談凍結法在盾構進洞中的應用

蔣 卓

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北燕郊 065201)

0 引言

凍結技術施工起源于19世紀80年代的德國，由德國著名工程師波茨舒創造并獲得了專利，后被世界各國廣泛地應用，直到20世紀50年代此項技術才傳播到我國。但在國內發展速度卻非常快，現已發展成為我國工程領域通過不穩定沖積層和裂隙含水層的主要施工方法。本文將主要介紹凍結法施工組織及凍結原理，旨在解決盾構始發過程中土體坍塌、漏水等問題。同時為盾構始發后調整姿態創造條件，以防止盾構上仰、覆土失穩、地表隆沉等問題發生。

1 凍結法原理及優勢

凍結法是用冷卻的手段使地層中的地下水凍結成冰，結冰后地層的強度大為提高，且地下水不再流動，這種加固地層的方法為凍結法。

本文中選用的是鹽水凍結法。其是用冷凍機使鹽水(不凍溶液)在冷卻器中冷卻，并使鹽水預埋在地中(預凍結位置)的凍結管內循環，最后使土體發生凍結。

凍結法有如下優點:

1)加固效果好，封水效果明顯。2)凍土在達到設計溫度時，凍土的抗壓強度、抗剪強度和抗拉強度等力學特性有明顯的提高。3)適應性廣。4)凍結工程施工最大的優點是鉆孔時有少量的泥漿排出，凍結過程不向地層注入任何有害物質，是一種“綠色”施工方法。5)凍結加固土體均勻，整體性好。6)凍結施工在正常運轉期間，一般每班只需要6名～8名操作人員，節約了大量勞動力。7)占用施工場地小。8)隨著凍結法施工在國內應用越來越廣泛，凍結技術也日臻成熟，凍土墻加固施工成本已大幅降低，據估算，當加固體體積滿足5000 m3時，造價接近地下連續墻，當加固體體積超過20000 m3時，同其他加固方式在經濟方面具有競爭性。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 主要施工方法及操作要點

2.1.1 凍結施工參數

加固體厚度，根據以前施工的盾構接收凍結加固施工經驗，為安全起見，加固體厚度取2.5 m進行校核。

凍結壁厚度取2.5 m時，抗剪切應力安全系數為7.5(凍土抗剪強度/剪切應力τ)，凍土彎拉強度安全系數為2.73，其在2.5 m時即滿足要求。其他具體參數見表1。

表1 主要凍結施工參數一覽表

2.1.2 凍結孔的布置

1)根據凍結帷幕設計，凍結孔布置為近水平角度，沿φ7.5 m開洞口圓形布置，孔間距0.76 m(弧長)，1號孔～31號孔長度為11 m(不包括凍圈混凝土厚度)。

板塊凍結孔沿開洞口φ5.1 m，φ2.7 m圓形布置，開孔間距為1.14 m ～1.21 m(弧長)，凍結孔數21 個，凍結孔長度為3.0 m(不包括凍圈混凝土厚度);開洞口中心布設1個凍結孔，凍結孔長度為3.0 m。

2)凍結孔施工工序見圖1。

圖1 凍結孔施工工藝流程圖

a.定位開孔及孔口管安裝。精確定位孔位后用鉆孔設備(配金剛石鉆頭取芯)按設計角度鉆挖，孔直徑0.15 m，鉆孔深度達到6 m時安裝孔口管。孔口處鑿平，孔口管的魚鱗扣上纏好麻絲、涂抹密封物后裝入φ0.15 m孔內并用膨脹螺栓將其孔口部位緊固。安裝DN150閘閥，再將鉆孔設備伸進閘閥內，鉆挖直徑為0.112 m的孔，一直將混凝土墻打穿，如遇水砂流量大，及時關閉閘門。

b.孔口密封裝置安裝。孔口密封裝置采用螺栓固定，密封墊片是此環節的重點。

c.鉆孔。按照孔位調整鉆機的角度位置，并加以固定，防止在鉆進過程中鉆機位移而影響鉆孔的精確度。在孔口裝置上安裝旁通閥，固定密封裝置。選用MD-50型錨桿鉆機，扭矩2000 N·m，推力17 kN。先采用無泥漿式鉆進，當鉆至無明顯進尺時，即可采用泥漿式鉆進，并將旁通閥打開，觀察出水、出砂情況。凍結孔剖面示意圖見圖2。

d.測斜。成孔后即可進行測斜。偏斜率控制在1%以內，不宜內偏，最大終孔間距不大于150 mm。測斜一般采用經緯儀進行測量。

e.密封試驗。凍結管密封試驗是將成孔管內注水進行壓力控制。試驗壓力控制在0.8 MPa，30 min內壓力無變化即為合格。

圖2 凍結孔剖面示意圖

2.1.3 測溫孔、泄壓孔布置

測溫孔數量共布置有11個，3 m深，主要目的是掌握凍結帷幕范圍不同部位的溫度狀況，便于及時制定管控措施，保證安全施工。泄壓孔共布置有9個，6.5 m深，孔間距1.5 m，主要是起到泄壓的作用。測溫管以及泄壓管選用φ32無縫鋼管。具體見圖3。

圖3 凍結孔平面布置圖

2.2 凍結制冷系統安裝

1)制冷設備安裝見制冷系統安裝流程圖(見圖4)。

2)凍結站管路安裝見凍結站管路安裝流程圖(見圖5)。

2.3 積極凍結與停止凍結

2.3.1 凍結系統試運轉與積極凍結

設備在調試運轉階段時，要根據工藝規程和相關設計要求隨時調節壓力、溫度等各狀態參數。在凍結過程中，對鹽水溫度、鹽水流量和凍土墻擴展等情況進行實時監測。確定運轉正常后即進入積極凍結，一周內鹽水溫度降至－25℃以下。

圖4 制冷系統安裝流程圖

圖5 凍結站管路安裝流程圖

2.3.2 停止凍結

當凍土墻平均溫度和厚度達到設計值，并且凍土墻與地連墻界面溫度不高于－5℃時，即可進行洞門破除。進行破除作業時，密切注意凍結管的位置，避免因破除作業誤將凍結管破壞。如一旦發現凍結管漏鹽水，及時關閉該凍結器。

2.4 拔凍結管

利用熱鹽水循環的方式拔出凍結管即利用流量為10 m3/h鹽水泵循環鹽水(見圖6)，先用30℃ ～40℃的鹽水循環5 min左右，然后用60℃ ～80℃的鹽水循環30 min～50 min左右，當回路鹽水溫度上升到25℃ ～30℃時，持續30 min即可進行邊循環邊試拔。

圖6 鹽水循環示意圖

1)起拔。利用兩臺10 t的千斤頂進行試拔，先拔出至40 cm～60 cm，熱鹽水循環停止，排除管內鹽水后拔出凍結管。凍結管不能硬拔，如拔不動時，要繼續循環熱鹽水解凍，直至拔起凍結管。拔管過程中凍結管與掛鉤保持在同一平面上，不得左右偏移并保持邊轉邊拔。

2)拔管順序。a.拔管要在盾構進入口內，且安裝好密封裝置后進行，盾構頭部距凍土墻不小于0.2 m，以防影響拔管。b.在隧道范圍內所有凍結管全部拔出后，盾構方可開始推進，防止盾構推進損壞凍結管，使其無法拔出。c.先拔第一、二排凍結管，不需完全解凍，凍結管拔至盾構上方，用鋼管將其連接成網格，防止下沉，重新連接凍結系統繼續凍結，防止盾構推進過程中漿液從融化的凍結孔中溢出。d.第三排凍結管，用于強制解凍，待凍土平均溫度滿足盾構推進時拔除該排凍結管至盾構上方，重新凍結。e.盾構穿過最后一道凍土墻后拔除洞口兩側的凍結管并進行充填。

2.5 盾構進洞準備

2.5.1 溫度控制

通過測溫手段確定盾構外周的凍土溫度不低于－5℃并接近0℃，能保證水呈固態為宜(此時凍土抗剪強度不高于1 MPa，所需總推力不大于3000 t)時，即可進行盾構進洞始發施工。

2.5.2 打設探孔

待凍結帷幕達到設計厚度及強度且破壁剩余厚度在350 mm左右時，即在洞門圈上布置探孔，探孔布置在相鄰測溫孔中間，探孔大小及深度可根據現場實際情況確定。完成探孔后用電錘擊穿探孔內壁，探入凍土內10 cm～15 cm。采用高精度的溫度計或測溫儀進行量測，判斷凍土與槽壁的膠結情況。

2.5.3 槽壁鑿除

若探孔實測溫度低于－2℃時即說明凍土與槽壁的膠結良好，便可拔管，采用分層分塊的形式破除全部槽壁。破壁作業必須在其融化前快速完成。

3 各項事故處置方案和處理程序

3.1 拔斷凍結管

拔除始發口前方的凍結管時，嚴格按照拔凍結管方法和步驟執行，拔管過程應當注意以下幾點:

1)拔管前進行化凍試驗，確定合理的化凍時間，盡量在較短時間內完成拔管。2)起拔凍結管合理控制起拔力，防止斷管發生。3)拔管后立即用粘土或低標號水泥砂漿封孔。4)盾構機始發穿越凍土墻時需連續作業，不能停頓，盡量避免凍住機頭事件發生。

3.2 盾構機頭被凍結

1)盾構推進前，在機頭刀盤內充鹽水進行預防。2)在盾構通過凍土墻時避免推進停頓。3)一旦盾構機頭被凍結，可在機頭內用鍋爐加熱化凍。

3.3 盾構始發地層沉降、塌陷

1)監測始發口上方的地層沉降和地連墻位移。根據經驗，地表融沉的水平影響距離約15 m，并定期巡查地面和構筑物是否有變形、開裂情況發生。

2)如發現地層沉降超過規定值，立即利用凍結孔上方的卸壓孔進行注漿控制和補償變形。施工地面準備水泥—水玻璃等注漿材料和注漿設備。

3)如發現地面嚴重塌陷，立即撤離附近設備和人員，并用砂土充填塌陷區。

3.4 凍結管鹽水滲漏

1)在始發口打探孔取樣化驗土的含鹽量及凍結強度，證明凍土墻強度達到設計要求后再盾構始發。2)發生凍結管滲漏鹽水時，需及時找出該凍結管并停止供應鹽水。

4 結語

凍結法在盾構進洞的成功應用，解決了以往采用攪拌樁、注漿、旋噴等方法加固的土體不均勻且局部薄弱帶不能封堵壓力泥漿的弱點，凍結法形成的凍土墻均勻性好、強度高、防水性能好，特別適合于地質條件復雜地段的土體加固，并能產生很好的經濟效益。

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