盾构在水平冻结加固区小半径曲线始发技术

李义华，李志军，孟海峰

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

近年来，盾构在城市地下各种隧道施工中发展越来越快。有采用水平冻结加固始发的、有小半径曲线始发的、有下穿河流的、有下穿桥梁的、也有下穿地下管线的。就目前的施工水平来说，单一的下穿以上任何一个风险源已经不是什么难题，但是若将以上这些风险叠加在一起，施工难度成倍增加。文献［1－6］主要介绍了水平冻结加固方法在盾构始发或出洞时的应用。文献［7］介绍了小曲线半径始发技术。无锡地铁1号线江海路站—火车站区间盾构始发处在半径360 m曲线上，且始发端头上部有河道、桥梁及多条大直径市政管线，盾构始发处在多个风险高度集中地段，风险和施工难度极大。为避免盾构始发和接收盾构被冻死、冻胀融沉对地上地下构建筑物的影响等风险，文献［8－10］介绍了防止冻胀融沉的措施及方案。本文针对多种风险，将采用蒸汽方式解决盾构被冻死，施工监测和注浆的方式避免冻胀融沉等。

1 工程概况

1.1 工程简介

无锡市轨道交通1号线江海路站—无锡火车站区间，单线长1.3 km。盾构在江海路站南端头右线始发，始发端头处在R 360 m的小半径曲线上，由于端头上部地层埋置大量抛石，不能进行搅拌桩加固，所以采取水平冻结法加固。加固区紧邻桥梁、河流和多条市政管线，盾构要在R 360 m的小半径曲线上穿过冻结加固区、通顺桥、民丰河(河面宽12 m)和3大管线(热力管线、电力管线和上水管线)，施工难度大、风险高。

1.2 工程地质及水文地质

江海路站南端头地层由上至下依次为抛石(层厚0～6 m，位于隧道顶部5.6 m)、〈3〉2粉质黏土(层厚2 m，位于隧道上方3.6 m)、〈3〉3粉土夹粉质黏土(层厚4.6 m，进入隧道范围1 m)、〈4〉粉砂层(层厚4 m，隧道中部)以及〈6〉1－1粉质黏土(位于隧道范围内下方，层厚1.2 m)，见图1。

抛石埋置区域地层透水性较强，地下水与河水相通，渗透系数为2.3×10－4cm/s。抛石层下部是〈3〉2粉质黏土层和〈3〉3粉土夹粉质黏土层。〈3〉2粉质黏土层的垂直透水系数是2.24×10－5cm/s，属于弱透水层。〈3〉3粉土夹粉质黏土层的垂直透水系数是2.15× 10－5cm/s，属于弱透水层。〈4〉粉砂层的渗透系数是6.55×10－5cm/s。

图1 江海路站南端头地质纵断面Fig.1 Geological profile of South of Jianghai Road

1.3 始发端头周边环境

1.3.1 民丰河

据调查，加固区南侧堤岸为民丰河2004年新建堤岸，堤岸构筑形式为浆砌片石挡土墙。河道水位标高为1.008 m，河床底标高为－0.76 m，加固区地面标高为4.2 m，河底距离隧道顶部6.4 m。加固区位置见图2。

图2 加固区位置Fig.2 Consolidation section

1.3.2 通顺桥

现状通顺桥为2004年加宽桥。桥面宽44 m，采用C40混凝土预应力空心板梁，桥台基础采用C25钢筋混凝土扩大基础，隧道右线下穿桥台基础，桥台基础位于隧道顶部5.64 m。隧道与通顺桥剖面图见图3。

图3 隧道与通顺桥剖面(单位:mm)Fig.3 Profile of the tunnel and Tongshun bridge(mm)

1.3.3 管线情况

加固区的南侧河岸边有3条管线，分别是上水管线(φ500，铸铁管)、电力管线(上下3层，共9根，每根φ150，钢管)、热力管线(φ500，铁管外裹保温材料，钢筋混凝土支墩，位于河床内)。区间隧道下穿热力管线和电力管线桩基，热力管线采用钢结构加以混凝土墩支撑固定，位于隧道顶上10.887 m处。

其中上水管布设在河道堤岸边，距离加固区域仅1.5 m，热力、电力管线布设在河道中，距离加固区域分别为3 m和2 m。加固区与管线的位置关系见图4。

图4 端头加固区与管线的位置关系Fig.4 Plan relationship between soil consolidation section and the pipelines

2 加固方案比选

盾构始发端头的原加固方案是采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩加固，加固区存在的驳岸抛石限制了地面垂直钻孔的施工，因此，不能采用搅拌桩和高压旋喷桩或地面垂直冷冻的加固方法，只能从洞门水平加固方面来考虑，水平加固施工方法分水平旋喷和水平冻结法。加固区大部分以粉砂地层为主，水平加固深度6～9 m，水平旋喷的施工工艺在致密的粉砂地层很难达到设计要求的加固效果(加固体无侧限抗压强度不小于1 MPa，渗透系数不大于10－8cm/s)。综上考虑，水平冻结加固施工方法工艺成熟，可靠性高，可用于本工程的地层加固。

3 冻结方案设计

3.1 冻结施工参数

如表1所示。

表1 隧道盾构始发水平冻结加固主要参数Table 1 Parameters of soil consolidation by means of horizontal freezing method of shield launching

3.2 冻结孔布置

冻结孔布置方式如图5和图6所示。

图5 冻结孔、卸压孔和测温孔布置(单位:mm)Fig.5 Layout of freezing points pressure-releasing points and temperature monitroing points(mm)

图6 冻结孔、卸压孔和测温孔剖面(单位:mm)Fig.6 Profile of freezing points，pressure-releasing points and temperature monitroing points(mm)

3.3 测温孔布置

为达到对土体的有效监测，在冻结区域内共布置测温孔5个，测温孔深度与附近冻结孔深度一致。洞门圈外测温孔在冻结壁内布置3个温度测点，分别在测温孔端头、中部、进冻土区1 m位置;洞门圈内测温孔布置2个温度测点，布置在地连墙后1 m和测温孔端头。

3.4 冻结壁厚度验算

根据测温孔温度的变化情况(如图7和图8所示)可以推断冻结壁厚度的发展。根据1#，2#，3#，4#和5#测温孔计算冻土发展速度分别为55，33，25，20，20 mm/d。根据上述发展速度，冻结40 d后，最慢向外冻结发展半径为25 mm/d×40 d=1 000 mm;而发展最快向外冻结发展半径为55 mm/d×40 d=2 200 mm。取平均发展速度计算得出冻结40 d后，发展半径为1 600 mm，由此得到的冻结帷幕厚度最薄为2 m，大于设计的1.58 m。因此，冻结帷幕厚度已满足设计要求。通过1#测温孔得出冻结壁平均温度为－23.5℃，均满足设计要求。

图7 2011年浅孔温度曲线Fig.7 Temperature of shalow points in 2011

图8 2011年深孔温度曲线Fig.8 Temperature of deep points in 2011

3.5 洞门孔钻探检测

积极冻结40 d后在洞门圈范围内上、下、左、右位置各开一探测孔，以实际观测冻土墙的效果。即在洞门圈内以及离洞门圈周围0.5 mm的位置，各开一个探测观察孔。开孔深度为1.5 m。观测结果显示，孔内土体已冻结，无水流出，说明冻结已经达到设计要求。

4 盾构始发

4.1 冻结壁温度计算

人工冻土帷幕的温度发展可以简化为稳态温度场，可以根据式(1)测温孔的温度来推算冻土帷幕的厚度。

式中:T为冻土温度，℃;T1为冻结管内冷媒剂(盐水)温度，℃;r，r1，r2分别为冻结柱内任意点至冻结管中心距离、冻结管外半径和冻土圆柱的外半径，m。

外圈测温孔温度监测结果分析，深孔有效冻结帷幕1.6 m＞1.58 m，根据理论计算，浅孔冻结帷幕有效厚度达到2.1 m＞1.58 m，满足设计要求。

4.2 割线始发

盾构始发线路正处在R360 m的圆曲线上，为了简化施工难度，降低盾构在加固体内曲线纠偏导致的超挖、漏水、卡死等风险，采用割线始发。也就是在设计轴线半径360 m的曲线上取一条割线，让割线与曲线的最大偏差距离控制在±50 mm(设计允许偏差)以内，让盾构沿着这条割线直线向前掘进，当盾尾进入洞门密封后，再让盾构沿着设计好的割线与圆曲线过渡的缓和曲线逐渐向设计轴线靠拢，最终达到掘进线路与设计轴线拟合。

1)盾构和始发基座在安装的时候让始发基座的轴线沿设计轴线逆时针旋转与设计轴线预先形成一个0.4°的夹角，并使刀盘中心预先向左偏离洞门设计中心20 mm，刀盘直径为6 380 mm，洞门圈直径6 700 mm，可以通过调整洞门帘布橡胶和压板的位置来避免刀盘挤破帘布橡胶板，在外置注浆管的4个方位采用可滑动抽拉式压板，避免外置注浆管在洞门处卡住(如图9所示)。

图9 盾构割线始发示意Fig.9 Secant launching of shield machine

2)当盾尾全部进入洞门密封后，这时刀盘和前盾已出加固区，开始调整盾构机姿态，从割线到圆曲线之间设计一条缓和曲线，缓和曲线的长度可以根据刀盘中心偏离设计轴线的距离大小而定。同时调整管片选型，采用直线环和转弯环1∶1的比例调整隧道线型。刀盘中心经过3～4环的纠偏慢慢缩小盾构与设计轴线偏离距离，使刀盘沿着缓和曲线逐渐向设计轴线靠拢，最终达到与设计轴线拟合(如图10所示)。

图10 由割线到圆曲线掘进示意Fig.10 Tunneling from secant to curve

4.3 冻结区内盾构掘进参数

刀盘在冻结加固区内掘进要低转速、低扭矩、小推力、低贯入度缓慢连续向前推进，推进速度尽量控制在5 mm/min以内，如果没有必要尽量不要改变刀盘的旋转方向，最关键的是刀盘在通过冻结加固区之前任何时候不能停转。含水的粉砂地层经过冻结加固后质地特别坚硬(无侧限抗压强度可达3.0 MPa)，很容易将刀盘卡住，如果刀盘被卡住超过20 min，刀盘就会被冻住。在本次始发过程中由于盾构的防扭装置失效，盾构的顺时针滚动角超过规范允许偏差，在调整刀盘转向过程中，刀盘被冻土卡住了，无论是顺时针还是逆时针方向都无法转动，时间长了刀盘就被冻住了，经过30 h的蒸汽解冻才将卡住刀盘的冻土融化，使刀盘脱困。

冻结区的掘进参数如表2所示。

表2 冻结区内刀盘掘进参数Table 2 Excavation parameters of cutter head in freezing section

4.4 刀盘脱困措施

施工流程如图11所示。

图11 刀盘脱困流程图Fig.11 Jamming releasing of cutter head

1)蒸汽解冻。利用准备好的蒸汽发生器，通过管路连接到前舱隔板处下方的2个备用球阀，蒸汽从下方喷入，向仓内上部发展，对刀盘四周均匀加热。在加热解冻过程中每隔6 h试转动一次刀盘，每隔20 min依次转动螺旋输送机(蒸汽机功率:45 kW，每小时用水70 kg)。喷射蒸汽解冻过程中，派专人值班注意观察蒸汽机压力。

2)提高外圈冻结壁的温度。调整冷冻机和盐水泵的功率，降低冷冻机的制冷功率，减小外圈冻结管的盐水循环流量，不间断地观察测温孔并控制循环盐水温度由－31℃逐渐提高到－20℃，使外圈冻结体的冷冻温度能够逐渐提高，提高解冻速度。

在提高外圈冻结壁温度的过程中，注意观察测温孔的温度变化，缓慢提高冻结壁温度，防止温度上升过快，冻结壁融化。

在蒸汽解冻和提高冻结壁温度过程中，每隔6 h试转动一次刀盘，直至刀盘能够转动为止。

3)后退盾构。如果前2种方法仍然不能达到转动刀盘的效果，则采用后退盾构的方式使其脱困。

目前盾构主机前盾和中盾已经进入洞门3.8 m，尾盾推进油缸伸长量是1 600 mm。

具体做法是:在洞门外露的盾壳外侧中盾和尾盾两面侧下部用Ⅰ175的型钢各焊接2道型钢托架，使中盾刚性连接，两侧各用1个100 t的千斤顶使盾构向后退10～15 cm，使刀盘和盾壳与冻土间松动，达到转动刀盘的目的。

4.5 效果

刀盘被卡后，马上采取针对措施，开启应急的蒸汽机，向刀盘内输送蒸汽，每隔6 h转一次刀盘，由于外界温度过低，热量损失较大，刀盘仍旧无法转动。在输送蒸汽的同时，在盾壳焊接反力块，采用2个100 t的千斤顶反推盾构，将刀盘从冻土中解困，但仍未达到预期目的。为缩短解冻时间，提高解冻效率，又增加2台蒸汽机，30 h后，刀盘解困。

目前盾构已顺利下穿民丰河、通顺桥和市政管线，洞门及时完成封闭注浆，经过施工监测，河堤、桥梁和管线的最大沉降只有5.4 mm，符合沉降要求。在后续的施工中还要不断加强监测，根据监测结果及时进行融沉注浆，维持地层的稳定。

4.6 始发后盾构掘进参数

正常区段的掘进参数如表3所示。

表3 始发后正常段盾构掘进参数表Table 3 Excavation parameters of shield machine at normal section after launching

5 施工过程中容易出现的问题及处理方法

5.1 冻结孔钻孔施工时产生地层流失

由于加固区域存在4 m厚的粉砂地层，钻孔施工中采用先进的夯管成孔技术，二次开孔且设置孔口防喷装置，冻结管挤压进入土层，可减少水土流失。若出现流沙、涌泥现象，立刻关闭阀门，并通过旁通进行注浆。

5.2 钻孔过程中出现孔口管脱落

应立即在冻结管上加焊挡环，用管锤或钻机将孔口管顶住，然后通过孔口管旁通进行水泥－水玻璃注浆封堵，并用膨胀螺栓将孔口管固定在混凝土墙上。

5.3 冻结管钻孔施工过程中出现施工误差

在施工过程中严格地控制钻孔角度，在冻结孔施工完成后及时进行测斜纠偏，适当的调整钻孔角度最大程度保证孔位在原设计位置。若误差不符合规范要求的，与设计进行沟通确认是否要进行补孔。

5.4 冻结管焊缝出现断裂

冻结孔施工完成后应及时进行打压试漏，若打压不合格，应下直径略小套管进行盐水循环冻结，并与设计沟通是否要进行补孔。

5.5 盐水漏失，影响冻结效果

冻结一段时间过后，由于地层土质不同蠕动导致冻结管断裂，盐水流失。冻结过程中，应加强盐水液位监测。每隔1～2 h记录一次盐水液位，发现盐水漏失，要立即查明原因。若有向土体内渗漏的可能，要迅速查清组号并关闭相应组阀门，向原冻结管内下放套管继续冻结，或改用液氮冻结。

5.6 凿除洞门时可能发生打漏冻结管

为防止盾构出洞时可能打破冻结管，凿除洞门前首先对值班人员进行交底，明确各个分组，若打破冻结管，值班人员应迅速关闭相应组阀门，并对被打破的冻结管进行补焊重新用盐水冻结。

凿除洞门期间应对凿除区域正下方外圈冻结孔进行保护，防止上部掉落混凝土块砸断冻结管路，若出现断裂，值班人员应迅速关停相应组阀门，修复后继续循环盐水进行冻结。

5.7 冻结管可能拔断

若拔断冻结管，应立即停止拔管，继续用热盐水循环其他冻结管，对拔断的冻结管重新用拔管器起拔。

5.8 冻结壁未达到要求

在凿除洞门期间发现冻结壁部分区域未达到设计要求，可根据现场情况将测温孔改作冻结孔加强该区域冻结，或循环液氮进行冻结，达到设计强度后继续施工。

6 结论与讨论

文章总结了土压平衡盾构在富水粉砂地层、小半径曲线段、水平冻结加固区等多个风险源集中的环境下始发和盾构防冻、解冻的经验措施。但也存在一些尚未解决的难题，如:水平冻结产生的冻胀融沉对周边构(建)筑物会或多或少的产生一些影响，虽然通过加强监测和融沉注浆等措施可以在很大程度上解决该问题，但在冷冻的时间和温度控制、防冻胀泄压控制以及融沉注浆各项参数控制方面还需要改进。

［1］ 郑世兴.盾构机水平冻结法进洞技术［J］.建筑施工，2009(11):60－61，67.(ZHENG Shixing.Tunneling technology of horizontal freezing method for shield machine construction［J］.Building Construction，2009(11):60－61，67.(in Chinese))

［2］ 赵宏威.盐水冻结法在盾构出洞土体加固中的应用［J］.城市轨道交通研究，2010(5):93－96.(ZHAO Hongwei.Application of brine freezing method in shield exit soil reinforcement［J］.Urban Mass Transit，2010(5):93－96.(in Chinese))

［3］ 刘典基，陈馈.盾构始发中水平冻结法的应用［J］.建筑机械化，2008(8):44－48.(LIU Dianji，CHEN Kui.Application of horizontal freezing method in shield TBM launching［J］.Construction Mechanizntion，2008(8):44－48.(in Chinese))

［4］ 李江海.冻结法加固土层在盾构出洞中的应用［J］.黑龙江交通科技，2008(5):37－39.(LI Jianghai.Using freezing method to reinforce soil layer in the shield tunneling［J］.Communications Science and Technology Heilongjiang，2008 (5):37－39.(in Chinese))

［5］ 李为强.液氮冻结在盾构出洞施工中的应用［J］.安徽建筑，2006(6):54－55，62.(LI Weiqiang.Application of liquefied nitrogen freezing in the construction of the shield driving out of the tunnel［J］.Anhui Architecture，2006(6): 54－55，62.(in Chinese))

［6］ 刘典基.水平冻结加固土体中盾构始发技术［J］.隧道建设，2008(5):69－74.(LIU Dianji.Launching technology of shield machine in soil consolidated by horizontal freezing method［J］.Tunnel Construction，2008(5):69－74.(in Chinese))

［7］ 马龙，邓永红.盾构机小曲线半径始发技术［J］.施工技术，2009(S1):76－79.(MA Long，DENG Yonghong.Initial sending technology of shield machine with small curve radius［J］.Construction Technology，2009(S1):76－79.(in Chinese))

［8］ 曹红林.地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施［J］.地下空间与工程学报，2010(2):173－176，181.(CAO Hongling.Thawing settlement control of subway tunnel construction by artificial ground freezing［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010(2):173－176，181.(in Chinese))

［9］ 吴礼舟，许强，黄润秋.非饱和黏土的冻胀融沉过程分析［J］.岩土力学，2011(4):69－72.(WU Lizhou，XU Qiang，HUANG Runqiu.Analysis of freezing-thawing test process of unsaturated clay［J］.Rock and Soil Mechanics，2011(4):69－72.(in Chinese))

［10］ 王杰，杨平，王许诺，等.盾构始发水泥土加固后水平冻结温度实测研究［J］.现代隧道技术，2011(6):90－104.(WANG Jie，YANG Ping，WANG Xunuo，et al.Measurement and research of the horizontal freezing temperature after cement soil reinforcement in a shield launch shaft［J］.Modern Tunnelling Technology，2011(6):90－104.(in Chinese))