基于盾構(gòu)常壓開倉安全的凍結(jié)法加固技術(shù)研究

艾零件

（福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站 福州 350007）

0 引言

城市地鐵通常為淺埋暗挖盾構(gòu)法隧道，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和周邊環(huán)境相對復(fù)雜，隧道掘進(jìn)過程中往往刀具磨損較為嚴(yán)重，需頻繁開倉檢查刀具并對已磨損嚴(yán)重的刀具進(jìn)行修復(fù)更換。由于開倉作業(yè)是工程事故的易發(fā)多發(fā)環(huán)節(jié)，作業(yè)過程中潛在安全風(fēng)險(xiǎn)高，稍有不慎就會釀成重大安全生產(chǎn)事故，因此，盾構(gòu)開倉的安全保障問題一直以來都是工程普遍關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)［1-5］。

福州濱?？炀€某盾構(gòu)法隧道工程瀕臨東海，長距離穿越以砂土為主地層，刀具磨損嚴(yán)重，盾構(gòu)掘進(jìn)受阻，需開倉檢修。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，綜合工程地質(zhì)特性、經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)險(xiǎn)性等諸多因素分析比選，工程擬采用常壓開倉方式進(jìn)行查刀換刀作業(yè)，但由于以砂土為主的地層孔隙率大、結(jié)構(gòu)松散、地下水位及含水量高、滲透性強(qiáng)，若常壓開倉將會同時(shí)面臨著掌子面地層自穩(wěn)性差及地下水侵蝕的雙重干擾，開倉作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)大、風(fēng)險(xiǎn)高［6］。對此，工程基于盾構(gòu)常壓開倉作業(yè)安全考慮，開展了廣泛研究，通過多方案反復(fù)分析比選，最終確定采用“地面垂直凍結(jié)+倉內(nèi)止水凍結(jié)”的加固技術(shù)作為常壓開倉安全的輔助性手段，并成功付諸實(shí)施，取得了積極成果。成果主要包括：開倉方式比選、加固方案的綜合比對分析、凍結(jié)法加固設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)要點(diǎn)、凍結(jié)法常壓開倉作業(yè)安全管控的關(guān)鍵技術(shù)等，其成果可供類似工程借鑒參考。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

福州濱?？炀€某區(qū)間為單線單洞盾構(gòu)隧道，總長度3 099.452 m，采用兩臺φ8 580 mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)機(jī)自小里程端頭始發(fā)，擬掘進(jìn)至大里程端頭解體吊出。當(dāng)左線盾構(gòu)掘進(jìn)拼裝至1 038環(huán)、刀盤里程ZDK46+268.24（1 042 環(huán)位置）時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)異常困難，無法繼續(xù)隧道開挖。停機(jī)后，帶壓進(jìn)倉檢查，發(fā)現(xiàn)左線盾構(gòu)雙刃滾刀區(qū)域面板及刀箱嚴(yán)重磨損，正面單刃滾刀臨近中心區(qū)域刀箱不同程度磨損，正面刀具、邊緣滾刀磨損嚴(yán)重，外圍同軌跡滾刀不同程度磨損等。此時(shí)，左線盾構(gòu)掘進(jìn)完成1 868.4 m，約占左線總長度的60.3%。為保障左線盾構(gòu)后續(xù)正常掘進(jìn)，必須開倉對已損壞的刀具進(jìn)行修復(fù)更換。

1.2 停機(jī)位置地質(zhì)、水文條件

左線盾構(gòu)停機(jī)位置中心線標(biāo)高約為-20.752 m，硬化后地面標(biāo)高約為4.65 m，地面至隧道底部覆土厚度約為29.717 m。 地層自上而下分布：雜填土、（含泥）粉細(xì)砂、淤泥、淤泥質(zhì)土、（含泥）粗中砂、粉質(zhì)黏土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。其中，盾構(gòu)隧道穿越地層自上而下依次分布：（含泥）粗中砂、粉質(zhì)黏土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖?？紫冻袎核饕x存于場地西側(cè)局部分布的（含泥）粗中砂中，透水性整體較好，屬強(qiáng)透水層，水量豐富；砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖位于裂隙承壓水層。

2 總體方案比選

2.1 開倉方式比選

左線盾構(gòu)刀箱和刀具磨壞嚴(yán)重，修復(fù)工作量巨大，需修復(fù)作業(yè)的時(shí)間較長。除此外，還需要在倉內(nèi)動火進(jìn)行焊接作業(yè)。帶壓開倉不適合長時(shí)間作業(yè)，若完成大量的修復(fù)工作，需頻頻開倉，不僅作業(yè)效率低下，而且會影響進(jìn)倉作業(yè)人員的健康；另外，帶壓狀態(tài)下進(jìn)行倉內(nèi)動火作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高，稍有不慎就容易引發(fā)事故。而常壓開倉避免了帶壓開倉的不利因素，不僅技術(shù)上更為成熟、安全、可靠，而且作業(yè)效率高、安全風(fēng)險(xiǎn)低［4，6］。經(jīng)比選，采用常壓開倉方式。

2.2 加固方案比選

除刀具出現(xiàn)嚴(yán)重磨損外，左線盾構(gòu)刀盤的面板與刀箱等大型構(gòu)配件也已嚴(yán)重磨損，需要修復(fù)更換。但倉內(nèi)作業(yè)空間有限，若要對面板及刀箱等大型構(gòu)配件進(jìn)行修復(fù)更換，還必須在刀盤前方開辟一個(gè)便于修復(fù)作業(yè)的空間（即修復(fù)工作室）。無論是施作修復(fù)工作室，還是進(jìn)行后續(xù)刀具的修復(fù)更換，都需要在常壓開倉的狀態(tài)下進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)。

根據(jù)地質(zhì)資料，左線盾構(gòu)刀盤前方掌子面所處地層是以（含泥）粗中砂、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖為主的砂質(zhì)土層，地下水位高、富含水、強(qiáng)透水，且地層結(jié)構(gòu)較為松散、整體穩(wěn)定性差，掌子面存在土方坍塌和涌水涌沙的事故風(fēng)險(xiǎn)［6］。基于常壓開倉安全考慮，必須對刀盤前方掌子面地層和地下水進(jìn)行加固和封堵處理，提出以下兩種處理方案：

2.2.1 攪拌樁、旋噴樁、素混凝土墻、注漿加固方案

對粗中砂、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層加固，可能出現(xiàn)加固土體不均勻，加固效果不理想情況，局部甚至可能存在薄弱帶，不能對地下水進(jìn)行全面封堵隔離，潛在風(fēng)險(xiǎn)不能完全消除。

2.2.2 凍結(jié)法加固方案

凍結(jié)法加固對地層的適應(yīng)性強(qiáng)，加固形狀靈活、可變，凍結(jié)法形成的凍土壁均勻性好、強(qiáng)度高，且能有效隔絕地下水聯(lián)系，安全可靠性高［7-13］。經(jīng)對比，采用凍結(jié)法加固方案。

2.3 總體方案確定

結(jié)合工程地質(zhì)特性、經(jīng)濟(jì)分析、風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行綜合比選，確定采用“常壓開倉+凍結(jié)法加固”總體方案。

總體方案的思路是：先采用“地面垂直凍結(jié)+倉內(nèi)止水凍結(jié)”加固地層，然后在凍結(jié)壁的安全保護(hù)下常壓開倉。即：在地面實(shí)施垂直凍結(jié)，輔以倉內(nèi)安裝凍結(jié)管凍結(jié)止水，通過凍結(jié)技術(shù)將盾構(gòu)刀盤周邊地層與地下水凍結(jié)成凍土壁，待凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求和作業(yè)安全得到保障后，再常壓開倉，在刀盤前方施作修復(fù)工作室，然后在修復(fù)工作室內(nèi)完成刀箱刀具的修復(fù)更換作業(yè)。

3 凍結(jié)法加固設(shè)計(jì)與施工

3.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

3.1.1 凍結(jié)壁有效厚度及平均凍結(jié)溫度

盾構(gòu)頂部、修復(fù)工作室的兩側(cè)及底部設(shè)計(jì)厚度3.0 m，修復(fù)工作室的前方迎土面設(shè)計(jì)厚度3.6 m，平均凍結(jié)溫度≤-10 ℃；盾構(gòu)土倉內(nèi)底部設(shè)計(jì)厚度2.0 m，平均凍結(jié)溫度≤-5 ℃（僅作封水作用）。凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)Fig.1 Design of Freezing Curtain （mm）

3.1.2 凍結(jié)孔、測溫孔和泄壓孔設(shè)置

地面設(shè)垂直凍結(jié)孔90個(gè)，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)設(shè)止水凍結(jié)管37根，利用土倉面板螺旋機(jī)兩側(cè)預(yù)留孔布置水平凍結(jié)孔2個(gè)；地面設(shè)垂直測溫孔6個(gè)，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)設(shè)水平測溫孔2 個(gè)；盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)設(shè)泄壓孔2 個(gè)。凍結(jié)管布置如圖2所示。

圖2 凍結(jié)管布置Fig.2 Layout of Freezing Tube （mm）

3.1.3 積極凍結(jié)

地面垂直凍結(jié)的積極凍結(jié)時(shí)間為35 d，倉內(nèi)止水凍結(jié)的積極凍結(jié)時(shí)間為50 d。倉內(nèi)止水凍結(jié)先于地面垂直凍結(jié)15 d。凍結(jié)孔單孔流量不小于5 m3/h；積極凍結(jié)7 d鹽水溫度降至-18 ℃以下，積極凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下，每組凍結(jié)管去、回路鹽水溫差不大于2 ℃；開挖前鹽水溫度降至-28 ℃以下。

3.2 凍結(jié)孔、測溫孔和泄壓孔施工

3.2.1 垂直凍結(jié)孔施工

先對地面高程及盾構(gòu)機(jī)位置進(jìn)行測量，對凍結(jié)管開孔準(zhǔn)確定位；每鉆進(jìn)15 m測斜一次，及時(shí)糾偏，最大偏斜不大于0.5%，所有鉆孔均進(jìn)行終孔測斜。盾構(gòu)機(jī)前方及兩側(cè)垂直凍結(jié)管下放長度不小于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度，且不大于設(shè)計(jì)凍結(jié)深度0.5 m；盾構(gòu)機(jī)頂部垂直凍結(jié)孔鉆孔深度、凍結(jié)管下放長度以碰到盾構(gòu)機(jī)機(jī)殼外緣為準(zhǔn)，以確保凍結(jié)壁與盾殼的膠結(jié)。

3.2.2 倉內(nèi)止水凍結(jié)管布置

需提前帶壓進(jìn)倉布置。在土倉內(nèi)螺旋機(jī)閘門口上方水平敷設(shè)DN40不銹鋼凍結(jié)管及在螺機(jī)閘門兩側(cè)安裝φ45×3.5 mm 凍結(jié)管；凍結(jié)管依次平行布置，凍結(jié)管進(jìn)出口通過土倉隔板上預(yù)留閥口連接至隧道內(nèi)冷凍站。在前盾殼四周布置冷凍排管，排距不大于400 mm，布置范圍不小于凍結(jié)壁擴(kuò)展范圍，冷排管密貼盾構(gòu)機(jī)內(nèi)殼，同時(shí)敷設(shè)保溫板。對前盾殼內(nèi)不能敷設(shè)冷排管和無法安裝冷排管的區(qū)域，采用保溫板保溫，敷設(shè)范圍不小于凍土帷幕邊界1.0 m 以外。保溫板采用阻燃（或難燃）的軟質(zhì)塑料泡沫軟板，并用專用膠水密貼，板材之間不留縫隙，以減少盾殼內(nèi)冷量損失。

3.2.3 測溫孔和泄壓孔布置

利用土倉面板徑向孔施作水平凍結(jié)孔（S1、S2）和測溫孔（T1、T2），測溫孔入土深度不小于1 m。利用土倉面板徑向孔施作泄壓孔（X1、X2），用于釋放積極凍結(jié)期間盾殼四周產(chǎn)生的凍脹力。垂直測溫孔的規(guī)格、接頭、施工方法與凍結(jié)孔一致。

3.2.4 用材

地面垂直和倉內(nèi)水平凍結(jié)管均采用低碳鋼無縫鋼管。凍結(jié)管下到地層后進(jìn)行試壓，試驗(yàn)壓力不低于0.8 MPa，且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的2.5 倍。經(jīng)試壓30 min 壓力下降不超過0.05 MPa，再延續(xù)15 min壓力保持不變即可視為合格。

4 常壓開倉作業(yè)

根據(jù)積極凍結(jié)的實(shí)測溫度數(shù)據(jù)和探孔檢測進(jìn)行判斷，當(dāng)判斷凍土帷幕已經(jīng)形成并交圈、凍結(jié)壁已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度、強(qiáng)度和平均溫度時(shí)，即可常壓進(jìn)倉進(jìn)行修復(fù)工作室施作和后續(xù)刀具修復(fù)更換作業(yè)。

4.1 施作修復(fù)工作室

修復(fù)工作室設(shè)置呈“門字型”，高3.5 m、寬3.5 m、深0.9 m，實(shí)際尺寸可根據(jù)開倉后情況進(jìn)行調(diào)整。

4.1.1 修復(fù)工作室開挖與支護(hù)

打開人倉門，先從人倉門開挖通向刀盤前方的通道，然后再在刀盤前方開挖修復(fù)工作室。開挖修復(fù)工作室前，先進(jìn)行試開挖，之后分層逐步開挖。修復(fù)工作室采用I16+木背板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，支架中部設(shè)置一道橫撐，木背板厚度不小于30 mm，并沿開挖深度架設(shè)3 榀固定支撐，以確保臨時(shí)支護(hù)體系穩(wěn)定安全。木背板靠近作業(yè)面一側(cè)表面敷設(shè)厚度不小于50 mm 的PE保溫層。

4.1.2 部分C排垂直凍結(jié)管的處理

修復(fù)工作室開挖過程中，遇到部分垂直凍結(jié)管（C排部分凍結(jié)管）需要割除時(shí)，可暫停該凍結(jié)管供冷，待切割后再用軟管接通鹽水繼續(xù)凍結(jié)，并做好保溫措施。若開挖暴露出的凍結(jié)管不影響修復(fù)工作，盡量不予割除以利于后期垂直凍結(jié)管整體拔除。

4.2 刀具修復(fù)更換作業(yè)

修復(fù)工作室施作完成后，在修復(fù)工作室臨時(shí)支護(hù)和凍結(jié)壁的雙重保護(hù)下，人員常壓進(jìn)倉對盾構(gòu)刀盤面板、刀箱和刀具進(jìn)行全面檢查，并對已損壞的構(gòu)配件進(jìn)行修復(fù)更換。檢修過程中，加強(qiáng)修復(fù)工作室和凍結(jié)壁的變形及溫度監(jiān)測。

5 盾構(gòu)機(jī)復(fù)推

5.1 復(fù)推條件

在確認(rèn)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向所有凍結(jié)管、測溫管及其他障礙物完全清除干凈，并完成封堵后，方可進(jìn)行盾構(gòu)復(fù)推。這里值得注意的是，復(fù)推前，須對修復(fù)工作室內(nèi)之前已割除的部分垂直C 排凍結(jié)管進(jìn)行再次處理，處理深度自割除部位以下至大于盾構(gòu)機(jī)殼底部外緣200 mm 以上，以避免殘存的凍結(jié)管對盾構(gòu)機(jī)復(fù)推形成障礙。

5.2 盾構(gòu)復(fù)推控制

在盾構(gòu)復(fù)推穿越凍結(jié)壁過程中，為防刀盤被凍住無法轉(zhuǎn)動，在刀盤靠近凍結(jié)壁后先連續(xù)低速轉(zhuǎn)動刀盤，直至盾構(gòu)機(jī)刀盤穿越凍土后再按照常規(guī)推進(jìn)轉(zhuǎn)動，過程中嚴(yán)格控制推進(jìn)速度、扭矩及土倉壓力。若出現(xiàn)凍死情況，可采用鼓風(fēng)機(jī)對前盾、土倉進(jìn)行送風(fēng)，提高盾體周邊溫度，加速解凍，必要時(shí)向土倉內(nèi)加注熱蒸汽解凍。

6 隧道內(nèi)融沉補(bǔ)償注漿

盾構(gòu)推出凍結(jié)加固區(qū)后，利用隧道管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行隧道內(nèi)注漿，并根據(jù)地層監(jiān)測情況進(jìn)行凍結(jié)壁融沉補(bǔ)償注漿。融沉補(bǔ)償注漿遵循“多次”、“少量”、“均勻”的原則。融沉注漿材料以單液水泥漿為主，水泥-水玻璃雙液漿為輔，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，注漿范圍為整個(gè)凍結(jié)區(qū)。注漿循環(huán)順序?yàn)槎荏w底部刀盤前方?刀盤兩側(cè)?刀盤頂部；先注深層，后注淺層，由下而上。融沉注漿結(jié)束條件，以凍結(jié)體變形穩(wěn)定為依據(jù)。

7 結(jié)語

通過采取上述“常壓進(jìn)倉+凍結(jié)法加固”技術(shù)，左線盾構(gòu)順利完成受損刀具的修復(fù)更換作業(yè)，并進(jìn)行復(fù)推。從該技術(shù)的應(yīng)用效果，分析并得出以下結(jié)論：

⑴工程通過采用“地面垂直凍結(jié)+倉內(nèi)止水凍結(jié)“加固技術(shù)，將盾構(gòu)刀盤及其周邊的地層和地下水冷凍膠結(jié)，把天然不良地層變成人工凍土，形成了連續(xù)封閉且堅(jiān)固的凍結(jié)壁，不僅提高了盾構(gòu)刀盤周邊地層的承載力和穩(wěn)定性，而且還隔絕了地下水與修復(fù)作業(yè)室及盾構(gòu)土倉內(nèi)的水力聯(lián)系［7-13］，為常壓開倉長時(shí)間施作修復(fù)工作室及完成后續(xù)刀具的修復(fù)工作提供了安全保障。

⑵“地面垂直凍結(jié)+倉內(nèi)止水凍結(jié)”的加固設(shè)計(jì)理念科學(xué)合理，技術(shù)先進(jìn)可靠，應(yīng)用靈活安全，效果顯著，工程實(shí)踐再次驗(yàn)證了凍結(jié)法加固技術(shù)是一種非常行之有效的方法，具有廣泛的適用性。