高 瑞，岳紅波，梁 聰，劉媛瑩，燕 曉，梅 源

(1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

盾構(gòu)始發(fā)及接收是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系周圍建筑物的安全和整個施工過程的安全,同時，此階段使施工過程中也最易出現(xiàn)問題，如何在施工中采取合理措施，以避免危險事故發(fā)生，是值得注意的問題。

凍結(jié)法在我國隧道盾構(gòu)施工中應(yīng)用較廣泛，尤其是在富水地層中的應(yīng)用，但單一凍結(jié)法已不能滿足施工需要。盾構(gòu)的始發(fā)和接收是富水軟弱地層盾構(gòu)施工的重大風(fēng)險事件之一。凍結(jié)法及鋼套筒法盾構(gòu)接收出洞技術(shù)雖均有工程應(yīng)用，但環(huán)境安全控制效果無法滿足富水砂層和粉砂層地區(qū)的施工要求。因此，在富水砂層或粉砂層中采用凍結(jié)法聯(lián)合鋼套筒盾構(gòu)接收或始發(fā)技術(shù)可成為解決富水砂層盾構(gòu)接收和始發(fā)時環(huán)境安全控制的有效途徑。

1 工程概況

本工程位于蘇州地鐵5號線竹園路站—塔園路站，竹園路站西端頭井位于濱河路以西現(xiàn)有市政道路竹園路下方，距竹園路與濱河路交叉口130m左右，西端頭井內(nèi)為地下3層結(jié)構(gòu)，地面標(biāo)高約3.800m，盾構(gòu)中心埋深約21.3m，洞口直徑6.7m，盾構(gòu)接收范圍內(nèi)分布的土層主要為粉砂夾粉土、粉質(zhì)黏土層，該土層為軟弱富含水土層，盾構(gòu)進(jìn)出洞有涌水涌砂風(fēng)險。西端頭井洞門加固影響范圍內(nèi)無重要建(構(gòu))筑物，地面位置及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 竹園路站周邊環(huán)境示意

2 工程特性分析

1)盾構(gòu)的始發(fā)井、接收井及掉頭空間為既有車站 竹園路站西端頭為盾構(gòu)接收(左線)及始發(fā)(右線)井，車站為地下3層3跨現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。車站采用復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，站臺層內(nèi)襯厚1 000mm，端頭井寬25 200mm，長12 600mm，西端頭地下2層板下翻梁與地下3層底板凈空為7 200mm，西端頭為盾構(gòu)掉頭井，盾構(gòu)掉頭后組裝始發(fā)。始發(fā)井左、右線地下1，2層板上均已預(yù)留5m×4m吊裝口，用于盾構(gòu)機(jī)掉頭、接收、始發(fā)所需配件材料及鋼套筒、反力架下井組裝。

2)盾構(gòu)進(jìn)出洞處土體為軟弱含水土層 盾構(gòu)出洞處距京杭大運(yùn)河500m左右，如圖2所示，土體為軟弱含水土層，具有較大的漏水涌砂風(fēng)險。若不提前加固處理，極易塌方或水土流失，造成地面塌陷，甚至使盾構(gòu)失去控制。

圖2 竹園路站與京杭大運(yùn)河位置關(guān)系

3)地面沉降較難控制 蘇州地區(qū)廣泛分布松散第四紀(jì)沉積物，地下水資源開采利用強(qiáng)度較大，抽汲地下水使第四紀(jì)土層固結(jié)壓縮所導(dǎo)致的地面沉降較嚴(yán)重。地面沉降地質(zhì)災(zāi)害具有易發(fā)性、緩變性和累積性等特點(diǎn)，地面沉降及其引起不均勻沉降長期積累，會危害建(構(gòu))筑物自身安全。

3 技術(shù)原理

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)原理

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，將鋼管打入地層，然后將低溫鹽水導(dǎo)入鋼管進(jìn)行循環(huán)流動，使地層中的水結(jié)成冰塊形成凍土帷幕，將天然巖土變?yōu)閮鐾?，增加其?qiáng)度和穩(wěn)定性，不僅可承受四周的水土壓力,還能隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，可在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程掘砌施工。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。凍結(jié)壁是一種臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)形成后，停止凍結(jié)，凍結(jié)壁融化，凍結(jié)法加固如圖3所示。

圖3 凍結(jié)法加固示意

3.2 鋼套筒應(yīng)用原理

采用鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)或接收，實(shí)質(zhì)上是將地層環(huán)境延長至地表自然空間，使盾構(gòu)離開隧洞時隧道結(jié)構(gòu)已處于完成狀態(tài)，以化解隧道洞口的坍塌風(fēng)險。從盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況來看，鋼套筒盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)比傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)具有更高的安全性與穩(wěn)定性。在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前借助具有密閉性的鋼套筒創(chuàng)造穿越土層過程所承受的壓力環(huán)境，避免破除洞門前發(fā)生涌水涌砂，確保整個作業(yè)過程具有極高的安全性。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 杯形水平凍結(jié)法端頭加固

受竹園路站西端頭地面場地條件限制，常規(guī)端頭加固方式如旋噴樁加固法、深層攪拌樁加固法、注漿加固法、旋挖素混凝土法等均不能滿足加固要求，迫切需更節(jié)約場地的加固方式，最終選用凍結(jié)加固法。

4.1.1凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

洞門采用水平凍結(jié)加固技術(shù)，結(jié)合蘇州地區(qū)凍結(jié)加固經(jīng)驗(yàn)，凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)取值為：單軸抗壓4.0MPa，抗折2.0MPa，抗剪1.8MPa(-10℃)。凍結(jié)加固采用杯形凍結(jié)壁，杯底厚3m，杯壁高4m，厚2m，如圖4所示。

圖4 凍結(jié)帷幕示意

4.1.2凍結(jié)孔施工

鉆孔施工工序?yàn)椋憾ㄎ婚_孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗(yàn)?？卓诠苊芊庋b置如圖5所示。

圖5 孔口管密封裝置示意

4.2 鋼套筒輔助盾構(gòu)接收及始發(fā)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收需通過吊裝井將鋼套筒從地面下放到地下，但由于本工程在特殊密閉環(huán)境下進(jìn)行，封閉段地面管線及交通已恢復(fù)，地面無任何吊裝作業(yè)條件，傳統(tǒng)的鋼套筒結(jié)構(gòu)及施工方法不能滿足該工況要求，施工難度較大。因此，對鋼套筒結(jié)構(gòu)及組裝方法進(jìn)行了改良研究，鋼套筒結(jié)構(gòu)及組裝方法主要包括：與洞門鋼環(huán)固定連接過渡環(huán)、過渡環(huán)背離洞門鋼環(huán)一側(cè)固定設(shè)置依次排列的若干節(jié)筒體、相鄰?fù)搀w間密封連接，筒體背離過渡環(huán)一側(cè)設(shè)后端蓋、后端蓋一側(cè)設(shè)斜撐、筒體下方設(shè)底座，且底座與筒體的第4環(huán)片固定連接等，如圖6所示。通過改良鋼套筒設(shè)計(jì)，方便了鋼套筒安拆及吊裝，降低了鋼套筒施工風(fēng)險。

圖6 鋼套筒輔助盾構(gòu)接收示意

一般地鐵車站在底板澆筑混凝土?xí)r，在底板上預(yù)埋鋼板，待盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時，將反力架斜撐直接焊接在預(yù)埋鋼板上，為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)提供反力。但在實(shí)際操作中，因施工單位不同、進(jìn)場時間不同，會出現(xiàn)底板鋼板未預(yù)埋情況，從而影響施工，且底板鋼板位置固定會導(dǎo)致施工具有一定局限性。本工程通過研究一種反力架斜撐與混凝土的連接固定裝置解決了上述難題。裝置包括盾構(gòu)機(jī)末端連接反力架，反力架通過撐桿與主體結(jié)構(gòu)底板固定，且主體底板上設(shè)混凝土底板并在表面開孔，孔內(nèi)通過植筋膠固定圓鋼，圓鋼上端固定鋼板，鋼板厚度等于圓鋼伸出混凝土底板的長度，鋼板上預(yù)先開設(shè)與圓鋼對應(yīng)的通孔，圓鋼頂端伸入通孔內(nèi)與鋼板滿焊固定，鋼板與斜撐桿底端滿焊固定。通過改良始發(fā)反力架設(shè)計(jì)，以提供一種使用靈活、操作簡單、斜撐底部設(shè)定位置自由、可適用于多種型號盾構(gòu)機(jī)的反力架斜撐與混凝土連接固定裝置。

4.3 富水粉砂地層盾構(gòu)接收與始發(fā)洞門密封

目前采用鋼套筒進(jìn)行盾構(gòu)接收及始發(fā)工藝在洞門密封施工中仍存在諸多問題，如洞門無專門的密封裝置，僅依靠注漿進(jìn)行填充止水，該技術(shù)止水措施單一，且受注漿效果的影響較大，漿液配合比不合適或施工人員疏忽導(dǎo)致注漿效果差，將會造成較大的漏水漏砂安全隱患。同時，現(xiàn)有的始發(fā)及接收洞門密封依靠折頁翻板壓緊簾布橡膠板的方式進(jìn)行堵水，簾布橡膠板與管片之間存在較大間隙，不能達(dá)到徹底密封效果，盾構(gòu)在始發(fā)或接收過程中仍存在漏水漏砂風(fēng)險，且該密封裝置后期需拆除，存在嚴(yán)重安全隱患。

鑒于前述原因，為確保工程安全進(jìn)行，對富水粉砂地層盾構(gòu)接收與始發(fā)洞門密封技術(shù)展開研究，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，基于盾構(gòu)始發(fā)和接收的隧道洞門密封方法與安全結(jié)構(gòu)對隧道洞門進(jìn)行徹底密封，密封裝置包括預(yù)埋有塑性鋼環(huán)刷的洞門鋼環(huán)及位于預(yù)埋洞門鋼環(huán)內(nèi)側(cè)的環(huán)形拼裝混凝土管片，以解決傳統(tǒng)圓環(huán)板、折頁翻板和簾布橡膠板結(jié)構(gòu)密封不徹底的問題。

4.4 全封閉地鐵車站盾構(gòu)機(jī)暗掉頭施工

在主體結(jié)構(gòu)已完工的封閉車站內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)掉頭，施工過程控制難度大。鑒于此，通過歸納總結(jié)盾構(gòu)機(jī)可掉頭的車站結(jié)構(gòu)、限制條件及通用施工步驟，強(qiáng)化施工過程，推導(dǎo)框架結(jié)構(gòu)車站內(nèi)盾構(gòu)掉頭可行性相關(guān)公式，研究一種用于盾構(gòu)臺車掉頭平移的輔助輪盤系統(tǒng)和千斤頂反力支座，以解決現(xiàn)有技術(shù)中盾構(gòu)臺車在車站內(nèi)掉頭平移裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、狹小空間內(nèi)定向移動操作難度大、工作效率較低的技術(shù)問題。輔助輪盤系統(tǒng)主要包括承重平臺、支撐梁及行走機(jī)構(gòu)(見圖7)，其中，承重平臺固定設(shè)置在支撐梁上方，用于承載盾構(gòu)臺車，行走機(jī)構(gòu)安裝在支撐梁下方。千斤頂反力支座由千斤頂卡槽、活動鉸及支座組成，其中，千斤頂卡槽用于固定千斤頂，活動鉸的一端與千斤頂卡槽固定連接，另一端與支座固定連接，活動鉸的轉(zhuǎn)動軸線豎向設(shè)置，支座固定設(shè)置在地面上。

圖7 千斤頂反力支座示意

5 凍結(jié)法施工過程數(shù)值模擬與分析

5.1 模型建立

基于實(shí)測數(shù)據(jù)利用有限元軟件ABAQUS對凍結(jié)法施工進(jìn)行數(shù)值分析，根據(jù)蘇州地鐵5號線竹園路站人工凍結(jié)設(shè)計(jì)方案，考慮凍結(jié)溫度場的影響范圍，按工程實(shí)際建立三維數(shù)值模型，模型整體尺寸為40m×20m×40m。隧道縱向及豎直方向各取20m和40m，隧道中心與兩側(cè)邊界距離相等。不同溫度下粗砂層的相關(guān)參數(shù)如表1所示。所建幾何模型如圖8所示。

表1 不同溫度下粗砂層的相關(guān)參數(shù)

圖8 杯形凍結(jié)土體、擬挖除土體及襯砌相對位置

本模型選用完全熱-力耦合數(shù)值模擬。凍結(jié)法施工中，由于土體中水分凍結(jié)成冰的作用，在不同負(fù)溫下，土體會有不同的彈性模量和泊松比。

5.2 計(jì)算結(jié)果分析

土體位移結(jié)果如圖9所示。積極凍結(jié)期，地表凍脹位移約17mm，在安全范圍35mm內(nèi)。由于計(jì)算模型所采取的假定等原因，計(jì)算結(jié)果偏保守，凍脹土體的實(shí)際位移值應(yīng)小于計(jì)算值，因此凍結(jié)方案安全可行。

圖9 積極凍結(jié)期模型中心縱剖面最終地層位移云圖

6 結(jié)語

1)設(shè)計(jì)了一種適用于多種型號盾構(gòu)機(jī)的反力架斜撐與混凝土連接固定裝置，解決了因施工單位不同、進(jìn)場時間不同導(dǎo)致的底板鋼板未預(yù)埋問題。針對現(xiàn)有技術(shù)不足，研究一種基于盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收的隧道洞門密封裝置，有效解決了在采用鋼套筒進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)始發(fā)及接收過程中的隧道洞門密封安全問題。

2)通過研究用于盾構(gòu)機(jī)掉頭平移的千斤頂反力支座和輔助輪盤系統(tǒng)，解決了盾構(gòu)機(jī)在狹小空間內(nèi)掉頭平移裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、定向移動難度大、工作效率較低的技術(shù)問題；同時，能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)在非工作狀態(tài)下移動到所需位置，有效提高了工作效率。