水平冻结与钢套箱辅助盾构进洞施工技术研究

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

1 工程概况

上海轨道交通13号线13.7标隆德路站—武宁路站区间隧道线路单线长655.61 m，埋深8.7～21.7 m。本区间隧道在武宁路站进洞区域穿越土层主要为⑤1-1灰色黏土层，⑤1-2灰色粉质黏土层，⑤1-2层上部有⑤1t粉质黏土夹砂质粉土层。由于武宁路站西端头井不具备在地面施工常规水泥土进洞的垂直加固条件，为此采取在西端头井内向外施作水平冻结加固。由于在单一冻结进洞过程中易发生盾构机被冻住而需要解冻，而本次进洞处有⑤1t粉质黏土夹砂质粉土层，有一定承压性，在解冻中极易产生洞门漏水漏砂，引起水土流失，为此，采用了水平冻结与钢套箱辅助盾构进洞。

2 水平冻结加固设计

根据武宁路站西端头井进洞处土层性质，为保障盾构顺利进洞，依据设计要求，进洞处冻结壁平均温度为－10 °C，冻土帷幕有效厚度为1.4 m（图1）。

在洞门周圈设置51 个水平冻结孔，外圈冻结孔入土深度5 m，中圈、内圈和中心冻结孔入土深度均为3 m。设计冻结时间为35 d。

3 钢套箱设计与安装[1,2]

钢套箱筒体部分长11 400 mm，内径6 700 mm，分4 段（另有后端盖、调整环和反力系统），每段又分为上、下2 块，便于拆卸。

图1 水平冻结加固示意

在原洞门环板预埋板的基础上，钢套箱与洞门环板之间设有1 段调整环，本工程调整环长80 cm。由于本工程盾构为曲线进洞，调整环还需根据盾构曲线进洞的半径预先设置出预留角度。

本区间进洞段线型为缓和曲线段，要求钢套箱基座中心线、线路中心线2 条控制线重合，误差不大于1 cm。

在安装钢套箱之前，首先在接收井内确定线路中心线，也就是钢套箱的中心线，考虑到武宁路站西端头井下行线无吊装孔，套箱安放需从上行线平移，故施工时要先行安放下行线钢套箱。下行线所需钢套箱在地面分段组装完毕后，依次下放到上行线的接收井内拼装，然后平移到下行线接收井内，然后调整钢套箱的位置，使其与事先确定好的线路中心线重合。

钢套箱安装完成后，对筒体位置进行复测，在确认与盾构机到达的中心线满足重合要求后，采用槽钢或工字钢对钢套箱左右进行加撑固定。

4 盾构进洞施工[3-8]

4.1 盾构机刀盘穿越冻结体

洞门完全凿除、钢套箱内填料完成后，盾构机开始从冰冻法加固体的外侧向洞门推进。推进时，随时观测渣土温度，适时向盾构机头部加注盐水，防止刀盘被冻住。

在冻结体内的推进过程中，应注意：

（a）在切口距离冻土墙30 cm时，开始连续转动刀盘，直至盾构机刀盘穿越冻土后再按照常规推进转动刀盘；

（b）刀盘穿越冻结体时，推进速度宜控制在1 cm/min，保证土仓内一定土压，防止出空土仓盾构机抬头上浮；

（c）开启盾构机解锁模式，确保盾构机在拼装管片时，刀盘仍可以转动，防止刀盘被冻住；

（d）从特殊管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆，防止盾尾后的水进入盾尾前方。

4.2 进钢套箱掘进

盾构机刀盘推出冷冻体后，盾构开始进入钢套箱，推速＜5 mm/min；在钢套箱内掘进以管片拼装模式掘进。盾构机在钢套箱内掘进过程中，要确保与外界联系，盾尾脱离洞门钢环，停止同步注浆（图2）。

图2 盾构机进洞示意

在第二阶段的推进过程中，应注意：

（a）根据钢套箱顶部安装的压力表的读数，及时调整推进压力，避免推进压力过大，对于钢套箱密封处出现渗漏状况，压力过大时，打开钢套箱后板盖上的排浆口，进行卸压；

（b）进套筒时，必须以实际测量的钢套箱安装中心线为准控制盾构机姿态，要求中心线偏差控制在±2 cm之内。从特殊管片上预留的注浆孔向管片外侧注双液浆，防止盾尾后的水进入盾尾前方；

（c）盾构机筒体推到位置并完成洞门密封后，在刀盘不转情况下，出空舱内回填物；

（d）打开钢套箱底部的排浆管，排出剩余的浆液，并检查筒体的漏浆情况。在洞门双液浆凝固后，情况稳定、安全的情况下，开始拆除钢套箱；

（e）在盾构机到达掘进及过程中加大测量频率，并复核控制点，确保盾构机到达的姿态正确。

4.3 洞门密封

盾构接收推进过程中，洞门密封是至关重要的一个环节，是接收成功与否的关键因素，为了保证洞门密封的质量，采取以下措施对洞门进行封堵：

（a）盾构推进时同步注浆严格按照技术交底进行，填充好施工间隙；

（b）盾尾进入加固体后，在已成型的隧道内，利用特殊管片上预留的注浆孔，向管片外侧注入双液浆，时刻检查钢套箱是否有漏浆、形变等情况，如有漏浆或者形变过大等情况发生，可以采取调低压力，减小推速等措施；

（c）使用前对整体钢套箱基座、焊接和螺栓连接情况进行检查，确保套箱稳定，整体强度可靠。盾构机全部进入钢套箱后，打开特殊管片上预留的注浆孔的球阀、钢套箱过渡连板上预留的观测管，观察出水量。若水量较大，则继续通过预留注浆管、注浆孔注浆，直至打开球阀无水流出后，方可拆解钢套箱。

（d）零环采用特殊制作的管片，在管片外侧预埋背负钢板，待注浆达到设计要求后，自上向下逐块拆除与洞门连接的钢套箱调整环，并依次使用钢板焊接背负钢板与洞门钢环。

5 结语

盾构机进洞是盾构隧道施工中风险性最大的关键工序，在上海轨道交通13号线隆德路站—武宁路站区间隧道进洞中，由于接收井处无法施工常规水泥土进洞垂直加固，且进洞土层有不良地质存在，盾构进洞风险极大。为此采用了水平冻结与钢套箱相结合辅助盾构进洞的工艺，合理地解决了钢套箱与水平冻结在进洞施工中的问题，保证了盾构进洞安全。