严寒地区富水砂层盾构施工关键技术

摘要：结合哈尔滨地铁一号线工程大学站―太平桥站―交通学院站区间和出入段线盾构区间的具体施工环境，通过采取各种保温及技术控制措施，解决了在严寒地区富水砂层条件下冬季连续进行盾构施工的关键性控制技术问题，具有很好的借鉴作用。

关键字：严寒地区;保温;技术;施工

Abstract: The combination of Harbin Engineering University subway station - Taiping Bridge Station - College Station range transport and access polyline Shield Zone concrete construction environment, by taking a variety of insulation and technical control measures to solve the water-rich region in the cold sand winter under continuous layer shield construction control key technical issues, with good reference.Keywords: cold regions; insulation; technology; construction

中图分类号：U455.43 文献标识码：文章编号：

1 工程简介

哈尔滨地铁一号线一期工程工程大学站―太平桥站―交通学院站区间和出入段线盾构区间，6条单线盾构区间全长3431米，区间处于富水砂层中掘进，最小埋深为6.3m。

2 施工气象条件

哈尔滨地处松花江中游，位于东经125°42′-130°10′、北纬44°04′-46°40′，属于大陆季风性气候。由于所处纬度较高，哈尔滨冬季寒冷漫长，平均气温低于-5摄氏度开始于10月15日左右，终于第二年4月30日左右，历时210天。 12月至次年2月最冷，极寒气温达到-42.6℃，1月份平均气温-20.3摄氏度，最低气温-38.1摄氏度。在如此低温条件下，没有相关施工经验可供参考。季节性冻土发育，每年十月末开始结冻，至翌年四月初开始融化，六月初化透，最大冻结深度2.0m。

3 冬季保温技术措施

盾构冬期施工主要为盾构机组装调试、始发及接收时设备的保温，盾构机地面配套设施的保温。所采取的具体措施及方案如下：

3.1盾构机设备保温

3.1.1盾构机组装及调试

（1）出土孔保温封闭

在不使用的一侧出土孔上搭设彩钢房进行封闭，兼作上下车站的施工通道，有利于保温。在另一侧将要使用的出土孔处设置活动式苫盖棚，出土、下管片等材料吊运时开启，不用时封闭；同时在该出土口下方两侧挂设2个热风幕呈水平对吹热风保温，防止冷空气进入车站内，同时在出土口中板处四周设置彩钢板隔断保温，减小车站内空气对流。

活动式苫盖棚的做法为：在出入口预留台两侧埋设两根16#槽钢作为导轨，采用Φ48钢管两端装置滑轮作为骨架，骨架间套设篷布。雪后及时将苫盖棚的积雪进行清除，防止积雪过多影响使用。

（2）盾构吊装孔保温封闭

盾构机主体及后配台车等设备及物资全部下放到车站内后，考虑预留孔洞大跨度及雪压荷载，采用I28a工字钢+方木+竹胶板+双层棉被+双层彩条布等材料将盾构吊装孔进行封闭，同时在车站内端头井处设置火墙、热风幕等供热设备，对车站进行加热，保持车站内温度维持在5℃以上，然后对盾构机进行组装及调试。

车站盾构吊装孔封闭保温结构图

通过实际测温记录，加热保温效果明显，完成能够达到盾构机组装及调试的温度要求。下图为车站加热保温初期4天的测温记录：

3.1.2 盾构接收

与盾构机组装调试保温一致，在盾构达到之前，首先对盾构井进行封闭，采用2～3个焦炭炉提前5～7天开始加热至正温，盾构到达洞门时进行洞门凿除，盾构接收后对洞门均进行封闭，同时继续保证盾构井内的温度，在井内可对盾构机进行检修、拆解。

3.2地面配套设施保温

3.2.1吊装设备保温及维护

低温（特别是气温在-15℃以下时）极易造成龙门吊电动葫芦、钢丝绳、各部位轴承及其油等部位受冻，导致龙门吊无法运转。

解决措施：除了使用防冻油外，在不作业（出土、下放材料）时，也必须每隔1～1.5小时启动并至少运行5分钟，以此保持龙门吊有一定的热度。每天派专人负责对龙门吊轨道清雪除冰，并进行巡视，防止脱轨，保证龙门吊正常行走。另外，须提高对龙门吊电机轴承、钢丝绳及各部件的检修及保养频率，以确保施工安全。

3.2.2、电瓶运输系统

盾构施工洞内采用电瓶车有轨运输，一台盾构机施工配备两列电瓶运输列车。正常温度施工期间，一列电瓶运输列车配两组电瓶可满足正常的周转使用，一组电瓶充满电时间约为20小时，可使用时间约为48小时。冬季低温条件下，电瓶充电比较困难，往往出现“虚电”状态，一组电瓶充满电耗时约为28小时左右，使用约10～12小时就需要更换再次充电，而且很容易损坏，每次更换电池需要消耗2小时，为此，每列电瓶运输列车均另外增加了一组电瓶才满足现场施工需要，增加了施工用电而降低了施工效率及电瓶的使用寿命。

解决措施：将电瓶充电房设置在已完车站结构中板上，配套1台5t小型龙门吊进行吊装，洞口部位挂设活动型的棉帘子，龙门吊吊运时将其拉开，其他时间封闭，确保电瓶充电及使用的环境温度达到5℃以上，较好的解决了电瓶充电难、易损坏的问题。由于电瓶充电及使用过程中会产生少量的废弃电解液，为防止电解液渗漏腐蚀车站混凝土结构，需要对电瓶充电池进行防水处理。

3.2.3盾构机刀盘系统

针对砂层当中的地层，需要使用刀盘设计，并且将切刀作为主要的技术，将刮刀作为辅助的技术。在实践的施工操作当中，需要保证刀盘设计切刀在112把以上，根据具体的施工情况以及使用等方面的需求，来进行恰当的调整以及技术方面的改进。刀盘，需要分成四个部分，而在开挖之时，还需要保证其槽口接近刀心，进而合理的提升了其使用以及操作的效率，提升了刀盘的开挖效果，并且还可以有效的防止在操作的过程当中刀盘等部位出现泥饼等现象。针对内部的透水性以及内部的摩擦力，也可以有比较好的防治效果。另外一个方面，在刀盘以及其密封的隔板当中，需要设计相关的泡沫，并且加入一定量的泥浆，通过这样的措施，达到提升泡沫的性能并且合理的防治相关的高水龙头等出现水砂喷涌等情况的发生。针对上述的内容，需要在实践操作过程当中引起足够程度的重视。

管道保温及水泥暖库

通过实际测温记录，加热保温效果明显，完成能够达到浆液搅拌时的温度要求。下图为砂浆搅拌站加热保温初期3天的测温记录：

3.2.4、管片防水材料粘贴

为了保证管片防水密封垫粘贴的施工质量，在冬季来临之前，在管片厂完成冬季所需的各种管片密封垫、传力衬垫等材料的黏贴工作，并用篷布及草帘子覆盖防护，同时，管片运输过程中叶做好相应的覆盖，防止密封垫变脆，影响防水效果。同时，密封垫材料要满足抗低温的性能，进场后进行试验验证。

但往往冬季来临之前无法完成防水材料的黏贴工作，必须进行冬季施工，为了保证管片防水材料粘贴的质量，传力衬垫、橡胶密封垫、胶水等原材料全部存放于库房内进行预热、保管，边使用边取。管片防水材料粘贴在可移动时的保温棚（能够满足存放2环管片）内进行，保温棚内设置2台30KW热风幕24小时不间断对暖棚进行加热，确保保温棚内温度高于5℃，管片、防水材料等提前放入保温棚内进行预热，待温度满足要求时，开始进行防水材料粘贴，粘贴完成后，在保温棚内存放不少于2小时，保证胶水能够完全固化。

通过实际测温记录，加热保温效果明显，完成能够达到管片防水材料粘贴时的温度要求。下图为管片防水材料粘贴棚加热保温初期3天的测温记录：

以上保温措施能够保证管片防水材料粘贴的正常施工，但施工成本较高，可采取在进入冬季前，提前将所有管片防水材料进行粘贴，但须注意对已粘贴防水材料的管片进行覆盖保护，防止风吹日晒致使防水材料老化或受污染。

3.2.5、盾构机管路

为了保证油脂、盾尾密封油脂等重要管路的畅通及油脂的注入量，在盾尾油脂泵、重要管路及管路的转弯处设置电暖器或小太阳等取暖设备，防止盾构机的管路受冻，盾构油脂及油等在使用之前对其进行加热，确保盾构设备正常进行。

3.2.6、渣良

由于地质条件比较差，盾构处于富水砂层中掘进施工，必须进行渣土进行改良。由于哈尔滨冬季严寒漫长，膨润土在冬季膨化效果差、时间长、不易管理等缺陷，因此，在哈尔滨地区渣良优先采用泡沫剂。

结合地层情况及施工环境，采用单一的泡沫剂进行渣良效果不理想时，也可采取注入高浓度膨润土泥浆+泡沫相结合的方式。为了使膨润土浆液能够充分膨化，真正起到渣良的作用，在车站中板建设了一个120m3左右的膨化池，四周设置围墙密封减少温度损失，用锅炉加热水搅拌泥浆，同时延长膨润土的膨化时间，使其充分膨化。

4 施工关键技术控制

4.1、掘进过程控制

根据试验段施工情况和经验，在富水砂层中进行盾构掘进施工，地面沉降较为敏感，反应速度快。因此在盾构下穿建筑物过程中，为保证建筑物安全，盾构掘进施工必须精心操作，严格控制，将地面沉降控制在规范允许范围内。

在盾构掘进中，选择正确掘进模式及参数是控制沉降的关键，为了控制地表沉降，在施工中拟采用以下措施：

4.1.1、土仓压力控制

土仓压力是一个能综合反应地层情况、掘进速度、出土速度之间相互关系的关键参数，因此必须慎重选择，并在施工过程中依据监测结果及时调整。盾构在掘进过程中据此取得平衡压力的设定值，具体施工时根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。根据盾构施工经验,盾构土仓压力设定值满足以下要求：

根据土体静压力公式P=K0×γ×h=0.6×19×6.3=0.07MPa

P: 平衡压力（包括地下水）γ：土体的平均重度（KN/m3）h：隧道埋深（m）

k0：土的侧向静止平衡压力系数算出侧向压力系数K0，然后根据穿越区域盾构覆土深度和建筑物自重来计算此区域内的设定土压力P。

根据地质土层情况，经过计算在盾构穿越隆平小区施工过程中土仓压力理论值在80～120KPa之间。同时考虑到地面超载，穿越段的实际土压力比理论值增加20～30kPa，因此土仓压力控制在100～150Kpa之间。

4.1.2、掘进速度的控制

盾构正常推进速度控制在3cm～4cm/min，为了减小盾构穿越过程中对地下土体的扰动，便于及时调整盾构的姿态，并结合哈尔滨地区盾构施工经验，顶进速度初步定为1.5cm～2.0cm/min，并及时根据监测结果调整控制掘进速度，同时保证盾构连续匀速掘进，保证均衡施工减少停顿，从总体上控制地面的隆起和沉降。

并保持推进速度、刀盘转速、出土速度和注浆速度相匹配；在推进过程中保持稳定，每日推进4环左右。

4.1.3、出土量的控制

每环理论出土量：π/4×D2×L=3.14×6.28×1.2/4=37.15m3

其中：D--盾构外径（m）

L―管片长度（m）

盾构进出土量宜控制在98%～100%，即36.4m3～37.15m3之间，在盾构穿越建筑物期间严格保持出土量在此范围内。

掘进过程中，出土量必须与土仓压力、掘进速度相对应，以保证姿态的平稳，盾构下穿隆平小区2号楼是处于曲线段掘进过程中，由于盾构时刻处于纠偏对曲线内侧土体产生挤压作用，而且此时必定产生超挖的情况，故要在曲线段严格控制出土量并适当加大注浆量。盾构进入二类控制区开始，严格执行项目部交接班制度，书面记录每一环的出土量及当前掘进环交班前的出土量。

4.1.4、注浆控制

严格控制注浆参数保证同步注浆的压力与注浆数量，注浆压力最佳值应在综合考虑地质条件、管片强度、设备性能、浆液特性和土仓压力的基础上来确定。掘进过程中确保砂浆注入量不小于理论计算量的1.8倍，严格控制砂浆的注入速度，砂浆注入过程要均匀、连续，与掘进同步进行，盾构机推进开始时注浆开始，推进完毕注浆结束。保证围岩与管片之间的间隙能及时、足量得到填充。同时加强注浆管路的维护，保证注浆速度。

浆液配置应与掘进速度相适应，浆液要充分填充盾构施工产生的地层空隙，避免由此引起的地表沉陷，避免过大的注浆压力引起地表有害隆起或破坏管片衬砌，影响楼体安全，必要时进行补强注浆的措施。同步注浆配比如下：

根据同步注浆情况及地面监测数据，适时进行二次补浆。根据前期盾构施工经验，二次补浆时间控制在管片脱出盾尾5环内完成第一次注浆，注浆压力控制在0.3MPa左右，注浆孔位置在左上或右上，一类控制区内每环均进行二次补浆，其他施工段根据监测及实际情况及时进行补充，每环注浆量在2方左右，二次补偿注浆以控制沉降不再有继续增加的趋势，否则，需要进一步进行补偿注浆。

二次注浆采用水泥水玻璃双液浆，双液注浆材料选用P.O42.5普通硅酸盐水泥和35°Be中性水玻璃，浆液为水泥浆加水玻璃（水泥浆液 ：水玻璃=2：1），水玻璃模数为2.5～3.3，水泥浆水灰比为1:1，水玻璃安1:1稀释，双液浆凝结时间控制在25s～45s范围内。

二次注浆的结束条件为：当建筑物的沉降连续2周日沉降量小于0.3mm/d时停止，但监测仍应继续，当停止后沉降大于1mm/d则还需继续注浆。

4.2、土方外运

盾构在富水砂层中掘进施工，渣良时每环注入4～6m3左右的膨润土浆液，每环排出的渣土量约为40～42m3，渣土处于流塑状态，渣土外运非常困难。在严寒地区冬季，在渣土池内流塑状态的渣土露天放置一天，只有表面10cm左右薄层冻结。为防止渣土遗洒道路污染环境，15m3自卸汽车每次只能运输12m3左右的渣土。自卸汽车无论是在等待还是装土期间均不能长时间熄火，防止车辆被冻无法启动。将渣土大面积铺摊，增强冻结效果，将流塑状的渣土变成冻结块装车外运。另外，为防止渣土冻结在运土车车厢内，装土前在车厢内铺设一层塑料薄膜进行隔离。

4.3下穿浅基多层建筑物施工技术

针对其基础的实际特征，并且考虑到承载力比较差等方面的因素，为了防止建筑物裂纹的产生，在施工操作的过程当中，需要保证连续并且快速的通过，穿越施工前，对盾构机械设备以及其配套的设施等进行全方位的保养以及维修，防止其在穿越过程当中出现问题，同时，还需要针对盾构设备等的运行过程当中的故障的发生，进行有效的防治，减少停机等现象的发生，这一点极为关键。同时加强监测，以监测指导施工。富水砂层中通过采取膨润土和优质泡沫综合措施进行改良，保证渣土的粘聚性。土仓压力，需要保证比一般类型的地层施工要有所提升，并且根据实际监测的结果，进行适当的调整，针对其土仓的实际的压力参数值等，进行必要的改进，以更好的满足实际施工的需求。针对注浆量，必须确保填充的密实，根据监测情况及时进行补充注浆。在盾构的掘进过程当中，还需要针对相关的盾尾的密封等，进行必要的检查，如果在操作当中发现出现泄漏等情况，需要进行及时的处理。