近接既有车站盾构冷冻始发关键技术

近接既有车站盾构冷冻始发关键技术

夏立超

中铁上海工程局城市建设分公司　　上海　　201900

摘要：受始发场地限制，盾构冷冻始发需综合考虑盾构机平移空推过站、反力架安装加固、洞门凿除、盾构试掘进等关键影响因素。本文通过建立三维有限元模型定量分析盾构冷冻始发对既有车站的影响，结合不同工序的施工风险探讨了相应的处置措施。工程实践证明：仿真模拟与工程经验相结合的分析方法可有效保障近接既有车站盾构冷冻始发的安全性，可为后续同类工程施工提供参考。

关键词：既有车站；盾构机；冷冻始发；安全评估；有限元模拟；冻结失效

Key Technologies for Frozen Starting of Shield Machine in Close Contact with Existing Stations

Abstract: Due to the limitations of the starting site, the freezing starting of shield machine requires comprehensive consideration of key influencing factors such as the shield machine machine's translational thrust passing through the station, the installation and reinforcement of the reaction frame, excavation of the tunnel door, and shield machine trial excavation. This article quantitatively analyzes the impact of shield machine freezing on existing stations by establishing a three-dimensional finite element model, and explores corresponding disposal measures based on the construction risks of different processes. Engineering practice has proven that the analysis method combining simulation and engineering experience can effectively ensure the safety of shield machine freezing starting in close proximity to existing stations, and can provide reference for similar construction projects in the future.

Key words: Existing stations; Shield machine; Frozen start; Safety assessment; Finite element simulation; Freeze failure

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，盾构法隧道成为城市地铁建设的重要施工方法之一。端头土体加固质量直接关系到盾构始发及接收的安全，随着施工环境的复杂化，基于仿真模拟与工程经验相结合的分析方法逐步成为新的发展方向[1]。胡俊等[2,3]运用有限元分析软件，研究不同冻结管直径对垂直冻土壁温度场发展的影响，发现随着冻结管直径的增大，冻结壁交圈时间呈线性减小。盾构冷冻始发存在刀盘被冻住而无法启动的风险，徐征杰等[4-6]利用盾构机铰接装置实现刀盘快速脱困，并明确了施工流程及关键技术参数确定原则。盾构始发阶段易发生地面沉降变形问题，卢金栋[7]研究了地面沉降监测数据处理、粗差检验、精准度评定之间的关系，并对监测结果评价与改进开展分析。张玄等[8] 从反力架结构设计要点与安装工序出发，借助分析软件验算了盾构机始发反力架的安全性能。目前，国内学者从不同角度针对盾构冷冻始发进行了研究探讨，但近接既有车站盾构冷冻始发的系统性研究尚需进一步深入。

1 工程背景

郑州市轨道交通7号线一期工程古玩城站～孙八寨站盾构区间线路长度747m，线间距为11.20～17.20m，最大坡度－24.7‰，隧道埋深18～25.32m，区间隧道内径5.5m，外径6.2m，采用2台小松土压平衡盾构机进行施工。场区地层以粉砂、细砂、黏质粉土层为主，水位埋深12.40～15.0m，始发端隧道埋深17.9m,水位高于隧道顶部3～6m，端头加固采用冷冻法。

新建7号线与既有5号线在孙八寨站呈T型换乘，始发端位于既有线车站内部地下三层，换乘节点随5号线车站同期施工完成，并预留接口条件。盾构机需由新建7号线车站预留盾构始发井分块吊入组装，经空推过站后实现始发，结构位置关系如图1所示。

图1 盾构始发端结构位置关系图

2 冷冻加固方案

2.1 冻结设计参数

端头加固采用水平冻结孔加固地层，形成杯形冻结壁，加固形式如图2所示。杯底冻结壁为Ⅲ类冻结壁，在洞门范围内围护结构凿除期间承担封水和承载作用。杯壁冻结壁为Ⅰ类冻结壁，盾构始发期间承担封水作用。冻结加固设计参数为：

（1）冻土强度设计指标取冻结壁平均温度为-10℃时，加固的土体无侧限抗压强度力不小于3.6MPa，抗拉强度不小于2.0MPa，抗弯强度不小于1.6MPa。

（2）根据设计图纸设计采用杯形冻结壁，杯底冻结壁厚度为3.5m，杯壁冻结壁厚度为2m，杯壁长度为12m。设计冻结壁平均温度≤-10℃，与围护结构交界处平均温度不高于－5℃。

图2 盾构始发端冷冻加固剖面图

2.2 冻结孔布置参数

加固体共布设冻结孔64个，其中外圈布置冻结孔32个，中圈布置冻结孔15个，内圈布置冻结孔8个，中心孔1个，测温孔8个。冻结管、测温管采用φ89×8mm低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接加焊接。杯壁管长13.9m，杯底管长4.5m。每个洞门布置8个测温孔，测温孔深度为4.3～13.5m，用于测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。

3 对既有车站的安全评估

3.1 有限元模拟

为明确盾构冷冻始发对既有车站的影响程度，运用Midas GTS NX软件建立了既有线地下车站与盾构隧道的三维数值模型，模拟不同工况条件下既有车站水平位移、竖向位移数值变化。

模型中地层土体及冷冻区掘进采用实体单元，土层参数根据地勘报告选取，管片刚度考虑0.8的折减系数，土体本构模型满足摩尔-库仑破坏准则，地表为自由边界，其他五个面均约束其法向变形。从盾构空推过站到盾构始发完成，共划分为20种施工工况，逐一进行模拟分析，模拟过程如图3。

图3 有限元模拟分析图

3.2 计算结果分析

汇总各工况下车站结构位移变形，可以发现盾构掘进完成7环时（步序十七），车站主体结构变形最大，此时盾构机刀盘即将出加固区。车站竖向变形最大1.948mm，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）中关于地铁结构变形控制值的相关要求，说明施工风险可控，具体数值见表1。

表1 计算数据对比表

4 近接既有车站盾构冷冻始发技术

4.1 盾构始发流程

近接既有车站盾构冷冻始发涉及盾构机平移、空推过站的步骤，受站内始发场地影响，始发架、反力架均需设置在既有车站负三层内，由此绘制的盾构冷冻始发流程图，如图4。

图4 近接既有车站盾构冷冻始发流程图

4.2 施工过程关键技术

4.2.1盾构机平移空推过站

受既有车站影响，仅预留左线盾构机吊装口，右线盾构机需先吊装下井经平移后，再空推过站到达始发位置。

井口底板积水清理完后铺设钢轨，东西向平移区域铺设4排43kg/m钢轨，南北方向铺设2根，轨道两侧使用φ20膨胀螺栓固定，间距2m，如图5。将盾构机分块从左线井口吊装下井至9m长始发托架上，刀盘外露托架20cm，托架与盾构机在前中端用20mm厚钢板焊接在一起，中盾与前盾上部采用200mmH型钢连接，使盾构机和始发托架连成一个整体。

底板轨道顶面设置为同标高，南北向两根轨道为通长铺设，东西轨道与南北向轨道交叉处由东西向轨道断开，断开部分需进行加固处理。在平移区域建立液压泵站，分两组千斤顶，每组千斤顶≥200t，在外侧轨道安装夹轨器作为千斤顶反力装置。千斤顶作用在始发托架上，平移过程保证两个千斤顶同步匀速推进。

图5 盾构机平移施工图

4.2.2反力架安装与加固

盾构吊装孔距离既有车站始发端侧墙41m，车站负三层结构净高8m，为保证盾构始发安全且满足反力架安装要求，反力架采用地面组装，与盾体同步平移进站的施工方法。

反力架结构尺寸为6750mm×6600mm，反力架与盾体、始发托架焊接牢固后整体前移，距洞门11.1m位置安装斜炮撑，斜炮撑采用φ630、壁厚10mm钢管，斜撑底部采用2cm厚钢板固定，钢板使用φ50mm钢棒植入底板，钢棒植入底板25cm，反力架立柱垂直度控制±10mm以内，如图6。斜撑安装完成后，将反力架与盾体分割，盾体与托架继续向洞门前移至制定位置。

图6 反力架加工施工图

4.2.3洞门凿除

洞门凿除前，需对洞门进行水平探孔检查，确认土体稳定、无涌水，冻结壁的厚度满足设计要求，方可进行洞门端头围护结构凿除。

洞门采用人工破除，破壁时分层剥离钢筋，并从下往上进行割除，最后一层凿除后保留厚度不小于300mm，并保留外侧钢筋，以保护冻土墙。待内圈冻结管全部拔出后开始最后一层破壁施工，最后一层破壁时间不宜超过12小时。

洞圈内的冻结管拔除后，必须保证填充及时可靠。先将压实棉絮进行冻结孔填充，再用快速水泥及水泥混合物进行填充密实，封堵长度为孔全长。洞门破除时要合理安排整体资源配置，时间控制在5天内，洞门凿除过程中，同步安排渣土清理。冻结管拔管控制在48小时内完成，缩短掌子面暴露时间。

4.2.4盾构试掘进

由于初掘进时盾构处于土体加固区，正面的土质较硬，为控制好掘进轴线、保护刀盘，在这段区域施工时，土压力设定值应略低于理论值，掘进速度不宜过快，控制在1-2cm/min以内。待盾构出加固区后，为防止由于正面土质变化而造成突然磕头，必须提前2环将土压力的设定值调整至略高于理论值，并控制盾构的出土量，根据地层变形量信息反馈，及时对土压力设定值、掘进速度等施工参数作及时调整，进入盾构始发段掘进。

密封仓土压力、刀盘转速及压力、掘进速度、千斤顶推力、注浆压力及注浆量等多项参数，分别采用计算初步拟定的施工参数（如表2）进行试掘进，通过对地表沉降环境监测、隧道沉降测量和数据反馈，确定一组适用的施工参数。盾构刚始发时，掘进速度宜缓慢，同时加强后盾支撑观测，防止盾构姿态变化过大。

表2 盾构试掘进参数表

4.3施工风险及处置措施

4.3.1冻结失效

造成冻结管断裂，冻结失效的原因主要是：冻结管质量不合格、接头质量差；冻结管埋设前未进行试压就直接使用；拔除冻结管时，化冻时间过短，未完成化冻，强行进行拔管等。

冻结管埋设前必须进行试压，试验压力应为冻结工作面盐水压力的1.5～2倍，不得采用焊接钢管。一旦发生冻结管盐水漏失，立即查明漏盐水的冻结管并关闭该冻结管盐水供应，重新布置冻结点继续进行冷冻。

拔管前进行化冻试验，争取在24小时拔完。严格控制加热化冻时间，充分细化洞门环内冻结管串并联顺序，使洞门环内拔出冻结管间隔、交错、有序进行。先拔除测温孔，再拔除中心孔，最后拔除内圈孔和中圈孔，洞门外圈孔持续冷冻，尽量缩短拔管时间。拔出冻结管后及时封堵冷冻孔洞，水平冻结孔全长封堵保证填充密实，无渗漏点。

4.3.2突破冷冻体“杯底”时出现涌水、涌沙

在盾构机破除冷冻体“杯底”时发生涌水、涌砂的原因主要是：始发时土仓压力建立不及时，盾构机土仓内未提前填充渣土，无法快速建立有效的平衡土压；冷冻体水平加固长度不足，盾尾距洞门距离过近，存在击穿盾尾刷的风险；盾构机穿透杯底前，洞门密封系统压力不足，洞门密封无法有效抵御洞内水压，导致洞门密封失效。

盾构始发前检查洞门密封系统的安装质量，始发时控制合理的渣土量，提前进行膨润土膨化，按试验用量加入膨润土及泡沫，对渣土进行改良，形成有效泥膜，建立有效土压。洞门封堵分阶段进行，在尾盾进入洞门后，开始进行同步注浆，同时通过管片注浆孔和预埋双液浆注浆管注入适量的水泥浆，必要时对同步浆液的初凝时间进行调整，来实现及早实现洞门封闭。

4.3.3刀盘及盾体冻结

盾构刀盘贯入度设定过大，会造成盾构机 “跳刀盘”现象，若处理不及时，易造成刀盘冻结。长时间停机造成冷冻体范围扩大，冷冻体强度增大，周边温度过低，造成刀盘、盾体被冻结或者元器件故障。

在冷冻体内掘进时，以小贯入度、低推力、低速匀速连续推进，在冷冻体中掘进参数设定时，贯入度不大于10mm，刀盘转速介于0.8-1.0r/min。掘进时应时刻注意刀盘扭矩变化，若刀盘扭矩上升过快，应降低推进速度，不断反转刀盘，防止因刀盘扭矩过大造成刀盘“跳停”。

盾体被冻死可采用电加热器在盾尾内加热使盾构机脱困，在非掘进时间段（如拼装、电瓶车备车）内，要保持刀盘连续转动或者短时间间隔启动，避免长时间停机，刀盘被 “冻死”。

5 结论

本文通过建立三维有限元模型定量分析盾构冷冻始发对既有车站的影响，在始发场地受限的条件下，针对盾构机平移空推过站、反力架安装加固、洞门凿除、盾构试掘进等关键施工技术阐述了控制要点，结合不同工序的施工风险探讨了相应的处置措施。工程实践证明：本文方法可有效保障近接既有车站盾构冷冻始发的安全性，可为后续同类工程施工提供借鉴。

参考文献

[1]张英智,阮雷,张玉伟.盾构隧道端头加固技术研究与应用进展综述 [J].四川建筑,2020(04).

[2]胡俊.盾构隧道端头垂直加固不同冻结管直径的温度场数值分析[J].铁道建筑,2014(09).

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