盾構進出洞全方位風險控制凍結加固技術

嵇 彭

(中煤第五建設有限公司上海分公司，上海 201900)

1 前言

在盾構進出洞施工中，人工凍結技術以其廣泛的適用性、良好的隔水性、對周圍環境無污染等特性越來越受到廣大建設者的青睞。凍結法可在涌水、流砂、淤泥、高水壓及高地壓等復雜不穩定地質條件下進行土體加固，其優勢尤為明顯。

在盾構進出洞凍結法土體加固施工中，我國最早引入的是垂直凍結。但在城市施工中，由于建筑林立、管網密布，地面時常無加固施工場地。2008年初，在上海軌道交通10號線中華路端頭井出洞土體加固中首次采用水平凍結解決了該類難題，經過多個工程的實踐，該項技術日趨成熟。但在含水量豐富的地層，特別是微承壓水、承壓水層的施工中，雖有外圈孔的維護凍結，但因盾構機刀盤外徑比盾構機殼略大(約20 mm)，推進過程中會形成微小空隙，仍常有少量水、沙涌出，與垂直凍結效果相似。

業界普遍認為，外圈凍結加固體套筒包裹盾構機本體越長，對控制盾構進出洞風險越有利。2008年底，在南京2號線集慶門盾構進洞工程施工中，由于地質條件復雜，將洞門中心線以下的凍結深度設計為6 m，效果較普通水平凍結得到明顯改善。

2 概述

全方位風險控制凍結加固技術基于使凍結加固體全方位包裹并超過盾構機本體，利用外圈凍結孔維護凍結，將盾構推進切削土體過程中形成的微小流水通道封閉。由于凍結加固體已全方位包裹盾構機本體，也為利用盾構機本體注漿提供了便利條件，可以在凍土與管片、凍土與盾構機外殼之間形成注漿封閉環箍，為防范風險再加一道防線。

實現全方位風險控制凍結加固主要需解決以下兩方面問題:

1)凍土與盾構機鋼構件殼體外表面凍著強度(剪切強度)。根據文獻［1］，在常見盾構進出洞場合，凍土表面正壓力在0．2～0．3 MPa，盾構體－凍土凍著面溫度經實測后，凍著強度(MPa)可從表1取值。

表1 凍著強度取值表Table 1 The table of Frozen bond strength

一般盾構機推力約為3000 t，地鐵盾構外徑6．34 m，假定鹽水凍結，盾構－凍土凍著面溫度也可達－10℃，按文獻最小值取凍著強度0．5 MPa，則計算實際凍深僅為3 m。按此理論全方位風險控制凍結加固無法實現，這也是全方位風險控制凍結加固技術一直未能投入工程實踐的主要原因。

2)水平凍結施工需在端頭井施工完成后進行，經常會出現端頭井洞門上方鋼筋混凝土中板、洞門兩側柱或側墻影響凍結布孔，普通水平凍結采用傾斜孔解決;全方位風險控制凍結加固水平凍結管較長，采用傾斜孔時終孔間距達不到全方位風險控制的要求。例如，南京地鐵2號線集慶門站進洞就采取了在地面布垂直凍結孔補充的辦法予以解決，若地面無鉆孔場地，6 m長的凍結深度水平凍結孔施工將無法完成。

對于問題1)，分析盾構機構造可知，盾構進出洞施工，盾構機刀盤切削土體推進，由于刀盤比殼體大約20 mm，切削土體過程中盾構機殼體與凍土間形成微小空隙，盾構機剛推進凍結套筒時殼體與凍土并非緊密凍著。

文獻［2］表明，凍土的形成過程就是土中水結冰將土顆粒膠結成整體的過程，水的結冰過程可分成以下幾個階段，如圖1所示。

圖1 水結冰過程的降溫曲線Fig．1 Process curve from water to ice

冷卻段:土體逐漸降溫至水的結冰溫度(冰點)。

過冷段:土體繼續降溫至水的冰點以下，自由水仍不結冰，呈現過冷現象。

突變段:部分水結冰放出潛熱，使溫度升高至接近冰點。

凍結段:土的溫度升至接近冰點溫度并穩定，土中逐漸放出結冰潛熱而結冰，逐漸形成凍土。

凍土降溫段:凍土溫度繼續降低，凍土強度逐漸增大使凍土中水結冰的邊緣向外擴展，或土全部凍結后繼續吸收冷量而降溫。

土的凍結溫度是判別土是否處于凍結狀態的指標。純水的結冰溫度是0℃，土中水分由于受到土顆粒表面能的束縛且含有化學物質，其結冰溫度均低于0℃。土的結冰溫度主要取決于土顆粒的礦物化學成分、土顆粒的分散度、土中水的化學成分和外加載荷。

全方位風險控制凍結加固，延長了盾構機推進過程中形成的微小水流通道，盾構機在凍土中的推進時間較長。凍結加固體包裹整個盾構機，且外圈凍結管在盾構機進出洞過程中一直進行維護凍結，為微小空隙中的水相變成冰創造了條件。只有當維護凍結使該微小空隙中水土回凍成凍土后，凍土與殼體才能緊密凍著，而空隙中水土回凍正是全方位風險控制凍結加固所需要的。為避免盾構機外殼與凍土在過低溫度下緊密凍著，需在盾構進出洞過程中，對殼體溫度進行實時監測(可采用工業紅外測溫儀)，使溫度不低于－3℃，并備好熱發生器。

問題2)的解決現在較為簡單，用專利產品長距離水平鉆孔防噴接駁器(專利號:ZL200920273136．4)將鉆孔施工向外延伸，使施工具備足夠的場地，保證凍結孔的水平鉆進。

以上內容證明，全方位凍結加固技術在實際盾構進出洞施工中是可以實現的。在上海軌道交通10號線曲陽路盾構進洞及四川北路盾構進洞等多項端頭井土體加固工程中采用全方位風險控制凍結加固技術，凍結土體全方位保護盾構機，有效控制了盾構進出洞的施工風險，所加固的土體在盾構進出洞過程中滴水不漏、安全可靠。

3 工程實例

3．1 工程概況

全方位風險控制凍結加固技術首次用于上海軌道交通10號線5標溧陽路站—曲陽路站區間曲陽路進洞施工，區間隧道采用盾構法施工，盾構機本體長7．9 m。曲陽路站南端頭井地面標高+4．50 m，隧道中心埋深－8．749 m。上、下行線盾構進洞接收處的洞門土體已進行攪拌樁加固，并在加固體與地連墻之間施工旋噴樁封閉止水。但由于豐富含水層的存在以及攪拌樁、旋噴樁對該類地質條件適應性差，上、下行線進洞各開樣洞9個，樣洞入土不小于300 mm，均存在不同程度的出水、出砂現象(見圖2)。為確保盾構進洞的安全，必須對上、下行線盾構進洞土體采取其他方式進行第二次加固。

圖2 樣洞滲漏水情況示意圖Fig．2 Diagram in the case of water leakage in the sample hole

3．2 地質概況

該段地層地質條件復雜，如圖3所示，盾構進洞段穿越的土層主要為②3砂質粉土，④灰色淤泥質粘土，下部與⑤1－1灰色粘土層貼近，其中②3砂質粉土為豐富含水層。

3．3 風險分析及應對措施

3．3．1 進洞風險

施工點地處繁華地帶，周邊建筑物眾多，地下有通信、煤氣等管線，攪拌樁、旋噴樁加固完成后地面道路已恢復。進洞處地質條件復雜，一旦進洞失敗，經濟損失和社會影響都較大。

應對措施:采用全方位風險控制凍結加固技術控制進洞風險，使凍結加固體全方位保護盾構機。

圖3 曲陽路南端頭井地質剖面圖Fig．3 Geological profile of the well at the southern end of Quyang road

3．3．2 盾構機風險

盾構機刀盤比殼體略大20 mm，切削凍土時有微小空隙可以形成流水通道(見圖4)，當盾構機推出凍土加固區后，豐富含水層中的水、沙可通過流水通道迅速涌出，沖刷凍土，處理不當會有較大風險。

圖4 盾構機推進過程中形成微小流水通道示意圖Fig．4 Diagram of tiny fluid channel formed during shield driving

應對措施:采用全方位風險控制凍結加固技術，在盾構機進洞過程中不拔除外圈凍結管，繼續維護凍結，加長外圈凍結管入土長度，使盾構機在凍結套筒內的推進距離延長，利用維護凍結的冷量封閉微小流水通道，從根本上控制盾構機本身造成的進洞風險。

3．3．3 鉆孔風險

曲陽路南端頭井已施工完成(見圖5)，洞門圈上部約185 mm處有厚740 mm、長8．45 m(下行線3．27 m)的鋼筋混凝土中板，制約了外圈凍結孔的布置，如采用傾斜孔則終孔間距過大，終孔處不能交圈;豐富含水層的存在使水平鉆孔極其容易產生噴水、涌沙的風險。

應對措施:全方位風險控制凍結加固技術要求外圈水平凍結孔入土深并保持水平鉆進，鉆進過程中需有效防止噴水、涌砂現象的發生，盡量避免對地面環境的影響。使用如圖6所示的長距離水平鉆孔防噴接駁器(專利號:ZL200920273136．4)能夠簡單有效地控制鉆孔風險。

圖5 曲陽路南端頭井實況Fig．5 the site of the well at the southern end of Quyang road

3．4 總體方案及主要凍結參數

綜合考慮各種因素，為了達到全方位風險控制目標，總體方案確定為“全方位風險控制凍結加固”，即在普通水平凍結的基礎上，延長外圈凍結管長度，使外圈凍結加固體套筒包裹并超過整個盾構機本體，利用維護凍結使盾構機刀盤與殼體之間微小流水通道中的水及泥沙相變為冰，封閉流水通道，全方位防控進洞風險。

3．4．1 凍結加固體厚度h的確定

設計選用凍土墻，平均溫度為－10℃，根據《上海地區人工凍土熱物理參數試驗研究報告》［2］，綜合選取凍土物理力學參數。洞口采取板狀凍結方式加固，外圈采取包裹盾構機本體全長凍結套筒。板塊狀凍結加固體在盾構進洞破壁時，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，凍結套筒起封閉微小流水通道的作用，確保進洞安全。

通過計算，凍結加固體板塊厚度取2．29 m完全滿足上海市工程建設規范《旁通道凍結法技術規程》［3］的要求，根據凍結孔布置原則，外圈套筒凍結加固體厚度取1．6 m。

3．4．2 凍結孔設計

凍結孔設計應兼顧工期和施工方便，每個洞門設凍結孔57個，分4圈設置，其中外圈32個，內圈3個共25個，如圖7所示。外圈凍結孔起到包裹盾構機全長、全方位控制進洞風險的目的，設計入土深度10 m;內圈凍結孔根據計算取入土2．3 m;設測溫孔6個，孔深同凍結管。凍結管選用 φ89 mm×8 mm的20#低碳無縫鋼管，連接采用絲扣加焊接;測溫管采用φ50 mm×3 mm的20#低碳無縫鋼管。

3．4．3 主要凍結施工參數

主要凍結施工參數有:a．積極期鹽水溫度－30～－25℃;b．凍結孔偏斜率β≤1%;c．盾構進洞加固凍結孔外圈最大終孔間距Lmax=lmax+2βH=1．1 m，內圈最大孔間距為 1．2 m;d．盾構進洞加固凍土平均發展速度v=28 mm/d;e．盾構進洞加固凍土墻交圈時間T=Lmax/2v=22 d;f．盾構進洞加固凍土墻達到設計強度的時間為35 d;g．冷凝溫度35℃。

3．5 實施

3．5．1 實施流程

進場后，凍結站安裝與鉆孔施工同時進行，鉆孔施工結束即可進行凍結器安裝，開啟冷凍機對土體進行凍結加固。

根據測溫數據，利用《簡明建井工程手冊》［4］中的公式進行計算，確定凍結帷幕交圈、凍土與槽壁完全膠結并達到設計強度后，盾構推進到離圓柱凍土墻1 m處，停止推進，開始破除洞口槽壁，直至槽壁最后一層鋼筋混凝土(不少于300 mm)，再將洞口內凍結管拔出，槽壁完全破除，實施盾構進洞推進。具體施工工藝如圖8所示。

3．5．2 鉆孔施工

水平凍結孔施工，根據工況條件選用MD-60A錨桿鉆機進行施工，凍結管連接采用絲扣加焊接方式，鉆孔使用燈光測斜，與錨桿鉆機配套選用泥漿泵1臺。

鉆孔施工工序為定位開孔及孔口管安裝→安裝長距離水平鉆孔接駁器→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。

施工中注意，嚴格控制開孔精度，從源頭上保證鉆孔偏斜率在設計范圍內;防噴裝置及長距離水平鉆孔防噴接駁器安裝牢固，不少于4根膨脹螺栓與地連墻聯接;帶水鉆進過程中控制好出砂量，如流出泥沙體積大于凍結孔體積，立即注單液漿或水泥－水玻璃雙液漿補償，保證地面安全;鉆孔完成后及時測斜、測深，超過設計要求時需補打鉆孔，使凍結孔間距、孔深滿足設計要求;試壓不合格的凍結孔采用下套管的方式處理，以滿足設計的要求。為避免鉆桿在長距離水平鉆孔防噴接駁器內擺動碰撞接駁器壁，對鉆桿連接部位的焊縫造成影響，開鉆前用優質粘土充填接駁器。

3．5．3 冷凍站設計安裝

圖8 實施流程圖Fig．8 Flow diagram tree

計算盾構進洞需冷量為3．97×104cal/h(1 cal=4．186 J)。根據需冷量選擇冷凍設備，同時配套計算選用鹽水泵、清水泵、冷卻塔。冷凍站主要設備、材料:a．冷凍機選用W-YSLGF300III型螺桿機組;b．鹽水泵選用IS-150-125型水泵;c．清水泵選用IS-150-125型水泵;d．2臺NBL-50型冷卻水塔;e．鹽水干管和集配液圈選用φ159 mm×6 mm的20#低碳無縫鋼管;f．冷卻水管選用 φ127 mm ×4．5 mm 的20#低碳無縫鋼管;g．選用N46冷凍機油;h．制冷劑選用氟利昂R-22;i．冷媒劑選用氯化鈣溶液;j．用電負荷為250 kVA。a～c均需安裝備用機。

冷凍站安裝在二層平臺上，不占用地面場地。冷凍系統安裝完成需進行打壓試漏、氮氣沖洗、首次充氟、加冷凍機油、開機試運轉等工作。

3．5．4 凍結效果的監測及完成的參數指標

凍結效果的監測及完成的參數指標為:a．鹽水去回路溫差不大于－2℃;b．各孔組溫差不大于－1．2℃，鹽水流量≥5 m3;c．鹽水溫度降至－28℃以下;d．積極凍結時間要達到設計值;e．凍結過程中無斷管和鹽水漏失，如有應經分析論證確認;f．選擇合理測溫孔測點溫度，計算凍結擴展及使平均溫度達到設計值;g．打探孔無水，且探孔內溫度在－0℃以下已結冰。

監測資料及計算結果表明，經過35 d的積極凍結，凍結效果達到并超過了設計要求，盾構機安全、順利完成進洞，整個進洞過程滴水不漏。

4 結語

1)多項工程施工實踐證明，在涌水、流砂、淤泥、高水壓及高地壓等復雜不穩定地層進行盾構進出洞施工，全方位風險控制凍結加固技術優勢較為明顯，安全可靠，是控制復雜不穩定地層進出洞風險的又一種有效方法。

2)與普通水平凍結加固相比，全方位風險控制凍結加固技術只是增加了外圈凍結管的長度，防控風險能力得到較大的提高，減少了聚氨酯等輔助應急措施的應用，綜合造價沒有明顯提高。

3)全方位風險控制凍結加固技術延長了盾構機本身形成的流水通道，利用維護凍結使微小流水通道中的水相變成冰，操作簡單，施工方便，易于推廣。

［1］吉田輝，上本勝廣，吉川正．凍著強度試驗方法［C］．地盤工學研究發布會發表講演集，2003:339-340．

［2］中國礦業大學，同濟大學，北京中煤礦山工程有限公司，等．上海地區人工凍土熱物理參數試驗研究報告［R］，2008．

［3］上海市建設和交通委員會．DG/TJ08－902－2006上海市工程建設規范旁通道凍結法技術規程．

［4］崔云龍，等．簡明建井工程手冊［M］．北京:煤炭工業出版社，2000．