免拔管水平凍結技術在盾構進出洞地基加固中的應用

張云鵬

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市201707）

0 引言

盾構法施工是城市軌道交通建設中常用的施工方法之一。盾構進（出）洞的施工過程中，需要預先對工作井基坑圍護結構外側一定范圍內的含水土層進行加固，使之具有一定的強度和封水性。這樣，盾構機在進（出）洞時能夠確保不會出現地層漏水、涌砂、坍塌等問題。凍結法地基加固形成的凍結壁在盾構進（出）洞過程中起到封水、擋土的作用，人工凍結施工中的凍結管采用的通常是低碳無縫鋼管。低碳無縫鋼管具有較好的力學性能，能滿足凍結施工要求[1]。但是，在城市軌道交通隧道施工中使用的盾構機多適應在軟土地層中掘進，刀盤不能切割打入土體的低碳無縫鋼質凍結管，需要拔除盾構掘進線路上的低碳無縫鋼質凍結管；而采用PVC管作為鹽水凍結管，因其強度低易破碎，在盾構進（出）洞時不用拔除，可以直接推進，避免拔管時可能出現的斷管、涌水、涌沙等危害，提高盾構進（出）洞的安全性、可靠性。

1 工程概況

上海軌道交通17號線工程主要位于上海市青浦區，線路走向為滬青平公路—淀山湖大道—盈港路—崧澤大道—諸陸東路，全長35.30km，如圖1所示。本文以上海軌道交通17號線9標“西段盾構工作井—淀山湖大道站”盾構區間為例研究總結免拔管凍結技術的實踐應用。盾構將在淀山湖大道站西端頭井下行線完成接收，在淀山湖大道站其他3個洞門完成始發，如圖2所示。洞門圈直徑7.1m，東西端頭井地面標高、車站與區間分界里程、洞門中心標高詳見表1。

圖1 擬建工程地理位置示意圖

圖2 工程籌劃示意圖

表1 淀山湖大道站端頭井始發及接收一覽表

盾構進（出）洞采用“水泥系+凍結法”相結合的地基加固工法。水泥系加固范圍沿地下連續墻方向28.24m，沿隧道方向上、下行線均為10m，豎直方向洞門圈上部3m、下部6m。凍結法是水泥系地基加固的輔助措施，采用PVC免拔管凍結技術[2]。

2 地質條件

盾構進（出）洞涉及范圍內的土層自上而下主要為：⑥1-2粉質黏土、⑥3粉質黏土、⑥3t黏質粉土。其中，⑥3t黏質粉土層為承壓含水層。盾構進（出）洞范圍與土層的關系如圖3所示。

圖3 土層特征表

3 凍結設計

3.1 凍結帷幕的形式

在盾構始發洞口周圍地層中采用布設水平凍結孔的加固方法，使之在始發洞口的外側形成一道與工作井圍護結構緊貼的凍土墻，用于抵擋土層側壓力、地下水和防止泥沙進入隧道出洞口，確保盾構始發安全、順利。

根據經驗和相關計算，盾構進（出）洞外圈凍結壁有效厚度為1.4m即滿足要求，實際設計采用杯型凍結板塊設計，外圈凍土帷幕有效厚度1.6m，內圈凍土帷幕有效厚度2.5m，凍結壁設計平均溫度不大于-10℃。由于PVC管的強度、導熱性、連接方式與鋼管存在差異，凍結設計依據PVC管的物理力學參數，確定合理的布孔方式和凍孔間距。

3.2 凍結孔的布置與凍結帷幕的形成

根據凍結設計，采用水平免拔管凍結技術。PVC管與鋼管的導熱系數相差甚遠，PVC管的導熱系數較低，根據其實際的導熱能力，為確保盾構始發時凍土帷幕的強度能夠滿足設計要求，積極的凍結周期確定為40~45d。以單個洞門凍結加固為例，因洞門外圈不影響盾構的出洞，所以，凍結管采用低碳無縫鋼管，設計為一圈共31個凍結孔；出（進）洞凍結加固總深為5.4（6.4）m，入土深度為4（5）m。洞門內圈的凍結管采用PVC管，設計為四圈共32個凍結孔，凍結孔最大、最小開孔間距分別為1170mm和700mm，入土深度分別為3.3m、2.5m。凍結孔布置如圖4、圖5所示。凍土帷幕的發展速度取14mm/d，積極凍結的時間40~45d后方可破盾構洞門。此時，凍土墻厚度為1.4m，能滿足設計要求[3]。

圖4 盾構出洞水平凍結孔布置圖

圖5 盾構出洞水平凍結孔剖面圖

3.3 測溫孔的設置

單個洞門共有10個溫度測孔，其中C1～C3孔與外圈凍結孔的距離為750mm，C4和C5孔位于洞門內第4圈凍結孔與洞門外圈凍結孔之間，C6和C7孔位于洞門內第3圈凍結孔F組上，C8孔位于洞門內第2圈凍結孔和第1圈凍結孔之間，C9孔位于洞門內第2圈凍結孔E組上，C10孔位于洞門內第1圈凍結孔D組上。C1～C3測溫孔內部設置兩個溫度測點，測點深度分別布設在1500mm和5300mm處；C4～C10測溫孔內部設置兩個溫度測點，測點深度分別在900mm處和3200mm處[4]。

3.4 凍結主要設計參數

洞門外圈水平凍結管選用Φ89×8mm低碳無縫鋼管[5]，采用焊接方式進行凍結管的連接；洞門內圈選用Φ90×7mmPVC管，采用黏接方式進行凍結管的連接。供液管采用Φ48×4mm聚乙烯軟管。其他凍結參數詳見表2。

表2 淀山湖大道站端頭井水平凍結設計參數一覽表

4 PVC免拔管凍結地基加固的優勢

本工程在盾構始發凍結設計中采用PVC管作為凍結管，重量輕、耐腐蝕性較好，拼接方式為黏結和法蘭連接，操作方便簡單、連接可靠。凍結完成后無須拔除凍結管，可以節省盾構進（出）洞的時間，盾構機可以直接切割凍結管，避免拔管時可能出現的斷管、冒水、涌沙等危害，提高盾構進（出）洞的可靠性和安全性。

5 PVC免拔凍結管施工工藝與管理

5.1 施工工藝

施工工藝如圖6所示。

圖6 PVC免拔管凍結施工工藝圖

5.2 施工管理

PVC免拔凍結管施工工序為：定位開孔與安裝孔口管→安裝孔口密封裝置→鉆孔→安裝PVC凍結管→測斜→壓力試驗→羊角安裝。

5.2.1 定位開孔與安裝孔口管

根據設計文件，在圍護結構上測量放樣好每個孔的位置。孔位確定無誤后，使用直徑為121mm配金剛石鉆頭的開孔器按設計角度開孔。當鉆孔深度達要求時停止取芯鉆進，安裝孔口管和壓緊裝置。孔口管安裝方法為：首先，鑿平孔口部位，安裝好4個膨脹螺栓；其次，將麻絲纏繞在孔口管的魚鱗扣上，并抹密封材料后將孔口管打入孔內，用膨脹螺絲擰緊后安裝閘閥。孔口管安裝完成后，將閘閥打開，使用直徑為96mm配金剛石鉆頭的開孔器從閘閥內繼續開孔，將混凝土內襯墻和地下連續墻鉆透。如果遇到地層內的水和沙大量流出，應立即關閉閥門。為保護PVC凍結管在洞門鑿除的過程中不被鑿破，孔口管采用加長設計，穿透整個地墻，如圖7所示。

圖7 孔口管加長設計

5.2.2 安裝孔口密封裝置

在閘閥上安裝將孔口密封裝置，并裝好密封墊片，詳圖如圖8所示。

圖8 孔口密封裝置

5.2.3 凍結孔鉆孔施工

按設計文件的要求調整好鉆機俯仰角和方位角并安裝牢固，將旁通閥安裝在孔口裝置上并固定密封裝置。使用SDHV-4型鉆機，鉆機的扭矩為2000N·M，推力17kN。使用89mm凍結管作為鉆桿鉆進，首先，采取污泥漿的鉆進工藝，當無泥漿鉆進不進尺時，調整為泥漿鉆進工藝，同時打開孔口裝置上旁通閥門，觀察出沙、出水情況，直到鉆達設計孔深。開孔段鉆進是保證鉆孔精度的關鍵，因此，凍結孔前5m鉆進時，應反復校核鉆桿鉆進的垂直度，通過鉆機位置調整、減壓鉆進等措施，確保滿足設計和規范要求[6]。

5.2.4 PVC凍結管安裝

凍結孔鉆至設計深度后安裝PVC凍結管，PVC凍結管安裝入鉆孔內以前，應按設計參數預先配管。PVC凍結管黏接時，膠水涂抹應飽滿且均勻。

5.2.4.1 PVC凍結管黏結前的準備[2]

（1）下料。按設計要求測量PVC管的長度并做好標識，使用切割機切斷管道。

（2）倒角。使用角磨機對PVC管的管端切口進行磨邊倒角，打磨成2~3mm的倒角，避免黏結膠水被刮入承口內，避免人為施工不當造成管道黏結部位泄露。

（3）打磨。使用砂紙對兩黏結面進行打磨，保證管道的黏結質量；根據管道尺寸確定打磨黏結面長度為60~70mm，不能過小，也不能過大。

（4）清潔。應將兩黏結面擦拭干凈，必須使用清潔劑對舊管件的黏結面進行有效清洗。

5.2.4.2 PVC凍結管的黏結

首先，在待黏結的管件內將膠水涂抹均勻。其次，在距管道端口長約1cm的黏結面均勻涂一層厚膠水，在距管道端口約1~4cm黏結面均勻地涂一層薄膠水。最后，將PVC管順著同一方向輕輕旋轉1/4圈插入管件，使膠水均勻分布，完全插入后需要固定25min。

5.2.4.3 PVC凍結管的安裝

為確保PVC管安裝順利，可利用緩慢勻速鉆進頂進方法將PVC管擠壓安裝入凍結孔。測溫孔的施工方法、要求與凍結孔相同。

5.2.5 PVC凍結管的測斜

安裝好凍結管后，使用經緯儀并結合燈光對每個完成的孔進行測斜，并對凍結孔深度進行復測，偏斜率應不大于1%，不宜內偏，終孔最大間距不大于150mm。

5.2.6 PVC凍結管的打壓測試

PVC凍結管安裝完成且凍結管長度、偏斜檢測合格后進行壓力試驗，如圖9所示。PVC凍結管檢測壓力應控制在0.7~1.0MP之間，壓力值穩定30min且未發生變化，則確定為打壓試驗合格[4]。

圖9 PVC管打壓連接方式

5.2.7 PVC凍結管羊角安裝

首先，在凍結管內安裝供液管。然后，安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。為確保進、回液管連接的空間充足，在PVC法蘭盤外安裝一小段鋼管，PVC凍結管按并聯的模式連接至集配液圈，為凍結期間觀察和控制每根凍結管的鹽水循環提供便利。

5.2.8 積極凍結和維持凍結

5.2.8.1 凍結系統試運轉與積極凍結

冷凍機組安裝完成后，應組織有關人員對機組開展調試和試運轉工作。在試運轉期間，應通過壓力、溫度等參數的調節，使冷凍機組的運行滿足設計的要求和規范的規定。在凍結過程中，定期檢測鹽水的流量、鹽水的溫度和凍結帷幕發展情況，根據需要調整凍結系統的運行參數。凍結系統運行正常后即為積極凍結階段。

積極凍結階段為凍結帷幕的形成階段，單個凍結孔流量達到3～5m3/h。積極凍結7d后，鹽水溫度已降至-18℃以下；積極凍結15d后，鹽水溫度已降至-24℃以下。積極凍結期，鹽水溫度最終達到-28～-30℃，去、回路溫差小于2℃，凍結時間不小于45d。

5.2.8.2 維護凍結

在積極凍結期間，應根據測溫數據判斷凍結帷幕能否交圈、是否達到設計厚度，同時監測混凝土墻與凍結帷幕的膠結情況，根據測溫數據推斷凍結帷幕已經交圈，凍土帷幕已達到設計厚度且與工作井圍護結構完全膠結后，可進入維護凍結階段。維護凍結期間溫度為-25～-28℃，直至盾構機出洞完成[3]。

5.2.9 凍結效果

淀山湖大道站盾構始發水平凍結地基加固工程于2015年11月28日開始進行凍結孔施工。PVC凍結管經過鉆孔、安裝、調試等施工階段后，2015年12月5日鉆孔施工結束。2015年12月7日進入積極凍結期，經過44d的積極凍結時間，鹽水去路溫度降至-29℃，鹽水回路溫度降至-28℃，鹽水的去、回路溫度和溫差符合設計和施工規范要求。

5.2.9.1 外圈凍結帷幕的厚度

凍結帷幕的溫度發展可以簡化為穩態溫度場，詳見公式1，可以由測溫孔的溫度來推算凍結帷幕的厚度：

式中：T為凍土溫度，℃；T1為凍結管內鹽水溫度，℃；r、r1、r2分別為凍結柱內任意點至凍結管中心距離、凍結管半徑和凍土柱的外半徑，m[7]。

根據洞門圈外部C1～C3測溫孔的實測溫度值，可以利用公式法推算洞門外圈凍土帷幕厚度的最小值大于1.6m，滿足設計要求。（溫度取值2016年1月19日7:00）

表3 外圈帷幕C1～C3測溫孔實測溫度值

5.2.9.2 內圈凍結帷幕的厚度

根據洞門圈內部C4～C10測溫孔的實測溫度值，可以利用公式法推算洞門圈內凍土帷幕厚度的最小值大于2.7m，大于2.5m的設計值，滿足設計要求。所有測點溫度均已降至0℃以下，洞圈前端土體已凍結密實并形成板塊。（溫度取值2016年1月19日早7:00）

表4 洞門圈內部C4～C10測溫孔實測溫度值

5.2.9.3 圖解法計算平均溫度

繪制“溫度”與“測溫孔至凍結孔中心線距離”的關系曲線圖，縱坐標為溫度值，橫坐標為測溫孔至凍結孔中心線距離，如圖10所示。從洞門中心開始，分別將C10與第一圈凍結管中心線的距離、C9與第一圈和第三圈的距離、C6與第二圈和第四圈的距離、C4與第四圈和外圈的距離繪制在橫坐標上，將C10、C9、C6、C4的溫度值和凍結管的溫度值繪制在相應的縱坐標上，凍結帷幕有效厚度取值為2400mm，形成的積分面積為38080mm2，洞門內圈測點深度為3200mm，按積分面積法計算凍土帷幕的平均溫度為：t=38080/3200=-11.9℃。

圖10 凍土帷幕平均溫度計算圖

圖解法計算所得的凍結帷幕的平均溫度為-11.9℃，凍結效果滿足小于-8℃的設計要求。

6 結 語

通過以上采用低碳無縫鋼管和PVC管作為凍結管工程案例的對比分析，得出如下結論：

（1）PVC管在低溫下容易脆斷，盾構機可以直接切割掘進，無須拔除凍結管，施工成本和工程風險均大大降低。

（2）利用PVC管作為凍結管的主要風險源在于鉆孔和凍結過程中PVC管的斷裂，當出現凍結管斷裂滲漏的現象時，首先對凍結區域進行注水稀釋土體中的鹽水，并對斷裂的凍結管采用下套管的方式，繼續進行鹽水循環，確保安全。