李有兵，余 浩，張 亮

（1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030001；2.中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032）

哈爾濱市軌道交通2 號線一期工程為哈爾濱軌道交通網(wǎng)絡(luò)中由北部至東南的骨干線路，自松北大學(xué)城站至香坊區(qū)的氣象臺站，線路全長28.7km，共設(shè)19 座地下車站，其中世茂大道站-冰雪大世界站、太陽島站-人民廣場站為過江區(qū)間，端頭始發(fā)水頭高度高、地下水位埋藏淺、水量豐富、地層透水性強(qiáng)、與松花江水系有水利聯(lián)系，圍巖土體的自穩(wěn)能力差，且軟土刀盤不具備地下連續(xù)墻破除能力，需要人工破除洞門地下連續(xù)墻，始發(fā)及接收風(fēng)險較大。人民廣場站-尚志大街站、尚志大街-博物館站、博物館站-工人文化宮站距松花江較近，始發(fā)端頭靠近建筑物，始發(fā)及接收風(fēng)險大、對沉降要求極高。

1 HFE法簡介

始發(fā)前地層的加固非常重要，常見的加固方法有：高壓旋噴法（廣深港獅子洋隧道盾構(gòu)始發(fā)地層加固）、三軸攪拌樁法（太原地鐵2 號線學(xué)府街站-長風(fēng)街站左線隧道盾構(gòu)始發(fā)地層加固）、凍結(jié)法（深圳地鐵5 號線民治站-五和站左線隧道盾構(gòu)出洞）、地連墻法和水平注漿法等，這5 種地層加固方法單獨(dú)使用，對高水壓軟土地層的帷幕止水和地層穩(wěn)固效果差，HFE 法便應(yīng)運(yùn)而生。

由于哈爾濱地鐵盾構(gòu)始發(fā)端地下水量豐富、透水性強(qiáng)、水頭高度高，需要人工破除洞門地下連續(xù)墻，且高水壓軟土地層的自穩(wěn)能力差，施工中創(chuàng)新地采用高壓旋噴樁（High pressure jet grouting pile）加強(qiáng)地層自穩(wěn)性、減少側(cè)向水土壓力；同時采用冷凍法（Freezing method）隔絕地下水、防止涌水、涌泥，確保洞門破除安全；同時采用洞門外接環(huán)（External ring）在盾構(gòu)始發(fā)時密封止水，三者形成多道防線，優(yōu)勢互補(bǔ)，與地下連續(xù)墻貼合緊密，工序銜接連續(xù)性好，可靠性高，有效減少始發(fā)過程中的薄弱環(huán)節(jié)，降低盾構(gòu)始發(fā)風(fēng)險。這種高壓旋噴樁和冷凍法相結(jié)合的加固方式及外接環(huán)洞門密封防水裝置，三者進(jìn)行優(yōu)化組合的施工方法，即HFE 法。

2 泥水盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)

HFE 法盾構(gòu)始發(fā)工藝流程見圖1。

圖1 HFE法盾構(gòu)始發(fā)工藝流程

2.1 高壓旋噴加固

1）旋噴加固設(shè)計 常規(guī)加固長度按照盾體長度+兩環(huán)管片的長度來計算，根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)情況，優(yōu)化為滿足水土壓力即可。按水土壓力計算加固長度，盾構(gòu)（左右線）外徑外側(cè)3.0m，底、頂部各3.0m 范圍內(nèi)為加固區(qū)，加固長度按照洞門破除后水土壓力計算，這樣既安全可靠，又節(jié)約成本，這是HFE 法的優(yōu)點(diǎn)之一。

2）高壓旋噴施工 按照設(shè)計圖紙要求，編制施工方案并進(jìn)行試樁，根據(jù)試樁結(jié)果確定施工參數(shù)并進(jìn)行施工，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上盡量降低旋噴加固體強(qiáng)度，便于后期掘進(jìn)，端頭加固見圖2。

圖2 端頭加固圖

2.2 凍結(jié)設(shè)計及凍結(jié)

1）凍結(jié)設(shè)計及凍結(jié)管施工：根據(jù)總設(shè)計要求對凍結(jié)進(jìn)行深化設(shè)計，在滿足施工需要的同時，本著科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)務(wù)實(shí)的原則布置凍結(jié)管。為了準(zhǔn)確掌握凍結(jié)帷幕的發(fā)展?fàn)顩r，在每個端頭凍結(jié)圍幕范圍之內(nèi)及設(shè)計凍結(jié)范圍邊緣布置測溫孔，布設(shè)測溫線，測溫孔位置可根據(jù)實(shí)際情況來布置，凍結(jié)孔和測溫孔布置平面圖見圖3。

圖3 凍結(jié)孔和測溫孔布置平面圖

2）冷凍設(shè)備安裝、凍結(jié)站管路安裝，凍結(jié)系統(tǒng)調(diào)試及試運(yùn)轉(zhuǎn)，凍結(jié)。試運(yùn)轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)壓力、溫度等參數(shù)達(dá)到相關(guān)工藝規(guī)范和設(shè)計的要求。凍結(jié)時，定時檢測凍土墻擴(kuò)展情況，實(shí)時掌握鹽水溫度和流量，根據(jù)凍土墻的凍結(jié)情況，及時調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，當(dāng)凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，進(jìn)入積極凍結(jié)。凍結(jié)期間，要求7 天內(nèi)鹽水溫度降至-25℃以下。凍結(jié)時，凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度應(yīng)不小于設(shè)計深度，凍結(jié)孔孔位垂直度偏差應(yīng)控制在100mm 以內(nèi)，如果凍結(jié)孔的垂直度偏差過大，則需要重新鉆孔。凍結(jié)管的密封試驗(yàn)壓力值應(yīng)為0.8MPa，30min 內(nèi)壓力無變化為合格，凍結(jié)體平均溫度應(yīng)低于-10℃，凍結(jié)體與地連墻的連接處及附近溫度應(yīng)低于-5℃。

3）凍結(jié)時機(jī)要求：盾構(gòu)組裝和調(diào)試的過程中，同步對始發(fā)端頭地層進(jìn)行積極凍結(jié)，凍土平均溫度和厚度達(dá)到設(shè)計值后，將盾構(gòu)推入外接環(huán)，進(jìn)入洞門，距凍結(jié)體20cm。先拔第一、第二排凍結(jié)管，拔至盾構(gòu)上方，繼續(xù)凍結(jié)。拔管過程中不需完全解凍。強(qiáng)制解凍第三排凍結(jié)管至盾構(gòu)上方，繼續(xù)凍結(jié)。依次類推，在隧道范圍內(nèi)所有凍結(jié)管全部拔至盾構(gòu)上方，并凍結(jié)達(dá)到設(shè)計要求后，盾構(gòu)方可始發(fā)。隧道兩側(cè)的凍結(jié)管暫時不拔，待盾構(gòu)穿過最后一排凍結(jié)管后，再拔出并填充。尤其注意，最后拔出地連墻附近的凍結(jié)管，以防拔管后孔底土層融化導(dǎo)通地下水。在保證安全的前提下，盡量減少凍結(jié)體的體積，以減輕凍脹和融沉對周邊建筑物及地下管線的影響。

2.3 盾構(gòu)始發(fā)準(zhǔn)備及外接環(huán)安裝

對已加固的端頭土體進(jìn)行檢查，確保地基承載力滿足起吊設(shè)備施工安全后，開始在始發(fā)井內(nèi)組裝盾構(gòu)。①將后配套單元車通過始發(fā)井吊入車站內(nèi)，然后組裝；②將盾構(gòu)主機(jī)依次通過始發(fā)井吊入車站內(nèi)，然后把主機(jī)和后配套單元車連接起來；③對盾構(gòu)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試；④同步進(jìn)行水平運(yùn)輸系統(tǒng)、垂直運(yùn)輸系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)、泥漿處理系統(tǒng)等安裝和調(diào)試；⑤同步進(jìn)行冷凍系統(tǒng)積極凍結(jié)；⑥同步完成反力架安裝，進(jìn)行負(fù)環(huán)管片拼裝，為盾構(gòu)始發(fā)做好準(zhǔn)備。

為防止掘進(jìn)掌子面泥水和注漿漿液的流失，在洞門鋼環(huán)外又增加外接環(huán)，外接環(huán)長750mm，由3 道密封結(jié)構(gòu)構(gòu)成，第一道和第二道密封裝置由兩道橡膠密封板，翻板、圓環(huán)板、墊圈和螺栓等組成。第三道密封采用鋼環(huán)外側(cè)焊接盾尾刷密封，形成兩個密閉腔體，外接環(huán)兩密閉腔間預(yù)留帶有閘閥的注脂孔，盾構(gòu)始發(fā)前需通過油脂加注孔向兩個密閉腔內(nèi)注入油脂以保證密封的良好性，洞門臨時密封裝置如圖4 所示。

圖4 洞門外接環(huán)剖面圖

2.4 洞門破除

盾構(gòu)始發(fā)準(zhǔn)備工作完成并凍結(jié)加固達(dá)到設(shè)計效果后，為保證洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，洞門圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除要分塊、分層，從里到外從上到下的方式進(jìn)行鑿除，首先將背土側(cè)（內(nèi)層）的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)層鋼筋保護(hù)層混凝土鑿除，并用氣割切掉鋼筋，然后繼續(xù)鑿至迎土側(cè)（外層）的鋼筋外露為止，洞門破除過程中繼續(xù)維護(hù)凍結(jié)，做好凍土面保溫，防止冷量損失，凍結(jié)體解凍，然后破除下一塊圍護(hù)結(jié)構(gòu)，確保洞門破除安全。當(dāng)盾構(gòu)安裝調(diào)試完畢，推行盾構(gòu)就位后，再拆除保溫棉，快速將余下圍護(hù)結(jié)構(gòu)外層鋼筋割除，進(jìn)行清理后，即可始發(fā)，破除過程中注意凍結(jié)管的保護(hù)。

2.5 外接環(huán)手抹油脂涂抹

為確保密封效果及縮短建壓時間，洞門破除完畢并清理完成后在3 道密封結(jié)構(gòu)形成的密閉腔體內(nèi)及尾刷上涂抹手抹油脂，手抹油脂分層涂抹，必須確保手抹油脂在盾尾刷密閉腔內(nèi)均勻分布，油脂盡量塞到外接環(huán)尾刷根部，涂抹順序原則上從下向上，以免上部涂完后油脂掉落至下部作業(yè)人員身上，已涂完部分要注意保護(hù)，上部涂抹之前，應(yīng)用帆布將臨近設(shè)備覆蓋，以免油脂污染設(shè)備。外接環(huán)手抹油脂涂抹完成后繼續(xù)拼裝負(fù)環(huán)，將盾體向前推進(jìn)，推入洞門前，在刀盤外周和橡膠簾幕外側(cè)涂抹潤滑脂，防止劃破橡膠簾幕影響密封效果，為確保凍結(jié)管安全，將盾體前移至凍結(jié)體前20cm 即停止推進(jìn)。

2.6 開挖面建壓

1）外接環(huán)密閉腔油脂注入 當(dāng)?shù)侗P推進(jìn)到預(yù)定位置，用注脂管連接外接環(huán)預(yù)留注脂孔和油脂分配閥，打開注脂閘閥，使油脂從外接環(huán)預(yù)留注脂孔注入兩道鋼絲刷之間，填滿其空隙；為杜絕洞門滲漏水、避免泥水壓力損失，油脂注入壓力應(yīng)大于切口水壓，形成溢流。

2）泥水建壓 油脂注入達(dá)到預(yù)定壓力后，打開泥漿管，逐步抬高開挖倉液位，觀察外接環(huán)漏漿情況，若漏漿則暫停泥漿注入，繼續(xù)在漏漿處加注油脂，若洞門達(dá)到密封效果，則逐步提高切口水壓。為減小泥水對外接環(huán)的壓力，確保外接環(huán)密封效果，建壓時可在允許的范圍內(nèi)盡量降低切口泥水壓力，嚴(yán)禁超過洞門橡膠簾幕的耐壓值。

2.7 掘進(jìn)輪廓內(nèi)凍結(jié)管拔除

當(dāng)泥水壓力建立、確保外接環(huán)密封效果后，即可開始掘進(jìn)輪廓內(nèi)拔除凍結(jié)管，繼續(xù)凍結(jié)其余凍結(jié)管。拔除凍結(jié)管的方法與步驟為：①準(zhǔn)備階段，準(zhǔn)備設(shè)備、機(jī)具（汽車式起重機(jī)、起管機(jī)或千機(jī)頂、電熱管、鹽水箱）和粘土或低標(biāo)號水泥砂漿等；②操作階段，用電熱管在鹽水箱中加熱鹽水，加熱后讓熱鹽水在凍結(jié)孔（或測溫孔）中循環(huán)，當(dāng)孔周圍凍土融化達(dá)到3～5cm 時，用起管機(jī)或千斤頂松動凍結(jié)管，用汽車式起重機(jī)快速拔出；③注意事項(xiàng)：熱鹽水循環(huán)以每2～3 組凍結(jié)孔為一批，拔管后用粘土或低標(biāo)號水泥砂漿及時封孔。凍結(jié)管周邊強(qiáng)制解凍后，為了防止拔斷凍結(jié)管，要先松動，同時起管機(jī)與凍結(jié)管之間要設(shè)限力裝置，避免拔斷后影響盾構(gòu)始發(fā)。凍結(jié)管拔除時對鹽水箱及凍結(jié)管內(nèi)鹽水進(jìn)行回收利用，不得隨意排放，以防污染水體。

2.8 弧形板焊接

始發(fā)階段掘進(jìn)應(yīng)緩慢穩(wěn)步前進(jìn)，推進(jìn)速度控制在10mm/min 以下，當(dāng)掘進(jìn)至盾體全部進(jìn)入外接環(huán)，盾尾邊緣比外接環(huán)外立面略微靠前，外接環(huán)尾刷與止?jié){板相交但尚未脫離前暫停推進(jìn)。當(dāng)盾尾完全進(jìn)入洞門后，管片與外接環(huán)間有300mm間隙，止水橡膠簾幕、壓板和管片外弧壁接觸瞬間，因盾構(gòu)后筒外徑為6450mm，而管片外徑為6200mm，外徑差值瞬間增大到125mm，為防止外接環(huán)尾刷及橡膠簾幕外翻造成密封失效，在盾尾進(jìn)入外接環(huán)后在外接環(huán)外立面焊接一圈弧形板，將外接環(huán)與管片間間隙進(jìn)行封堵，若間隙過大，必要時可在弧形板與尾刷間塞填棉被，塞填物不可影響尾刷回彈，確保盾尾通過外接環(huán)瞬間，外接環(huán)與管片間密封效果（圖5）。

圖5 始發(fā)密封示意圖

2.9 始發(fā)掘進(jìn)及同步注漿

緩慢穩(wěn)步向前推進(jìn)至盾尾全部通過外接環(huán)，同時使外接環(huán)簾幕與尾刷與管片密貼。當(dāng)盾尾全部進(jìn)入外接環(huán)，并脫開盾尾1～2 環(huán)后開始同步注漿，同步注漿的主要目的是確保洞門的密封性和安全性。始發(fā)時同步注漿選取的注漿材料為水泥漿和水玻璃按一定比例混合組成的雙液漿，它的注入會迅速縮短漿液的凝固時間，減少始發(fā)的掘進(jìn)風(fēng)險，增強(qiáng)刀盤在掘穿加固區(qū)時對洞門的沖擊水壓的抵抗力。同時，要注意控制雙液漿注入過程中的出口壓力，防止壓力過大對盾尾造成損壞，一般始發(fā)掘進(jìn)時注漿出口壓力取值為0.1～0.3MPa，注漿量取值為環(huán)形計算空間的1.3～1.8 倍，這樣既能保證環(huán)形施工空隙的有效充填，又能確保管片不發(fā)生變形、損壞或整體上浮。

盾體全部進(jìn)入洞門鋼環(huán)并完成洞門加強(qiáng)注漿后，逐漸提高切口水壓至理論計算值，完成始發(fā)掘進(jìn)，停止凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)，拔除剩余凍結(jié)管，進(jìn)入正常掘進(jìn)施工。剩余水泥漿固結(jié)后外運(yùn)，不得隨意排放，防止污染水體。

3 結(jié)語

世茂大道站-冰雪大世界站區(qū)間右線盾構(gòu)始發(fā)首次采用HFE 法施工，安全順利，無涌水涌砂，效果良好。世茂大道站-冰雪大世界站區(qū)間左線、太陽島站-人民廣場站為過江區(qū)間、人民廣場站-尚志大街站、尚志大街-博物館站、博物館站-工人文化宮站等區(qū)間，都推廣應(yīng)用HFE法始發(fā)，同樣取得良好效果，沉降滿足設(shè)計要求。該創(chuàng)新方法不僅工藝簡單、技術(shù)先進(jìn)，安全性能高，而且相比傳統(tǒng)始發(fā)加固，每次可節(jié)約加固成本100 萬元，每次可減少降水約307200m3，既降本增效又環(huán)保安全。采用該技術(shù)后在洞門破除、盾構(gòu)建壓、盾尾進(jìn)洞等高風(fēng)險環(huán)節(jié)安全系數(shù)大幅提高，風(fēng)險可控性強(qiáng)，大大降低了洞門漏水漏漿及始發(fā)風(fēng)險，使我國高水壓軟土地層盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的技術(shù)更加全面成熟。該技術(shù)優(yōu)勢明顯、適用范圍廣、推廣前景好。