苏州地铁5号线榭葑区间水平冷冻+钢套筒接收施工技术

桂建军

摘  要：随着城市地铁不断发展，盾构接收施工过程中受场地限制、周边环境复杂、管线密集、端头地质条件差、埋深大、地层水位高影响越来越普遍。施工单位必须采取新技术、新工法克服以上难题。尤其复杂环境、粉土夹粉砂地层中盾构接收时极易发生涌水、涌砂事故，是盾构施工中重大风险源之一。本文以苏州市轨道交通5号线榭雨街站～葑亭大道站（中间风井）区间盾构工程实例，针对端头场地有限、周边环境复杂、管线密集、端头地质条件差、埋深大、水位高等特点，对盾构接收施工过程中端头水平冷冻加固+钢套筒接收关键技术进行了详细论述。总结了水平冷冻+钢套筒接收前准备工作、施工过程中各工序衔接、总结了大埋深、富水含砂地层中钢套筒接收关键技术，有效的避免了接收过程中涌水、涌砂的风险，切实保证了盾构安全接收。

关键词：复杂环境;粉土夹粉砂;盾构接收;水平冷冻;钢套筒接收

1、工程概况

1.1区间工程概况

榭雨街站～葑亭大道站区间（中间风井）从榭雨街站出发后，沿沈浒路向东前进，过星华街后转向北，后在娄江支流下穿越，过苏虹东路后略转向东，下穿娄江、312国道后接至中间风井。沿途侧穿中环下立交桩基、新泾桥、小唯亭桥等建构筑物，并下穿诸多管线。本区间右线设计起讫里程：YDK38+701.370～YDK40+399.908，右线隧道全长1698.538m;左线起讫里程：ZDK38+701.368～ZDK40+399.381，短链20.651m，左线隧道全长1677.361m;1#联络通道设置在YDK39+220.000（ZDK39+202.324），2#联络通道及泵站设置在YDK39+808.750（ZDK39+786.649）。

1.2接收端頭水文地质情况

地质情况：中间风井端头区间隧道穿越④2层灰色粉砂、⑤1层灰色粉质粘土、⑤3层灰色粉质粘土;中间风井接收端头区间隧道范围内约有1/2断面为粉砂层，透水性极强。

中间风井端头地下水主要为松散岩类的潜水、微承压水、承压水，微承压水主要赋存于第③/3层砂质粉土及④2层灰色粉砂中。承压水赋存于第⑦/2a层砂质粉土夹粉质粘土、⑦/2层粉砂中。

1.3端头周边环境情况

榭雨街站～葑亭大道站盾构区间（中间风井）接收端头，车站结构为地下3层，目前主体结构已封顶。车站结构深度23.75m。周边50m范围内有娄江与木沉巷河连通，娄江江面宽40m左右，深度约4.5m，淤泥层厚度约3m左右，流量极大，周边水系复杂，地下水丰富。

榭葑区间中间风井端头因位于312国道北侧，312国道车流量极大、常年有大量重型车辆频繁通过。榭葑区间中间风井端头外侧为宽度2m、深度2m的水沟渠，水沟渠与小唯亭桥下河流相通。水沟渠靠近312国道一侧，有一排一万伏高压电力管线。

1.4盾构接收过程中风险分析

榭雨街站～葑亭大道站盾构区间（中间风井）接收端头具有场地有限、周边环境复杂、管线密集、端头地质条件差、埋深大、地层水位高等诸多恶劣条件。根据榭葑区间中间风井端头周边环境情况可知：如突发意外情况，根据现场周边环境情况，现场端头不具备抢险条件。根据周边环境和端头地质情况如（G312国道、娄江、高压电力管、三层接收车站、区间隧道约有1/2为砂层等），一旦发生意外突发情况，社会危害及社会影响均较大。

2、端头水平冷冻+钢套筒接收总体设计

2.1端头水平冷冻加固

榭雨街站～葑亭大道站（中间风井端头）区间，中间风井接收设计加固采用“杯形”冻结壁进行土体加固，每个洞门各布置水平冻结孔57根，布置测温孔8个，洞门水平冻结设计冻结壁有效厚度为“杯底”3.0m，“杯壁”长度为4.0m，杯壁冻结壁有效厚度1.6m，冻结壁设计平均温度为不高于-10℃;设计取冻土单轴抗压强度为2.93MPa，弯折强度1.8MPa，直剪强度1.5MPa（-10℃）。

每个洞门各布置水平冻结孔57根，布置测温孔8个;

W1-W32：深度6m、规格Φ89*10mm

Z1-Z16：深度4m、规格Φ89*10mm

N1-N9：深度4m、规格Φ89*10

T1-T5：深度5.5m、规格Φ89*8mm

T6-T8：深度3.6m、规格Φ32*3mm

2.2钢套筒接收总体设计

接收钢套筒是一端开口的桶状结构，整个钢套筒结构由过渡环、筒体、后端盖板、反力架和前后左右支撑等部分组成，钢套筒过渡环与洞门钢环之间采用焊接形式连接。整个钢套筒总长为11460mm（含装配成型的橡胶密封板），直径（内径）6950mm，外直径7190mm。

3、盾构水平冷冻+钢套筒关键技术

3.1接收前准备工作

1、冷冻效果评价及洞门凿除

（1）冷冻效果评价

冻结时间为35天，具体时间可根据实际测温情况及冻结效果而定。2）设计最低盐水温度为-28～-30℃;3）冻结壁设计平均温度不高于-10～-15℃;4）冻结壁设计有效厚度3m;5）冻结孔单孔盐水流量为5m?/h。当平均温度达到-10℃以下时可认为冷冻满足要求。

（2）探孔施工

在盾构接收洞门施工9个探孔，呈米字型分布，探明冻结状况，确保没有涌砂、涌水现象，满足要求后方可进行洞门凿除作业。

（3）洞门凿除

在钢套筒试压完毕、底部砂浆基座施工完毕之后通过节点验收会后即可进行洞门凿除，洞门凿除预计需要7天～10天时间。洞门采用人工风镐的方法凿除，在凿除过程中应分层渐进。

2、接收井底板及结构要求

（1）根据对接收井底板及洞门中心标高进行实测，洞门中心至底板的高度为3.75m，钢套筒中心至底板的高度要求为3.7m，高差满足钢套筒安装精度要求;

（2）确保盾构接收井底板平整，底板混凝土面高差控制在±5mm，防止因底板标高偏差过大引发钢套筒受力不均;

（3）盾构接收井主体具备接收条件后，项目部应组织测量人员对盾构接收井主体进行复测，测定实际偏差量，为盾构接收提供数据支持;

主要复测项目包括：盾构接收井底板标高、洞门中心标高、标准段底板标高、标准段侧墙净空、中板底标高、中隔墙位置等;

根据洞门实际中心进行测量放样，精确定位钢套筒安装位置。

3.2冷冻加固情况

1、冷冻加固情况：

盾构接收端头采用冷冻加固，从 2019年6月16日开机至7月20日，冻结运转了35天，各设备运转良好。清水系统和盐水系统工作正常。

2、冷冻35天结论：

冻结35天时，杯壁处的冻结壁的厚度为1.96米，冻土平均温度为-10.7℃;杯底处的冻结壁的厚度为3.2米，冻土平均温度为-12.4℃;符合设计要求（设计要求杯壁冻结壁厚为1.6m，杯底冻结壁厚为3.0m;杯壁冻结壁、杯底冻结壁设计平均温度均小于-10℃），满足施工需要。

3、盾构接收冷冻加固标准：

（1）冻结7天盐水温度降至-15℃以下，冻结15天盐水温度降至-24℃以下且积极冻结时间为35天，盐水去回路温差不大于2℃，均达到设计要求。

（2）各测温孔温度要降到一定数值，从而推算出冻土墙的厚度和平均温度达到设计要求。

（3）通过打探孔确认探孔内均无泥水流出，土体坚硬，探孔内土体温度降到一定数值。

3.3盾构到达接收安全技术保证措施

盾构水平冷冻+钢套筒接收关键技术推进段分為4个阶段，?盾构机停机维保阶段→?盾构机穿越冷冻区前掘进阶段→?盾构穿越冷冻区掘进→④进入钢套筒段掘进。

3.3.1盾构机停机维保阶段

盾构机刀盘里程掘进至盾构机显示里程YDK40+384.952时（1392环拼装完成后暂停掘进），盾构机暂时停机，整机维修保养，此时盾构机刀盘距离冷冻加固体距离为9.904m。

①测量控制（接收井测点复核、洞门钢环的复测、联系测量最后100环停机测量）

②盾构姿态控制：水平姿态控制在实测洞门中心±10mm 内，竖直姿态控制在比实测洞门中心标高高 15～20mm。

③同时做好进洞准备工作：浇筑钢套筒基础、安装钢套筒、检查钢套筒的承载能力及密封性能、钢套筒内洞门凿除排架搭设、探孔打设等并召开盾构进洞条件验收会;

④洞门凿除前一天，浇筑M10砂浆基座。

⑤验收通过后，进行第一次洞门凿除（第一次洞门凿除包含第一层混凝土即外侧混凝土保护层、第一层钢筋、中间层混凝土）;第一次洞门凿除完成后，马上组织人员割除第二层钢筋，整个洞门凿除都在钢套筒内进行，通过钢套筒内预留通道，将凿除的混凝土及钢筋运出。洞门凿除完毕后，在洞门钢环上设置两道3mm厚花纹钢板环板，两道钢板间填充海绵，在盾体进洞门过程中挡泥挡水。另外洞门圈内预埋开孔注浆管，并引至钢套筒过渡环外侧，方便后期注浆。待第二层钢筋割除完成后，拔除洞门圈内水平冻结管（及时采用快干水泥封堵），圈外持续冷冻。冷冻管拔出后立即对钢套筒进行填土、砂水施工。

3.3.2盾构机穿越冷冻区前掘进阶段

第1393环（YDK40+386.154）～1400环（YDK40+394.568）盾构在进冷冻加固体前的掘进，严禁开启超挖刀，按照正常参数掘进，防止盾构机刀盘过于贴近冷冻体，受冻卡死，故在掘进过程中需注意以下事项：

①土仓压力保持0.24Mpa以上推进，以阻挡地层水压力，防止土仓涌入地层水，螺旋机喷涌。

②推进速度控制在3cm/min，不宜过大，否则扭矩增大，影响加固体整体性。

③加密端头监测频率，及时反馈沉降数据，指导施工参数调整。

④管片拼装过程中，刀盘开启0.3rpm旋转，防止冻结。

⑤同步注浆量控制在5m?（注浆率180%）

⑥掘进完成第1400环后，从管片1397环往小里程方向，连续5环，进行整环环箍施工，封堵后方来水。

3.3.3盾构穿越冷冻区掘进

待洞门破除完毕，钢套筒填充完毕，再启动盾构机。当盾构机刀盘进入加固体时，此时要严格控制注浆孔位置和注浆压力、注浆量。

在第1401环～1404环的推进过程中盾构在冷冻加固体中掘进，当刀盘切口里程为YDK40+399.736，盾构机刀盘脱离冷冻加固区，进入钢套筒回填土区域，需要注意以下事项：

①推进过程中严格控制推进速度和总推力，避免进贯入度过大引起的刀盘被卡。推进速度在1～2cm/min为宜，推力<800t。在刀盘转动过程中土仓内及刀盘前加注泡沫改良土体，控制刀盘扭矩不超过3000KN.m。

②严格控制盾构姿态，特别是盾构切口的姿态，控制目标为水平±15mm，垂直+10～+20之间。

③在原洞门预埋环板的基础上，钢套筒与预埋环板之间设一过渡连接板（厚度为24mm），洞门刚环与过渡连接板采用烧焊连接，钢套筒的法兰端与过渡连接板采用M24*65（8.8级）螺栓连接。洞门刚环与过渡连接板全部密贴后将过渡连接板满焊在洞门刚环上。

④控制盾尾间隙，保证盾尾间隙的均匀，必要时安装转弯环管片进行调节。

⑤严格控制切口的土压力，正常出土，土压逐渐降至0.18Mpa。

⑥推进过程连续均匀，均衡施工，保证土仓内一定土压，防止出空土仓盾构机抬头上浮。

⑦推进过程中加强盾尾油脂的压注，防止盾尾漏浆，同步注浆量控制在4.5m?（160%）。

⑧从1401环开始按照业主文件要求，接收后10环处安排增设注浆孔管片，每环增开10个注浆孔;从管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆，及时施做环箍，有效封堵开挖土体与管片外壳之间渗漏通道。

⑨严格控制二次注浆孔位和注浆压力、注浆量，既要保证环箍的质量，又要防止盾尾刷击穿。

3.3.4进入钢套筒段掘进

（1）第1405环掘进

钢环处两道3mm厚花纹钢板环板，两道钢板间填充海绵，两道花纹钢板环板焊接里程YDK40+399.356，掘进至该里程前20cm，刀盘停止转动向前推进，至刀盘全部通过花纹钢板后区域。若刀盘停止转动无法向前推进时，经项目部同意后可开启刀盘转动。

（2）第1406环～1411环掘进

第1406环～1411环掘进时，盾构机在钢套筒内掘进，推进速度10 ～20mm/min，盾构机推力800t以内，扭矩1500KN.m以内，刀盘转速控制在0.25r/min以内，上部土压按正常土压，注浆量根据现场实际情况及地表监测情况而定，过程中进行4次环箍注浆。

①第1408环

盾构机掘进里程至YDK40+404.544，第1408环拼装完成后，进行第一次环箍注浆，对1402环、1403环、1404环、1405环多孔管片按环逐环逐孔进行注浆，其中1402环、1404环注入双液浆、1403环、1405环注单液浆，对漏水通道进行封堵.

②盾构机掘进里程至YDK40+405.746，第1409环拼装完成后，进行第二次环箍注浆，对1406环、1407环多孔管片按环逐环逐孔进行注浆，其中1406环注双液浆、1407环注入单液浆，对漏水通道进行封堵。

③盾构机掘进里程至YDK40+406.948，第1410环拼装完成后，进行第三次环箍注浆，对1408环多孔管片按环逐环逐孔进行注浆，采用双液浆进行，对漏水通道进行封堵。

④盾构机掘进里程至YDK40+408.15，第1411环拼装完成后，进行第四次环箍注浆，对1409环多孔管片按环逐环逐孔进行二次注浆，采用水泥浆注浆，对漏水通道进行封堵。第1411环为区间隧道最后一环，管片端部及背部均设置预埋钢板。

（3）增加一环负环施工（1412环）

为保证区间管片和地连墙之间缝隙通过二次注浆填充饱满，起到对漏水通道进行封堵效果，特增加一环负环（1412环），对1410环多孔管片按环逐环逐孔进行二次注浆，对漏水通道进行封堵。

3.4盾构钢套筒接收关键控制点

3.4.1水平冻结管拔除

①水平冷冻管拔除要分两次进行，在钢套筒试压完成后，洞门进行第一次洞门凿除（第一次洞门凿除包含第一层混凝土即外侧混凝土保护层、第一层钢筋、中间层混凝土），第二层钢筋割除完成后，拔除内圈冷冻管，水平冻结外圈冷冻管割除在盾构接收完成后，盾构接收期间维持冻结。冷冻管从后端盖的预留逃生孔运出。

②冻结管拔除必须按操作照流程施工，防止断管等事故发生。

3.4.2洞门结构的加强措施

盾构机车站内钢套筒接收到达成功与否的关键因素就是钢筒位移和保压控制，特別是如何确保钢套筒过渡环与洞门预埋钢环连接密闭、洞门预埋钢环与车站内衬墙结构锚固钢筋焊接牢固。因此洞门接口周边的检查、施工后续措施是否完善是施工过程风险控制的重中之重。

3.4.3盾构机掘进穿越地下连续墙及进入钢套筒施工

钢套筒安装精度和质量成为新技术成功与否的外在关键控制因素，盾构机掘进穿越连续墙和洞门钢环并进入钢套筒则是新技术成败关键的内在控制因素。应注意以下几方面内容：

①必须按照里程详细计算盾构机掘进环数以及根据经验拟定推进每一环的施工参数和出土系统土量控制，确保各项参数平稳推进，原则上盾构掘进参数设置：推速<5mm/min;推力<8000KN，土压力控制0.18mpa;

②必须控制盾构机掘进姿态，一般采取在盾构机到达端头前50环开始进行姿态调整，保证盾构机刀盘以及筒体进入接收钢套筒过程中的“限界要求”满足钢套筒与盾体结构净空尺寸偏差（注：盾构出洞施工姿态控制应以盾构机设计中线、洞门中心坐标和盾构机实际掘进中线综合考虑并做适当调整）;

3.4.4盾构接收过程中施作环箍、洞门封堵注浆

由于到达端地层为富水砂层，冻结加固体在推进过程中易碎裂产生裂缝形成水砂通道，因此盾构掘进过程中的注浆控制尤为重要，本工程靠近洞门设计了10环增设注浆孔进行注浆，施作环箍，阻断水砂通道，同时填充管片和车站结构之间的空隙，封堵洞门。

注浆时，双液浆在管片预留注浆孔注入，最高压注压力为0.3Mpa，防止浆液击穿盾构刷，窜浆进入隧道内。实际施工中采用压注量与压注压力进行双控，多次少量，每孔每次注入控制在200L～400L，待双液浆凝固后，形成止水塞，封闭隧道纵向渗水通道。注浆完成后2小时，检查效果，若有水砂流出，继续压注浆液。

4、总结

针对苏州5号线榭葑区间接收因场地限制、周边环境复杂、管线密集、端头地质条件差、埋深大、地层水位高影响，采用水平冷冻+钢套筒接收关键技术具体施工过程中需把握以下几点：

（1）注意冷冻冻结体交圈时间，冷冻壁扩展速度、冻结壁厚度及冻结过程中实际冻结天数。

（2）钢套筒接收过程中防水装置，在洞门钢环上设置两道3mm厚花纹钢板环板，两道钢板间填充海绵，在盾体进洞门过程中挡泥挡水。

（3）水平冷冻管拔除时间点要控制到位，第二层钢筋各处完成后，迅速安排人员拔除内圈冷冻管，外圈冷冻管待洞门封堵完成后安排人员拔除。

（4）掘进过程中刀盘连锁解除，进入第二段推进过程中，管片片拼装过程中，刀盘开启0.3rpm旋转，防止冻结。

（5）拼装管片采用多孔管片，同步注浆量达到5m?，掘进过程中盾构姿态控制、多道环箍施工确保后期洞门封堵过程中安全。

（6）洞门封堵过程中，采用边割边焊的施工方案，防止意外情况发生。

通过本方案对水平冷冻+钢套筒接收关键技术各工序之间转换及各阶段控制，榭葑区间得以成功洞通。为以后因场地限制、周边环境复杂、管线密集、端头地质条件差、埋深大、地层水位高盾构接收提供了实践经验，因此本技术具有较大的推广和应用价值。

参考文献

[1]赵立锋. 土压平衡盾构到达钢套筒辅助施工接收技术[J].铁道标准设计，2013（8）：89-93.

[2]朱英伟，李立志，马晓峰，等. 地铁盾构钢套筒接收技术[J].现代城市轨道交通，2015（4）：28-30.

[3]逯建栋. 盾构到达钢套筒接收施工技术[J]. 广东土木与建筑，2011（10）：