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水平冻结结合明洞的施工技术在盾构接收中的应用

  盾构接收在盾构法施工中一直是重大风险源之一,不同工况条件下接收工艺的正确选择关系着工程的成败。传统工艺主要采用端头加固的方式,如水泥土系加固(搅拌桩、旋喷桩、化学注浆等)、冻结加固(垂直冻结、水平冻结),而在富水砂土、粉土地层因其地层含水率高,流动性强,增加了接收风险。常见的工艺是在地基加固基础上增加钢套筒辅助接收,以确保万无一失,但在实践中存在费用高、安装难、工期长以及曲线接收操作困难等缺点。
  天津轨交5号线某盾构区间接收端头地层复杂,富含承压水,接收端隧道轴线处于大纵坡、小曲率曲线,同时由于接收井上方为运营商场,地面加固条件受限,综合考虑接收风险及各工法优缺点,采用水平冻结的加固方案,并结合盾构接收井内施做混凝土明洞与洞圈形成封闭箱体,箱体内灌满M1.5砂浆以稳定地层,盾构在明洞内实现接收,确保接收安全。
  1.工程概况
  天津轨交5号线某区间左线长606.082m(404环),右线长613.529m(409环),区间隧道外径φ6200mm,内径φ5500mm。采用2台土压平衡盾构机施工。
  盾构接收处隧道中心埋深约15.6m,接收井上方为运营文化中心广场,不具备地面加固条件。隧道断面内土层从上至下依次为第⑥4层粉质黏土、第⑦层粉质黏土、第⑧1层粉质黏土、第⑧22层黏质粉土,其中第⑧22层黏质粉土为承压水含水层,具有较高的承压水头。盾构接收处地质剖面如图1所示。
 
图1 盾构接收处地质剖面(m)
  因接收端头不具备地面加固条件,接收端地层又为承压含水软弱地层,所以为了确保破除洞门及盾构接收安全,洞门处需形成一定强度及封水性的加固土体。同时,由于接收井上方为运营文化中心广场,地面不具备加固条件,也无法进行盾构吊装,因此必须采用水平冰冻进行地基加固,形成较高强度的冻结帷幕,并在工作井内施做明洞。明洞墙体采用混凝土泵送现浇,明洞的侧墙、顶板与端头井结构侧墙、底板连接,形成封闭箱体,箱体内灌满M1.5砂浆,盾构在明洞内实现接收,确保接收安全。盾构接收井平面图如图2所示。
 
图2 盾构接收井平面
  2.盾构接收工艺
  2.1水平冻结
  该区间盾构接收洞门共设4圈57个冻结孔,洞圈外冻结孔进入土体5m,洞圈内冻结孔进入土体3m,设计积极冻结时间35d,冻结壁厚3m,冻结体平均温度-10℃,交界面温度-5℃。为准确掌握冻结温度场变化情况,在每圈冻结孔最大终孔间距界面处布置测温孔,共布置5个测温孔,洞圈外2个孔,洞圈内3个孔,用来监测冻结壁厚度、平均温度以及与槽壁交界面温度和冻结情况,如图3所示。
 
图3 冻结孔平剖面
  2.2明洞施工
  混凝土明洞尺寸需结合盾构机及工作井尺寸,小曲率半径接收或者大纵坡接收需考虑在盾构机完全接收状态下在明洞内不侵限。设计混凝土明洞尺寸:长11m、宽9m、高8m、侧墙厚0.7m、顶板厚0.4m、混凝土强度等级C35、抗渗等级P10,并于顶板处预留2个检查孔兼砂浆回灌通道,侧墙位置预留1处人员进出通道,如图4所示。
 
图4 明洞结构平剖面
  2.3盾构接收
  2.3.1素混凝土基座浇筑
  根据接收段隧道设计轴线及盾构机外径尺寸,在明洞内浇筑C25素混凝土基座,确保盾构接收过程中盾构姿态的稳定。
  2.3.2洞门破除
  当冻结达到设计要求,明洞墙体养护达到设计强度、盾构机距离加固体约5m的情况下进行洞门凿除。分两次进行凿除,第一层洞门破除时所有冻结管保持维护冻结状态,内排钢筋露出时,拔除洞圈内所有冻结管及测温管,洞圈外冻结管保持冻结,随后进行完全破壁。
  2.3.3冻结管处理
  (1)洞圈内冻结管在第一层洞门破除后,地下连续墙内排钢筋割除前利用人工局部解冻的方法进行拔除。利用热盐水分组依次循环,跳孔拔管,未拔除的冻结管继续冻结,冻结管每拔除1根立即使用双快水泥进行回填。
  (2)洞圈外冻结管在盾构完成接收,洞门封门完成后停止冻结。待明洞完全破除后进行外圈冻结孔的割管封孔处理。
  2.3.4明洞回填
  洞圈内冻结管拔除完毕,且洞门完全破壁后,封闭侧墙上人行孔,明洞内回填M1.5水泥砂浆掺膨润土,泵车泵送,回填满之后封闭顶板上预留检查孔。
  2.3.5盾构接收
  (1)穿越加固区。盾构接收段轴线平面处于小曲率半径450m,由于冻结加固区内无法实时进行盾构纠偏,在盾构机进入加固区前应尽量使平面姿态超前轴线,确保进洞,并以较高的垂直姿态进入加固区,防止磕铲素混凝土基座。刀盘穿越加固区期间保持刀盘24h旋转,扭矩、推力以不超过设计值70%进行控制、土压降至0.1MPa以内,防止设备过载跳泵,造成刀盘停转冻结。
  (2)盾构接收。为了防止浆液倒窜造成推进困难,当刀盘刚进入明洞时,应逐步提高设定土压力至接近水土压力。明洞内接收应以匀速推进并保持较低的土压波动,防止明洞墙体出现裂缝、变形等结构破坏。
  (3)环箍注浆。盾构推至最后一环管片注浆孔,刚露出盾尾时停止推进,此状态为2道盾尾刷未脱出最后环管片。对盾尾后8环管片进行环箍压注,注浆效果可通过螺旋机出土泄压观察土仓压力变化,结合打开注浆孔观察渗水情况进行判断。当泄压后土仓压力稳定无回升的情况时,说明渗水通道已封堵,与外界地层不存在水力联系。环箍注浆前盾构机停机位置如图5所示。
 
图5 环箍注浆前盾构机停机位置示意
  (4)洞门封闭。为方便封门,封门形式采用内封门。同时,为降低接收风险,缩小洞门间隙,盾尾留于洞圈内。
  (5)其他。洞门封闭后组织明洞破除清理、盾构拆除以及冰冻区的融沉注浆。
  2.4施工监测
  为了确保盾构接收安全以及周边环境的稳定,在盾构接收段布置了地表沉降、建筑物沉降监测点,每10m1个轴线点,每30m1个断面,并在每根楼梯柱进行沉降测点的布设,整个接收过程中进行了完整的实时监测。测点布置如图6所示。
 
图6 接收段监测布点
  图7、图8为地表沉降及楼梯柱沉降曲线图。选取了数值变化较大且变化较明显的监测点可知:
 
图7 地表沉降曲线
 
图8 楼梯柱沉降曲线
  (1)整个接收过程,地表及建筑物沉降均未超标。地表沉降最大值-4.93mm,监测点位DBC-63-6;建筑物沉降最大值-2.46mm,监测点位JGC-21。各测点在环箍注浆后监测值趋于稳定。
  (2)盾构在穿越冻结加固区并土压力设定远低于理论值的情况下,各测点沉降值无明显变化,水平冻结交圈情况较好,在承压含水粉砂、粉土地层下冻结效果可以得到保障。
  3.结语
  本工程在复杂地质且地面不具备加固条件的情况下,采用水平冻结进行地基加固,并结合盾构接收井内施做一个能容纳盾构机的混凝土明洞。明洞的侧墙、顶板与端头井结构侧墙、底板连接形成封闭箱体,箱体内灌满M1.5砂浆以稳定地层。盾构在明洞内完成接收,确保了施工安全。这对今后类似工程施工具有一定的借鉴作用。