 ℃，不低于-170 ℃[24]；壓力控制在300～500 kPa。

4)調試與試運行。凍結系統(tǒng)安裝完成后，進行系統(tǒng)調試和試運行。試運行期間，每天需要記錄液氮的流量和溫度，檢查凍土壁的形成情況，并及時對運行參數(shù)進行動態(tài)調整。

3.2.3 液氮凍結施工

凍結施工時，液氮槽車將液氮經(jīng)干管輸送到工作面，再由回路排氣管排出。液氮凍結分為積極凍結與維護凍結2個階段。積極凍結期間，每天如實記錄測溫孔的溫度，并分析凍結壁的發(fā)育程度。當凍結壁達到設計溫度和厚度后，即可進入維護凍結階段。

根據(jù)施工經(jīng)驗，積極凍結期間需液氮約1.5 t/m3，維護凍結期間需液氮約50 t/d[25]。

3.2.4 拔管施工

拔管共分2次完成。當盾構機掘進至凍土墻前0.3～0.5 m時，拔除刀盤切削范圍內(nèi)的凍結管；當盾構機穿過凍結區(qū)域后拔管時，拔出所有凍結管。低溫狀態(tài)下，鋼管韌性下降，容易脆裂，拔管時尤其要注意。

3.3 風險分析及主要處理措施

凍結法施工時，因受施工人員、環(huán)境因素等影響，可能出現(xiàn)凍結管焊縫開裂、液氮泄露、凍結管折斷、刀盤凍住、液氮停供等意外情況，給施工帶來一定風險，需要在現(xiàn)場采取緊急處理措施，保障施工順利進行。

1)初次注入液氮時，要使液氮以氣體形式進入凍結系統(tǒng)管路，維持3～5 h的預冷時間，凍結管之間應用不銹鋼軟管連接，避免焊縫開裂。

2)若因凍結管開裂造成液氮泄露，應立即停止液氮注入，并及時修復滲漏點，防止液氮濃度急劇升高，將人員凍傷。

3)拔管時，若不慎將凍結管折斷，應及時使用鉆機套取施工。

4)盾構機穿越凍結區(qū)時，刀盤必須保持轉動狀態(tài)，保持連續(xù)作業(yè)，否則刀盤極易凍住[26]。一旦刀盤凍住，應該立即啟動刀盤脫困模式。

5)定期測量儲罐內(nèi)的液氮液位，根據(jù)液氮剩余量和單位時間的消耗量，制訂科學合理的液氮供應計劃，避免液氮斷供。

4 盾構水中接收

為確保盾構接收工作順利進行，在端頭液氮垂直凍結加固基礎上，增加盾構水中接收方案，形成雙保險。在大楊莊站接收端頭井內(nèi)事先回填水和砂漿的混合物，然后盾構機突破接收洞門鋼環(huán)，進入接收井。盾構水中接收流程如圖5所示。

4.1 施工要點

盾構水中接收前，應做好施作水平探孔，設置擋水墻，設臨時板支撐，安裝排注水系統(tǒng)等施工準備。

1)水平探孔。盾構接收前，在洞門范圍內(nèi)設置水平探孔，檢測端頭加固效果，尤其是洞門底靠近砂卵石層范圍內(nèi)的加固效果，必須進行加密檢測。

2)擋水墻。擋水墻的作用是將接收井與車站的主體結構隔離開來，使之成為相對獨立的功能單元。擋水墻厚度為600 mm，水平鋼筋與側墻通過植筋連接， 植筋與側墻豎向鋼筋通過L形鋼筋焊接，豎向鋼筋通過植筋與臨時板、地下1層中板連接。擋水墻有足夠的防水性能，并且可以抵擋接收井內(nèi)填料和盾構推進時共同產(chǎn)生的壓力。

3)臨時板支撐。大楊莊車站是換乘車站(R1線盾構接收在預留濟南地鐵最新4號線上一層)，為保證此次水中盾構機接收的安全性，須對R1線接收層臨時底板進行底板下架設鋼管支架和澆筑混凝土支撐柱支護。

圖5 盾構水中接收流程

4)盾構接收基座與水泥砂漿的結合使用?？紤]后期盾構拆解的需要，使用鋼制接收基座，并將基座填埋至強度等級為M5(28 d標準養(yǎng)護后的抗壓強度為5 MPa)水泥砂漿中。安裝時，接收基座中心軸線水平坐標等同于盾構機接收時預定的水平坐標(即洞門垂直中心線水平坐標)，接收基座的高程坐標略小于盾構機接收時預定的高程坐標。為了使盾構機順利“爬上”盾構接收基礎，并提供盾構接收段管片拼裝反力，接收基座設置3%～5%的坡度(近洞門端略低)。

5)注排水系統(tǒng)。當盾構機刀盤到達里程YK32+472.950時，開始往接收井內(nèi)注水，水源主要為基坑降水，供水量約為600 m3/h。當盾構機刀盤到達里程YK32+495.750時，立即封堵洞門，然后啟動2臺30 kW污水泵排水，排水量約為400 m3/h。

盾構水中接收過程的控制要點如表5所示。

表5 盾構水中接收過程控制要點

4.2 注意事項

1)擋水墻內(nèi)首次注水應分次進行，每次高度不超過2 m，觀察時間不小于2 h。

2)盾構機在砂漿墊層中掘進時，掘進速度不宜過快，避免盾構機產(chǎn)生劇烈震動，造成姿態(tài)難以控制。

3)最后8環(huán)管片完成拼裝后，及時采用型鋼束緊，避免管片環(huán)縫過大，后期發(fā)生滲水、隧道變形等質量問題。

4)接收段應嚴格落實管片螺栓3次復緊工作，提升管片拼裝質量。

5)洞門密封鋼絲繩應預留足夠余量，并將倒鏈固定在洞門上部可以操作的位置。

6)盾構掘進施工中，同步注漿漿液采用水泥砂漿，初凝時間較短，強度高；盾尾通過加固區(qū)后，需及時進行水泥、水玻璃雙液回填封堵。

4.3 風險分析及主要處理措施

盾構水中接收過程中，應密切關注擋水墻的狀況、洞門涌水涌沙情況和接收端頭管線沉降監(jiān)測情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即按照風險預案要求，劃分風險等級，進行風險響應。

1)擋水墻大量滲漏水。若發(fā)生涌水，在地下3層安裝排水泵，及時排水?？衫没靥铕ね粱蚵窆芊舛聺B漏點。

2)擋水墻傾覆。盾構水中推進時，控制總推力和推進速度，避免將推力傳遞至擋水墻上。擋水墻內(nèi)側采取一定的支持措施，提高其水平受力能力。

3)盾尾密封失效，盾構內(nèi)部涌水。盾構接收階段，主動增加盾尾油脂注入量和注入壓力，提升盾尾密封效果。盾尾脫離簾布后，迅速組織洞門封堵和抽排水工作，減少盾尾在水中浸泡的時間，若發(fā)生滲漏水需及時進行抽排，同時降低蓄水池液位，注入盾尾油脂。

4)管線沉降。盾構接收施工過程中，務必做好管線沉降監(jiān)測工作，一旦發(fā)生管線沉降，應立即停止掘進，并迅速調整水池液位，實現(xiàn)水土平衡。組織人員在地面引孔注漿，阻止地面和管線進一步沉降。

5 結論

1)液氮垂直凍結與水中接收綜合技術在濟南R1號線土壓平衡盾構機接收施工中，能夠有效降低地層損失率，地表沉降滿足3 mm沉降要求。液氮垂直凍結形成承載力強、止水性好的凍結壁，提升了接收端頭的自穩(wěn)能力；盾構接收井內(nèi)泥漿平衡了地下水，降低了涌水涌沙概率。

2)盾構接收過程中，根據(jù)盾構機位置里程動態(tài)調整掘進參數(shù)，統(tǒng)籌洞門破除、降水井降水、接收井注排水、同步注漿及二次補漿、液氮凍結、凍結管拔除、洞門封堵等各施工環(huán)節(jié)，是盾構機接收工作成功的關鍵。持續(xù)有效的施工監(jiān)測及合理可行的施工應急措施是盾構機接收工作成功的保障。

3)本次盾構接收綜合技術是在復雜工況條件下對原方案的改進，實施費用較高，其中液氮垂直凍結費用占比60%～70%。類似情況施工時，建議應提前進行地質補勘，減少不必要的重復施工?？稍诮邮斩撮T范圍內(nèi)采用玻璃纖維筋，減少洞門破除工序，降低施工安全風險。另外，建議優(yōu)化地下連續(xù)墻槽段設計，將工字鋼連接點設置在洞門范圍外，或者調整地下連續(xù)墻接頭工藝，發(fā)揮地下連續(xù)墻最大圍蔽作用，在保證施工安全的前提下，控制施工成本，節(jié)省工程投資。