张晴
（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，南京 211800）
盾构法因其安全、效率高、对环境扰动小等优点，被广泛应用于隧道建设[1]，实现了复杂地质条件下隧道的快速施工[2]。目前，盾构技术正向着大埋深、大断面、长距离等方向发展，伴随着跨河、跨湖、跨江、跨海的水下隧道建设需求，超大直径泥水盾构应运而生。
受目前工艺限制，超大直径泥水盾构的施工仍面临许多挑战，如盾构吊装、始发、接收、泥水仓压力计算、带压开仓等工序中存在众多难点和风险点，其中盾构始发是最为棘手的问题之一，尤其是在富水软土地层中进行超大直径盾构始发，极易发生塌方、涌水等工程事故[3]。因此，盾构始发端头加固方案的确定至关重要[4]。
2.1 工程概况
本文以济南黄河隧道（济泺路穿黄隧道）北岸盾构始发井基坑工程为依托，隧道位于济南城市北部，采用市政道路与地铁合建方案，为超大断面盾构法隧道，刀盘直径15.76m。
2.2 工程地质与水文地质条件
该隧道工程地处冲积平原，根据钻孔揭露，地层主要为素填土、细砂、粉质黏土。盾构始发层位于粉质黏土层。
该基坑工程所处地貌单元为黄河I 级阶地，地表水主要为黄河河水、水库及水塘等，地下水埋深1.10～1.70 m。
为满足盾构机吊装及始发的需要，始发井基坑宽度设计为50 m，开挖深度为31.2 m，围护结构设计为1.2 m 地连墙，深度51.5 m，采用水下C35 钢筋混凝土浇筑，接缝处使用H型钢连接，并配合φ800 mm@600 mm 的旋喷桩进行加固并作为止水帷幕，桩底伸入基坑以下14 m，内撑采用7 道钢撑+混凝土撑。由于盾构吊装时龙门吊和盾构组件的荷载较大，在上述加固措施基础上，再采用裙边+抽条对始发井进行加固，抽条宽3 m，净距3 m。
盾构吊装和始发前，需对始发端头进行加固，结合洞门所处地层条件，经过研究，决定对始发端头采用水泥系（三重管旋喷法）+冻结法的加固方法，能够满足富水软土地层的加固要求和止水要求。加固区见图1。
图1 济南黄河隧道工程剖面图
三重管高压旋喷法即用3 层喷射管，同时向地层中高压喷注水和空气，低压喷注水泥浆，水和空气可切割土体，而后水泥浆注入土体的孔隙中，实现加固的效果。
始发端头三重管旋喷加固设计指标为：（1）加固区边缘距洞门≥5 m，长度为20 m；
（2）无侧限抗压强度不小于1.0 MPa；
（3）渗透系数k≤1×10-7cm/s。
具体流程见图2。
图2 三重管旋喷施工工艺流程
4.1 场地平整
施工前，首先应探明地下管线的分布，对管线进行改迁或者做好保护，然后将地面整平；
其次，备好施工所需设备，提前做好线路的布设工作。
4.2 桩位放样
场地平整完成后，采用全站仪进行桩位放样，做好标记，严格控制桩孔中心偏差。
4.3 钻机就位
将钻机移至指定位置，进行调平和垂直度检查校正，严格控制孔位偏差≤5 mm，严格控制垂直度偏差≤1/500；
开机前检查确保线路正确连接、设备正常运行。
4.4 成孔、清孔
准备就绪后引孔钻进，钻进过程中应注意垂直度的检验和矫正，确保成孔的垂直度、深度满足要求，并及时清孔。
4.5 插入高喷管
钻孔完成后，将岩芯管拔出，换上喷射注浆管，用塑料布包裹高压水喷嘴，将注浆管缓慢插入孔中达到设计深度。在插管时，应小水压边射水边插管，以防止泥砂进入管内，导致喷嘴堵塞。
4.6 旋喷提升
浆液制备完成，喷射注浆管就位后，便可以进行旋喷提升。为了提高桩底的成桩质量，开始旋喷后，速度不应过快，桩底部分可适当延长时间。提升钻杆应连续进行，不能中断，直至完成旋喷。
始发端头盾构吊装的荷载主要由高压旋喷桩的加固体承担，冻结法的作用主要是洞门凿除时的止水作用。
始发端头冻结加固设计指标为：（1）冻结加固区上、左、右边缘距洞门≥5 m、下边缘距洞门≥4 m，厚度≥2 m；
（2）冻土平均温度≤-13 ℃；
（3）盐水温度-28～-30 ℃，盐水去回温差≤2 ℃；
（4）洞门周边水平探孔温度≤-5 ℃。
5.1 钻孔与下管
首先按冻结孔设计位置固定钻机，用取芯钻开孔，为了保证钻孔精度，钻进前要确认钻杆垂直度、每钻进5 m 进行一次垂直度的检验和矫正。钻进时，应根据需要，做到匀速旋转、钻进。
钻孔完成后进行下管工作。冻结管应在预先配组完成，并清除冻结管内的杂物。先将第一根管的底部进行焊接密封，然后逐一与后续钢管焊接并下放，下放完成后，进行试压并封堵管口，最后用土将冻结管周围的空隙填实。
冻结孔最大偏斜值不超过250 mm。靠地连墙的第一排冷冻管控制外偏，外偏最大偏斜值不超过100 mm。如超过此规定，需逐一复核所有终孔间距，绘制终孔图提交设计单位复核，如超过终孔间距的控制规定，应考虑是否增加冻结孔，作为施工措施予以补救。
5.2 测斜与测漏工作
测斜工作采用经纬仪灯光测斜法进行，灯光测斜是指将光源作为观测标志。冻结管下管完成后，放入光源，用经纬仪的对点器分段观测冻结管内灯光的位置，解析出钻孔在某深度的偏距、偏向和偏斜率。
测漏工作采用加压法进行。冻结管测斜工作完成后，需通过测漏对其密封效果进行检验。向冻结管里加入水，然后焊接密封测漏管，通过阀门加压到0.8 MPa，压力能够稳定1 h 后则视为密封合格，如果不合格则应拔出冻结管重复上述工作，直至密封性达标。
5.3 供液管的施工
冻结管施工完毕后在冻结管内下入一长一短两根盐水供液管。施工时将短管底部切除一部分以增大回液面积，并将冻结管管口焊接密封。
5.4 管路连接
所有供液管下放完毕后进行管路连接工作。整个系统的管路分为去、回两路，冻结管之间采用串并联的方式连接，两个孔串联成一组，并根据组数在去、回的路上布置相应数目的进出液孔，各组并联与去、回路连接。管路连接简图如图3所示。
图3 管路连接简图
5.5 管路保温
盐水箱、盐水管路采用保温板包裹形成保温层进行保温，厚度≥50 mm，保温层的外面包扎严实；
用高压胶管连接集配液圈与冻结管，每组冻结管的进出口各装一个阀门，以便控制流量；
冷冻机组的蒸发器及低温管路采用棉絮进行保温。
5.6 拔管方案
在盾构始发进入洞门圈后，刀盘顶部距离冻结壁20 cm时进行拔管作业，所有冻结管一次性拔除，拔除后用M15 砂浆回填冻结管孔洞，所有拔管工作需在24 h 内完成。
拔管采用热盐水循环局部解冻的方案，通过热盐水循环使得冻土融化至40～60 mm 时，进行拔管。操作步骤如下。
1）盐水加热：用电热丝对盐水进行加热，加热至40～50 ℃；
2）盐水循环：利用盐水泵进行热盐水循环，循环5 min 左右便可进行试拔，边循环边拔。
3）用千斤顶进行试拔，拔起约20 cm 时，停止热盐水循环，并将热盐水排出，然后用吊车快速拔出冻结管，边拔边转动冻结管，如拔不动时，再进行一遍热盐水循环，直至拔管完成。热盐水循环及吹盐水系统见图4。
图4 热盐水循环系统图
济南黄河隧道盾构始发工程，在富水粉质黏土条件下，采用三重管高压旋喷法+垂直冻结法对始发端头加固，实现盾构安全始发，可有效降低洞门凿除和盾构始发的风险，以期为类似工程提供参考。
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