郭振国
(天津轨道交通集团有限公司，天津 300050)
摘 要：在含有承压水的粉土、粉砂层的地质条件下进行盾构接收施工，施工风险较大，需要考虑各方面的不利因素，制定出详尽、全面的施工管控措施。以天津某地下三层地铁车站盾构明洞接收工程为例，在参考目前地铁车站明洞接收方法基础上，设计出了盾构明洞接收方案，并采取泡沫混凝土等洞口硬化封闭措施。施工过程中需要防止洞门及箱体破除过程中出现渗漏水；在出洞过程中加强对冷冻体的温度监测，采取合理的技术措施防止盾构机刀盘冻住。工程实践证明施工达到了较为理想的效果。
关键词：盾构出洞；明洞接收；冻结法；渗漏水
目前，在地铁隧道盾构施工接收方案中，采用明洞接收的方法有多种，但由于不同的地质和施工环境差异，使得任何一种施工方法都只能适应特定的环境条件[1-3]，特别是在含有承压水的粉土、粉砂层的施工环境条件下，施工风险较大。本文以天津某地铁车站盾构明洞接收工程为例，设计了盾构明洞接收方案，并制订了详细的施工工艺流程和管控要点。工程实践结果表明，所拟定的施工方案比较适合该复杂地质条件下的隧道盾构明洞接收施工。
天津某地铁在隧道盾构施工过程中，需要在红旗南路站穿出以结束该段的地下穿越施工，从而需要完成站端接收工作。该站北端头井为左、右线盾构到达井，地下3层结构，基坑开挖深度24.4 m，盾构到达位于地下3层。隧道接收处的地面标高为+2.67 m，左、右线洞门中心标高均为-15.949 m，盾构覆土埋深为15.519 m。根据地质资料，接收区域自上而下涉及的主要土层为：①1素填土、①2-1素填土、④1粉质粘土、⑥1粉质粘土、⑥4粉质粘土、⑦粉质粘土、⑧1粉质粘土、⑧2-1砂质粉土、⑧2-2粉砂、⑨1粉质粘土。盾构接收处约有25%断面处于⑧1粉质粘土，约有50%断面处于⑧2-1砂质粉土，约有25%断面处于⑧2-2粉砂，盾构处土体参数见表1。
表1 盾构处地层物理指标
层号土层名称含水量/%重度/(kN·m-3)层厚/m⑧1粉质粘土21.920.50.5～2.3⑧2-1砂质粉土21.920.11.5～3.9⑧2-2粉砂21.320.31～2.4
采用冻结法对出洞端土体进行加固，冻结范围为隧道上下左右各3 m。施工过程中冻结温度为-10 ℃，则冻结土体的抗拉强度为σt=1.8 MPa，抗剪强度为τc=1.5 MPa。应用静力理论对加固区土体厚度h进行计算。静力理论是将加固区土体视为边界简支的圆盘，在未冻结区的水土压力下，中心处最大弯曲应力及简支处最大剪应力满足强度公式：
式中：h为加固区土体厚度(m)；μ为土体泊松比，取为0.25；P为加固区外侧水土侧压力(MPa)；D为盾构隧道直径(m)；k为安全系数，取为3。
由于盾构隧道位置处土体均为砂土，取砂土的侧压力系数为0.5，盾构隧道轴线深度为18.619 m，经计算得隧道轴线位置处的水土压力和为0.56 MPa，则隧道位置处的水土侧压力为P=0.28 MPa。该工程中隧道直径D=6.2 m，将上述已知参数代入公式(1)中得：h≥2.33 m。为方便施工，取h=2.4 m，并将其代入公式(1)进行验算，得τmax=0.18 MPa≤0.5 MPa，因此将加固区土体厚度取2.4 m，满足施工安全要求。
垂直冻结采用3排冻结管，孔间距为800 mm、1 200 mm，梅花形布置，排间距为800 mm。冻结壁冻结厚度设计为2.4 m，在隧道及上下左右各3 m范围内进行冻结施工。在红旗南路站北端头冻结场进行垂直冻结管打设，并提前连接好管路，根据盾构到达节点提前35 d开机冻结。洞门凿除分为粉碎性凿除与分块凿除，基于施工安全考虑，本次洞门凿除采用粉碎性凿除，割去内排钢筋、外排钢筋，清理洞门内残余钢筋，保证到达接收时无障碍物。洞门凿除前，必须具备表2条件方可凿洞门。
表2 洞门凿除冻结指标要求表
内容指标冻土墙厚度≥2.4m冻土的平均温度-10℃各探孔温度≤-5℃盐水温度-28～-30℃盐水去回路温度差≤2℃
除冻结指标达到要求外，在洞门凿除前，须在洞圈范围内合理位置开设一定数量样孔以进一步检验盾构到达正前方土体加固情况，初定在洞门上下左右及中心部位共设置9个样孔(如图1所示)，并根据样孔检验情况适当增加样孔。在检验情况良好的条件下，方可进行下步洞门凿除施工。
图1 洞门样孔示意图
泡沫混凝土采用现场制作，通过软管直接通过预留施工孔进行回灌浇筑，为确保浇筑密实，采用分层浇筑(1.5 m)方法。另外，泡沫混凝土浇筑前需先进行配合比实验，在满足3 d抗压强度1 MPa、28 d抗压强度1.5 MPa的要求后方可现场施工。考虑到本次接收方式为明洞接收，回灌材料为泡沫混凝土，不设接收基座，盾构机直接坐在泡沫混凝土上，在明洞内推进至盾构机拆装位置，明洞凿除后将盾构机吊出撤场。
(1)盾构机掘进至距离冻结加固区2 m左右，停止掘进，拔除盾构推进区域影响范围内冻结管，其他冻结管维持冻结，盾构机开始向前推进。
(2)盾构拼装好677环，千斤顶伸长0.49 m，盾构机刀盘到达冻结加固区与回灌泡沫混凝土交界面时，利用672环、673环管片注浆孔进行环箍施工，见图2。
图2 盾构机管片注浆孔环箍施工示意图(单位：mm)
(3)680环拼好，盾尾完全进入冻结加固区后，利用677、678环管片注浆孔进行环箍注浆加固，同时在盾构壳体上增开注浆孔对冻结加固区内建筑空隙进行封堵。在管片上开探孔，确认止水效果良好后，继续接收。
(4)盾构机盾尾脱出洞门，再次进行环箍施工，并在箱体端面开设样洞观察盾构机上部是否有渗漏情况，同时，在洞门后管片注浆孔进行环箍注浆。
(5)利用地下二层板预留施工孔对该区域泡沫混凝土进行凿除至盾壳处，观察盾尾与结构内衬墙的相对位置，开始洞门封堵。从上部及两侧破除泡沫混凝土，暴露出钢洞圈，采用弧形钢板进行焊接，最后再进行下部洞圈封堵，完成整个洞门封堵。对整个洞门进行补压浆。破除整个箱体，吊出盾构机。
5.1 加固区外的推进
加固区外推进必须严格控制切口平衡土压力，同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定平衡压力波动的差值等。防止超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动。推进速度控制在 3 cm/min，具体可根据地面监测情况适当调整。在确保盾构正面沉降的情况下，使盾构均衡匀速施工。到达段盾构姿态变化应加以重点控制，每环检查管片的超前量和盾构千斤顶的行程差，确保盾构推进既符合隧道轴线又能以良好的姿态进洞。此外在推进时应做到不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙、相对区域油压的变化量、出土箱数和千斤顶行程变化的趋势，并采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。
5.2 加固区内的推进
当盾构进入加固区以后根据刀盘油压情况及地面监测情况可适当调低土压力值至0.12～0.14 MPa。当盾构刀盘中心刀靠上泡沫混凝土前，逐渐降低土压力值直至0。盾构进入加固区后，由于正面土体土质较硬，为控制推进轴线和保护盾构刀盘，必须耐心磨削，使加固区土体得到充分切削。为控制好刀盘油压和转速，推进速度应放慢，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，推进速度在1 cm/min以内为宜。按照盾构机实际推进里程，区间隧道拼装结束后为使盾构机到达盾构拆机位置，利用预先准备好的负环管片作为临时落底块管片，千斤顶编组采用盾构机下部5个千斤顶，采用拼装模式推进至预定位置。
5.3 盾构姿态控制
在盾构到达接收段，左右线平曲线为直线、坡度为-2‰。因盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量避免纠偏，以免造成过大的地层损失。预先计算好每环的楔形量，并在盾构推进时预先控制。遇纠偏时不急纠、不猛纠，单次平面纠偏量控制在5 mm/环内，单次高程坡度纠偏量不超过1‰，多注意观察管片与盾壳的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少产生渗漏通道的可能性。
6.1 风险分析
盾构在接收中主要存在以下风险点：
(1)洞门破除过程中出现渗漏水。站端接收端头井埋深较深，以往在接收施工中曾发生涌水、涌砂的现象，且破除混凝土过程中产生的热量会对冷冻产生不利影响。
(2)盾尾封闭不到位，造成泡沫混凝土清理、混凝土箱体破除时发生渗漏水。
(3)盾构机在冻结加固区推进时，容易造成刀盘被冻死，盾构机不能正常工作。
6.2 风险应对措施
6.2.1 洞门破除过程中出现渗漏水
(1)在破除后浇注混凝土过程中发生渗漏水，则在渗水位置采用水玻璃、注聚氨酯进行封堵。
(2)在冻结交圈、冻土温度达到-5 ℃以后方可进行洞门混凝土破除。
(3)在破除混凝土前严格按要求进行探水，确保探孔前方有3 m的安全距离。
(4)根据破除进度，采用3 cm厚保温板对暴露冻土进行保温。
6.2.2 泡沫混凝土清除及箱体破除时的渗漏水
(1)通过混凝土箱体上部的预留施工孔及洞内管片全环检查渗漏水情况，达到止水效果时方可进行土体清理。
(2)混凝土箱体破除完成以前，持续进行冻结施工，并及时监测、分析冻结情况。
(3)在清砂浆、破除混凝土箱体过程中，一旦发生渗漏水，及时有针对性的压注水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯，封堵漏水通道[2]。
6.2.3 盾体防冻
(1)盾构机少停机，保持缓慢掘进，控制好盾构机相关状态下的推进速度。不间断地从中盾上的预留孔注入聚氨酯，以将盾体与冷冻土体尽量隔开。
(2)加强对冷冻体的温度监测，以指导维护冷冻的运行，使维护冷冻的温度不致太低，控制在-5 ℃左右为宜。
(3)管片拼装与掘进等工序衔接紧密，选择熟练的拼装手尽量缩短管片拼装时间，缩短盾构机停留时间，拼装时刀盘解除连锁，保持刀盘常转状态。
(4)提前做好应急演练，做好设备维修保养，并配备一定的维修人员，一旦出现问题，及时维修，使停机时间减到最短。并且盾构机上常用的备用零件应放在盾构机上，一旦出现问题需及时修理，避免盾构机与周边介质被冻结粘连。
6.2.4 其他注意事项
破洞门时必须注意冷冻系统的保护，不得碰或砸冷冻管路及测温系统。洞圈内冻结孔拔除后盾构接收不宜超过2 d，以防冻结帷幕融化，影响其强度。另外冻结孔拔除的保温工作，采用聚乙烯保温材料对拔除后的冻结进行充填；人工破壁的同时对破壁后的加固体进行保温工作。拔管所使用的支架与人员工作平台支架必须是各自独立的体系，两个支架间不得有任何连带关系。盾构推进到冻结区域如果停止推进应保持刀盘常转，防止刀盘被冻住。
在含有承压水的不良地质环境中进行盾构法隧道施工工作中，其站端接收环节具有很大的风险，特别是在盾构接收周边环境复杂及特殊的区域。为防止接收工作中出现塌方等事故，可采用明洞接收方法，并采取泡沫混凝土等洞口硬化封闭措施。在采用泡沫混凝土明洞接收方案时，需要仔细检测固化后的洞口混凝土是否有可能渗水的裂隙，并采用水玻璃、注聚氨酯对其进行封堵，以防止洞门破除过程中出现渗漏水，且必须在冻结交圈和冻土温度达到-5℃以后方可进行洞门混凝土破除。混凝土箱体破除完成以前，必须采取持续冻结施工，避免盾尾封闭不到位，造成泡沫混凝土清理、混凝土箱体破除时发生渗漏水；在出洞过程中加强对冷冻体的温度监测，采取合理的技术方法防止盾构机刀盘冻死，如借助预留孔注入聚氨酯将盾体与冷冻土体隔开。
参考文献：
[1]王 君,刘庆晨,李广军，等.组合工法在天津地铁盾构进洞施工中的应用[J].建筑科学,2012,9(28):259-260
[2]王荔平.富水软弱地层盾构接收施工技术[J].铁道建筑技术,2012(10):83-86
[3]焦永超.复杂地质条件下盾构机进洞接收防水施工技术[J].中国建筑防水, 2013,(10):31-33
Guo Zhenguo
(Tianjin Rail Transit Group Co. Ltd,Tianjin 300050,China)
Abstract：When the shield-receiving construction is performed in the geological conditions of silt or powder sand stratum with confined water,the construction risk increases greatly, in which case various unfavorable factors have to be taken into consideration and detailed and all-round management and control measures have to be worked out.With the shield-receiving project of a certain underground 3-story tube station in Tianjin as a practical example, and upon the basis of referring to the current open-cut shield-receiving schemes of other tube stations, a new open-cut shield-receiving scheme is designed in the paper,with spongy concrete adopted for hardening and sealing the entrances of the tunnel.During the construction,percolating water should be prevented in the course of excavating the entrance and breaking the box body.In the course of tunnel-exiting,monitoring the temperature of the frozen body should be intensified,with reasonable technical measures taken to prevent the bite holder of the shield from getting frozen and stuck.Engineering practice shows that the construction of the project achieves quite ideal effect.
Key words：tunnel-exiting of a shield;open-cut shield-receiving;freezing method;seepage water
收稿日期：2015-06-30
作者简介：郭振国(1976—)，男，高级工程师，主要从事地铁工程项目建设管理工作
DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.06.018
中图分类号：U455.43
文献标识码：B
文章编号：1672-3953(2015)06-0067-04
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