盾構(gòu)進(jìn)洞鹽水凍結(jié)加固施工技術(shù)

殷 波 童剛強

（天津地鐵建設(shè)發(fā)展有限公司，300051，天津∥第一作者，高級工程師）

盾構(gòu)出洞和進(jìn)洞是地鐵盾構(gòu)施工的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是盾構(gòu)施工的重要風(fēng)險源。如果處理不當(dāng)，則容易出現(xiàn)漏水、涌砂、塌方等工程事故。當(dāng)端頭井周邊地層條件較差時，需要對端頭井土體的整體或局部進(jìn)行加固處理。常用的土體加固技術(shù)有：凍結(jié)法、注漿法、高壓旋噴樁、深層攪拌樁等。加固后的土體必須滿足強度、變形可控性、穩(wěn)定性和抗?jié)B等方面的要求。

目前，凍結(jié)法在地鐵盾構(gòu)端頭井加固、聯(lián)絡(luò)通道施工以及地下連續(xù)墻接縫加固中得到了廣泛的應(yīng)用。凍結(jié)法具有封水性、復(fù)原性、繞障性、適應(yīng)性強，及強度高、施工方便、環(huán)保無公害等特點，是一種技術(shù)可靠、工藝成熟的方法［1］。凍結(jié)法是在人工制冷條件下，將土體的溫度降到0℃以下，使土體中的水分和土顆粒凍結(jié)形成具有較高強度與承載力的“凍結(jié)帷幕”。凍結(jié)法有液氮低溫液化氣式和鹽水式兩種［2］。

1 工程概況

天津地鐵2號線東南角站——建國道站區(qū)間的進(jìn)洞場地的主要土層為淤泥質(zhì)土、粉土、粉砂、黏土、粉質(zhì)黏土層。地層從上到下依次為：淤泥（厚2.7m）、粉土（厚1.2m）、粉砂（厚2m）、粉土（厚1.8m）、粉砂（厚3.3m）、粉質(zhì)黏土（厚3.8m）。隧道掌子面土層主要是粉土和粉砂層。水位標(biāo)高在地表下1.1～3.6m，主要靠大氣降水及附近地表水補給，屬孔隙潛水，隨季節(jié)變化幅度為0.5～1.0m。場地內(nèi)表層地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第Ⅱ陸相層及其以下粉土、粉細(xì)砂層中的地下水具承壓性，為微承壓水。

建國道站端頭井位置的地層地質(zhì)條件復(fù)雜，盾構(gòu)進(jìn)洞過程中存在涌砂、涌水的風(fēng)險。為保證盾構(gòu)機進(jìn)洞安全，防止泥砂及地下水涌入工作井，盾構(gòu)進(jìn)洞加固采用鹽水凍結(jié)加固技術(shù)。

2 冷凍方案與凍結(jié)參數(shù)

2.1 凍土墻厚度h的確定

設(shè)計凍土墻平均溫度為－10℃，凍土的容許抗壓強度σ壓＝3.5 MPa，容許抗拉強度σ拉＝1.8MPa，容許抗剪強度τ＝1.5MPa。洞口采取板狀凍結(jié)方式加固。凍結(jié)加固體在盾構(gòu)進(jìn)洞破壁時，起到抵御水土壓力、防止土層塌落和泥水涌入工作井的作用。

2.1.1 水土壓力計算

洞口的中心埋深為15.573m，當(dāng)開洞直徑為6.7m時，開洞口的底緣深度為18.923m。則按重液公式計算得到的洞口中心水土壓力為：

P＝0.013 H＝0.2MPa式中：

P——洞口中心處的水土壓力；H——洞口中心的埋深。

2.1.2 加固體厚度計算

1）假定加固體為整體板塊而承受水土壓力，運用日本計算理論計算加固體的厚度h為：

式中：

D——加固體開挖內(nèi)直徑，6.7m；β——系數(shù)，1.2；

K——安全系數(shù)，2.0。

則可計算得到凍土墻厚度h＝1.73m。

2）運用我國建筑結(jié)構(gòu)靜力計算理論公式進(jìn)行驗算，圓板中心所受最大彎曲應(yīng)力計算公式為：

式中：

μ——凍土泊松比，μ＝0.27。

將h＝1.73 m 代入可得σmax＝0.357 MPa＜1.8MPa。

3）沿槽壁開洞口周邊驗算加固體剪切應(yīng)力：

根據(jù)以上計算結(jié)果并結(jié)合以往的施工經(jīng)驗，盾構(gòu)始發(fā)洞口凍結(jié)壁厚度取h為3m，外圈維護(hù)凍結(jié)帷幕厚度取1.2m。

2.2 凍結(jié)范圍及凍結(jié)孔的布設(shè)

綜合考慮施工場地以及洞口埋深的影響，采用鹽水凍結(jié)加固的方法（見圖1）。設(shè)置凍結(jié)孔共53個：外圈31個凍結(jié)孔深度為12.8 m，進(jìn)入土層11m；內(nèi)圈凍結(jié)孔22個，深度為4.2 m，進(jìn)入土層3.4m。設(shè)置測溫孔9個：洞門外圈2個，每個孔內(nèi)布置5個測溫點，測點深度分別為0m、5m、4m、3m、2m；其余7個在洞門內(nèi)圈，每個孔內(nèi)布置3個測點，測點深度分別為3m、2m和1m。另外設(shè)置泄壓孔2個。凍結(jié)孔、測溫孔、泄壓孔立面布置如圖2所示。

圖1 凍結(jié)加固體剖面圖

圖2 凍結(jié)孔、測溫孔、泄壓孔立面布置圖

2.3 主要凍結(jié)施工參數(shù)

積極凍結(jié)期間鹽水去路溫度由－15℃逐步下降至－30℃，為了保證鹽水的順利流通，本工程鹽水采用CaCl2水溶液，含鹽量控制在20%左右。凍結(jié)孔偏斜率α≤1%，則可得盾構(gòu)進(jìn)洞加固外圈凍結(jié)孔最大間距Lmax＝1.1 m，內(nèi)圈最大孔間距為1.2m。根據(jù)工程經(jīng)驗，凍土平均發(fā)展速度v＝28mm／d，則加固凍土墻交圈時間t＝Lmax／2v＝22d，預(yù)計凍土墻達(dá)到設(shè)計強度的時間為35d。

3 凍結(jié)孔施工

凍結(jié)孔施工的關(guān)鍵，一是要控制凍結(jié)鉆孔的偏斜，二要確保凍結(jié)器安裝的密封性能達(dá)到質(zhì)量要求［3］。凍結(jié)孔施工較為復(fù)雜，其基本工序為：定位開孔及孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。鉆機選用MD－60A型錨桿鉆機，鉆機扭矩為3000N·m，推力25kN。凍結(jié)套管選用φ89mm×8mm 20＃低碳無縫鋼管，采用絲扣連接加焊接；測溫管采用φ63mm×3mm無縫鋼管。

4 實測冷凍效果分析

4.1 總?cè)セ芈窚囟确治?/h3>

凍結(jié)加固于2010年10月23日開鉆，12月15日正式開機凍結(jié)運轉(zhuǎn)。溫度監(jiān)測于12月20日開始，至12月26日鹽水溫度降到－20℃，至2011年1月6日鹽水溫度降到－25℃以下。圖3表示的是凍結(jié)去路、回路溫度變化以及去回路溫度差曲線。凍結(jié)的前14天，溫差維持在2℃，從第10天開始溫差變?yōu)?℃左右。說明開始階段土體溫度較高，溫度擴散較快，然后溫差逐步減小到最后穩(wěn)定，總體來說，冷凍管和土體之間進(jìn)行正常的熱交換。

圖3 鹽水去回路溫度及溫差圖

4.2 測溫孔溫度分析

圖4表示1號和4號測溫孔自2010年12月20號至2011年1月17號凍土體的溫度變化情況。隨著鹽水溫度的不斷降低和凍結(jié)時間的延續(xù)，凍結(jié)區(qū)土體的溫度也隨之下降，凍土埋深較深的地方凍結(jié)效果更好。由于槽壁與外界空氣有熱交換作用，故測點較淺處的凍土溫度下降相對較慢。

4.3 凍結(jié)壁厚度驗算

根據(jù)測溫孔資料，1號測溫孔1月11日全部降到0℃以下，此時凍結(jié)27d。該測溫孔距凍結(jié)孔最近距離800mm，則凍結(jié)發(fā)展速度為29.62mm／d。當(dāng)冷凍進(jìn)行到1月17號時，所有測點最高溫度為－6℃，最低溫度為－15.4℃；鹽水去路溫度為－30℃。本工程采用冷凍孔間最大間距為1.2m，冷凍結(jié)管內(nèi)徑為44.5mm。凍土柱半徑r2和凍結(jié)壁平均溫度采用《建井工程手冊》的公式進(jìn)行計算，然后根據(jù)凍土柱半徑和凍結(jié)管間距換算出凍結(jié)壁厚度［4］。

圖4 凍土溫度隨時間變化圖

式中：

T1——回路鹽水溫度；

r——測溫孔距凍結(jié)管的距離；

r1——凍結(jié)管內(nèi)半徑；

T——測溫孔溫度；

Toc——按零度邊界線計算的凍結(jié)壁平均溫度；

Tc——凍結(jié)壁平均溫度；

Tb——鹽水溫度，－29℃；

l——凍結(jié)孔最大間距1.2m；

E——外圈凍結(jié)壁厚度；

Tn——井幫凍結(jié)帷幕溫度，－5.2℃。

將實測結(jié)果和設(shè)計參數(shù)代入式（1）、（2）、（3），計算結(jié)果見表1。結(jié)果表明，凍結(jié)到1月17號時，凍土平均溫度和凍土墻厚度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計要求，具備了盾構(gòu)進(jìn)洞施工的要求。

表1 凍結(jié)參數(shù)實際值與設(shè)計值比較

4.4 現(xiàn)場探孔情況

根據(jù)凍土監(jiān)測情況，凍結(jié)溫度已達(dá)到設(shè)計溫度。按規(guī)范進(jìn)行鉆芯取樣，并對接收洞門進(jìn)行水平探孔（長2m以上且上、中、下部均有探孔）檢測。探孔后洞門無漏水現(xiàn)象，說明整體凍結(jié)效果較好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4.5 盾構(gòu)進(jìn)洞情況

施工過程中為安全起見，延長積極凍結(jié)一周后才正式開始盾構(gòu)進(jìn)洞。為保證盾構(gòu)進(jìn)洞時的安全和凍結(jié)加固不因時間暴露過長而融化，冷凍施工與盾構(gòu)進(jìn)洞施工相互協(xié)調(diào)配合，凍結(jié)區(qū)推進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格控制推進(jìn)速度和壓力。在盾構(gòu)進(jìn)洞過程中洞門四周基本處于干燥狀態(tài)，無漏水現(xiàn)象發(fā)生（如圖5），說明凍結(jié)起到了良好的效果。

圖5 盾構(gòu)進(jìn)洞效果圖

5 結(jié)語

針對天津地區(qū)土體含水量高、地層軟弱等特點，采用鹽水凍結(jié)加固技術(shù)能降低盾構(gòu)進(jìn)洞的風(fēng)險，為施工安全提供了保障。在冷凍施工過程中應(yīng)注意以下問題：

1）在破洞門第一層鋼筋混凝土?xí)r，冷凍管還在積極凍結(jié)階段，在破壁過程中要精心施工，不能損壞冷凍管、影響凍結(jié)施工。

2）由于洞門破壁時間較長，而且在拔冷凍管過程中使用熱水循環(huán)，可能出現(xiàn)化凍現(xiàn)象，故應(yīng)加強維持凍結(jié)，同時用PEF保溫板做好洞門破壁面的保溫工作。

3）盾構(gòu)機在工作過程要產(chǎn)生大量的熱量，并擴散到周邊土體，使凍土融化、土體承載力下降，容易造成盾構(gòu)機下沉。因此，盾構(gòu)在進(jìn)入杯狀凍結(jié)體后，應(yīng)盡快將盾構(gòu)機推出，以減少盾構(gòu)機在凍結(jié)體中的停留時間。

［1］郭瑞平.凍結(jié)法在地下工程施工中的應(yīng)用［J］.采礦技術(shù)，2007，7（2）：47.

［2］李宏安，何滿潮，雷軍，等.液氮凍結(jié)法在盾構(gòu)始發(fā)地層加固工程中的應(yīng)用［J］.市政技術(shù)，2008，26（6）：539.

［3］周曉敏，蘇立凡，賀長俊，等.北京地鐵隧道水平凍結(jié)法施工［J］.巖土工程學(xué)報，1999，21（3）：319.

［4］覃偉，楊平，金明，等.地鐵超長聯(lián)絡(luò)通道人工凍結(jié)法應(yīng)用與實測研究［J］.地下空間與工程學(xué)報，2010，6（5）：1065.