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软土地层中地铁既有站内盾构暗接收暗始发技术

1 工程概况
    根据规划,常州轨道交通1号线将在常州火车站北广场设站(常州火车站站),故在2009年常州火车站北广场改扩建期间,该地铁车站作为1号线规划预留站同步实施完成。2015年常州市轨道交通全面开工建设时,车站上方为常州火车站北广场已经全部启用,车站顶板全部封闭,相邻区间盾构掘进至该站时只能采用暗接收,并在端头井位置调头后进行二次始发的方式进行施工。
    本站洞门所处地层上部为⑤2粉砂,下部为⑥3粘土,其中⑤2粉砂为第Ⅰ层承压水层,在一定水头的动力压力作用下易产生流砂现象。
2 盾构洞门补强加固
    (1)原盾构洞门加固设计及施工情况
    原设计图纸中车站洞门加固采用三轴搅拌+接缝止水旋喷桩形式,加固范围为隧道轮廓及底部外3m,围护结构外沿隧道纵向10m。该加固施工于2009年车站施工期间同步完成,施工前经现场勘查洞门范围内围护结构存在多处漏水点。鉴于常州火车站地理位置敏感,且车站已全部封闭,地面无降水条件,站内抢险空间有限,施工风险较高,经研究后在原加固基础上增加水平冻结法对洞门进行冻结加固,将洞门加固提升为水泥系和冻结法复合加固工法,以确保盾构出洞、破除端头围护结构时隧道端头土体的自稳和防水要求。
    (2)始发、接收水平冻结设计
    常州火车站盾构接收洞门圈外冻结帷幕考虑包围盾构机壳体,冻结壁结构形式为“杯筒”形,“杯壁”长度远大于“杯底”厚度,四周按固结考虑,承受水土压力。洞门中心冻土板块有效厚度2m,洞门外圈冻结帷幕长度12m,外圈冻土帷幕有效厚度1.6m。
    始发洞门中心冻土板块有效厚度2.5m,洞门圈外冻结帷幕长度4m,外圈冻土帷幕有效厚度1.6m。
    要求交圈后平均温度≤-10℃,加固体指标qu[28]为0.8MPa~1.0MPa,渗透系数≤10-7cm/s;要求加固后的地基,应有良好的均匀性和自立性。如图1所示为盾构进、出洞水平冻结平面图。
 
    盾构始发冻结孔按水平角度布置。共布置3圈冻结孔和洞门正中1个冻结孔。最外圈冻结孔沿φ8m的圆周边布置34个,第二圈冻结孔沿φ5.4m的圆周边布置16个,第三圈冻结孔沿φ2.7m的圆周布置8个孔,洞门正中心冻结孔1个,共57个。另上部设置泄压孔11个,洞门范围内布置测温孔8个。
    (3)水平冻结施工工艺简介
    1)施工工艺流程
    水平冻结施工工艺流程具体如下:生产准备→基础施工→安装→试压、包扎保温→冻结器安装、冻结孔验收、冷却水供给→充氯、试运转→正常运转→盾构始发/接收→拆除→撤场。
    2)制冷设计
    冻结壁交圈时间20天~25天, 积极冻结时间为30天。  
    3)冻结设备及材料
    如表1所示为主要冻结设备及材料表。
 
3 盾构暗接收、暗始发风险分析及技术措施
    (1)盾构冻结接收、始发风险分析
    1)冻结接收风险分析
    ①盾体后方来水,造成洞门漏水、涌砂;
    ②洞门破除过程中围护结构外部冻结土体稳定性不足,洞门发生土体坍塌

    ③盾构进入外圈冻结帷幕后,掘进过程盾体或刀盘被冻住。
    2)盾构始发风险
    ①刀盘前方水土压力过大,造成洞门漏水、涌砂;
    ②盾构刀盘或盾体被冻住。
    (2)盾构冻结接收阶段关键技术措施
    1)接收期间防止洞门漏水、涌砂关键技术措施做好管片壁后注浆止水环箍与冻结外圈冻结帷幕有效封闭,封闭盾体后方来水通道;根据水平冻结设计冻结体“内圈杯底”厚度2.0m,外圈帷幕长度12m,盾构刀盘抵至内圈杯底考虑,有效包裹盾体外圈冻结壁长度10m。该工程采用盾构机盾体长度约9m,盾尾距离外圈冻结壁过近,无法环箍注浆。
    综合研究后采取如下措施:
    ①接收采用在盾尾后方多道环箍“设防”,逐步加固挤密外圈冻结壁周边土体,降低外部水土压力,并从盾构机盾体6个径向注入孔向盾构机与开挖面之间间隙注射聚氨酯环箍,在盾体范围形成止水环箍。管片壁后环箍效果采用手持钻在环箍前后两环,由内壁注浆孔打入壁后60cm检测,以不漏水、不漏砂为合格。
    ②盾构机刀盘推进至距离内圈冻结壁1m左右时,拔出内圈冻结管(期间盾构机以5mm/min的速度掘进),盾构机继续推进,直至刀盘距离围护桩30cm停止推进。在此期间刀盘要持续转动,同时在盾尾与冻结壁接口处打环箍。外圈冻结壁仍保持正常冻结。
    ③完成后通过围护桩上的水平探孔和隧道内管片上的注浆孔检查环箍的效果,效果良好的情况下,清出土仓内土,开始进行洞门破除。洞门破除期间利用保留的30cm杯底冻土,作为盾构间歇掘进空间,保持刀盘转动和间断性盾体前推,避免洞门破除期间盾体被冻住。
    ④洞门破除完毕后进行盾构机推进,直至前盾上托架,开始进行洞门第一次封堵。封堵完毕后,进行第二次接收,盾尾留在围护结构处。第三次洞门封堵,封堵完毕后,把盾尾脱出结构墙及帘布板,留出人员能够顺利进出的空间。
    2)接收洞门破除期间土体坍塌防范措施
    ①综前所述,洞门破除前,盾构刀盘已掘进至距离围护桩30cm,此种情况下土仓土压力已基本为零,不会对破除期间桩体造成挤压。
    ②经过多道设防、验证合格的盾尾后方环箍和盾体范围聚氨酯环箍可有效阻挡后方水土压力。
    ③破除期间外圈冻结壁持续冻结,可规避围护结构与结构间隙以及冻土和围护结构间隙透水风险。
    综合以上3点,洞门破除期间土体坍塌风险得到有效控制。
    3)盾构防冻措施
    ①管片拼装等非掘进状态下保持刀盘0.3rpm速度旋转,防止刀盘长时间停转被冻;
    ②配备充足的维保人员,保证盾构良好状态,避免在冻结区发生故障长时间停机;
    ③配制充足盐水,掘进过程或空转刀盘期间适当加入一定体量盐水;
    ④储备2台电蒸汽发生器,出现刀盘被冻情况时,需及时通过面板预留孔打入高温蒸汽化冻。
    (3)盾构冻结始发阶段关键技术措施
    1)始发洞门所增加密封措施及应急措施:
    ①本工程盾构洞门出来采用常规的橡胶帘幕配翻板密封装置,以增加洞门密封止水效果。在洞门钢环内侧增加了2道加长型450mm洞门密封刷,其材质同盾尾密封刷。洞门刷位置需充分考虑帘幕内翻距离,避免影响帘幕效果,起到反作用。
    ②在结构内衬墙内通过引孔方式,设置4处油脂注入孔,孔深50cm,位于两道盾尾刷之间。盾尾涂抹刷上盾尾油脂(手涂型),在洞门破除完成后,在两道盾尾刷之间的隔腔内填充盾尾油脂(泵送型)。
    ③洞门处增设应急注浆孔。在结构内衬墙预埋4根注浆孔(聚氨酯孔),孔深130cm。所有预留注浆管均提前连接好,在需要注浆时开启注浆设备,立即注浆。
    2)洞门底部冻结管的保护
    盾构始发后,洞门底部冻结管将被盾体压在盾体下方,为了保护底部的外圈冻结管,在洞门破除前,浇筑部分混凝土把冻结管包裹住,消除地连墙破除过程中损坏冻结管,以及盾构始发完成停冻后下部冻结管无法及时封堵等隐患。
4 盾构暗接收、暗始发总结
    ①洞门采用水平冻结加固可满足盾构暗接收、暗始发强度和防水要求,符合在封闭既有站内的加固施工空间条件。但在设计中须充分考虑外圈冻结体长度,必须可充分包裹盾体,为止水环箍提供施工空间和时间。水平始发洞门的冻结外圈加固长度宜在当前4m的基础上适当延长。
    ②接收段洞门20环范围应采用多孔环,利于洞内有限空间内环箍注浆点位选取,保证成环效果。环箍效果必须严格检测。
    ③水平冻结施工前应对洞门渗漏情况进行排查,发现渗漏应采用注浆封堵,不宜采用聚氨酯封堵。
    ④接收、始发过程中应做好工序衔接,加快洞门破除和盾构进出洞速度。保持盾构设备状态,严防盾构被冻住。
    ⑤始发、接收前应配备充足的应急注浆材料、聚氨酯等物资设备。其中聚氨酯应选择优质品牌,确保低温下聚氨酯发泡效果。
    ⑥始发、接收完成后需严格控制冻结孔封堵质量,以免对后期运营埋下隐患。
5 结束语
    综上所述,各城市地铁线路中所涉预留既有站,基本为市区敏感、核心地带,加之暗接收、暗始发施工自身条件差、风险大,使得类似工程实施难度极大。通过翠竹站~常州火车站区间暗接收、暗始发施工的分析、研究,可供后续类似工程在施工程序和技术措施上予以借鉴,但施工前务必对既有站的结构形式、周边环境和实施过程进行详尽调查,全面评估风险,制定综合方案。
 

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