地铁区间盾构出洞水平冻结加固工艺

维普资讯 http://www.cqvip.com 地铁区间盾构出洞水平冻结加固工艺　肖广良　（中铁隧道股份有限公司，４５３０００，新乡∥７－程师）　摘要　以上海地铁某盾构出洞洞冻结加固施工为例，介绍地　盾构出洞冻结加固施工范例。该施工方案施工前经　上海市科技委评审，并经细化后实施。　铁区间盾构出洞采用水平孔冻结加固的施＿Ｔ－＿Ｔ－艺（包括盾构出　洞加固冻结方案、冻结施工技术参数、冻结孔施工前车站内衬墙　的补强、冻结孔施工工序等）和过程控制；分析了冻结加固效果，　为今后市政及相关工程采用该工艺施工提供了一个范例。　关键词盾构出洞；土体加固；冻结法施工　Ｕ　４５５．４３；ＴＵ　４７２．９　１水平冻结加固施工工艺　１．１盾构出洞加固冻结方案的确定　根据现阶段上海地铁区间隧道设计隋况，该盾构　出洞加固所在地层的主要土层为第④层淤泥质黏土、　中图分类号ＨｏｒｉｚｏｎｔａＩ　Ｃｏｎｇｅａｌｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｘｉｔ　ＴＢＭ　ｉｎ　Ｍｅｔｒｏ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　第⑤１—１层黏土及第⑤１—２层粉质黏土，上部为③１　淤泥质粉质黏土，下部为第⑥层粉质黏土（硬层）及第　⑦１—２层粉砂。考虑到现场施工条件和场地狭小的　限制，以及保证盾构安全顺利出洞，采用水平冻结的　施工工艺，既符合受力计算安全，又考虑到了钻孔布　置等方面的工艺要求。运用日本计算理论（日本对盾　构出洞冻结加固力学计算公式）和剪切应力验算，洞　口加固体厚度　≥１．８　ｍ。外圈冻土帷幕厚度为２　ｍ，　内圈板块冻结帷幕厚度为３　ｍ。冻土平均温度为一１０　℃。水平冻结孔布置４圈。外圈冻结孑Ｌ冻结深度为７　ｍ，孑Ｌ距０．７８４　ｍ，冻结孑Ｌ数３０个，圈径７．５　ｍ。内部　三圈孑Ｌ冻结深度为３　ｍ。其中，第１圈孑Ｌ数１５个，孔　间距１．０６　ｍ，圈径５。１　ｍ；第二圈孑Ｌ数８个，孑Ｌ间距　Ｘｉａｏ　Ｇｕａｎｇｌｉａｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ佻ａｒｔｉｃｌｅ　ｍａｉｎｌｙ　ｅｘｐｌａｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈｏｌｅ　ＣＯｌ１．．　ｇｅａｌｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｂｏｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ　（卫Ｂ￣Ｄ　ｉｎ　ｍｅｔｒｏ　ｓｅｃｔｉｏｎ，ｉｔｓ　ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａＩ砌　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｍａｋｅｓ　ｓｏｍｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｅｆｆｅｃｔ　ｄｅｏｅｎｄｉｎｇｏｎｔｈｅ　ｒｅｖｅｌｅｎｔ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｄｏｃｕｍｅｎｔｓ，ｈｏｌｄｓｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｔｕｄｙ　ｓｈａｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｃｉｔｉｓ　ｏｒ　ｔｅｈｅ　ｒｅｌａｔｄ　ｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔｓ　ｉｆ　ｔｈｉｓ　ｔｃｈｎｏｌｅｏｇｙ　ｉｓ　ｔｏ　ｂｅ　ｕｓｅｄ．　１　ｗｏｒｄｓ　ｓｈｉｅｌｄ　ｅｘｉｔ；ｓｏｉｌ　ｍａｓｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｅｍｔｎｔ；ｆｒｅｃｅｚｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　Ａｕｔｈｏｒ’ｓ　ａｄｄｒｅｓｓ　Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｔｏｃｋ　Ｃｏ．。Ｌｔｄ．．　４５３０００，Ｘｉｎｘｉａｎｇ，Ｃｈｉｎａ　近年来，冻结法施工已在地铁工程中广泛使用，　主要用于联络通道、盾构进出洞等土体加固。在上　海地铁区间盾构出洞施工中，此法已成为可靠安全　１．０３３　ｍ，圈径２．７　ｍ；第三圈孑Ｌ数１个，在圆心。冻　结孔数共计５４个，梅花形布置。具体布置如图１所　示。图中，共布置测温孑Ｌ　９个。其中外圈布置３个，　内圈布置６个。另在冻结加固区上部１．５　ｍ处布置一　排（６个）泄压孔。　的施工工艺。其中，水平冻结施工加固土体为上海　盾构出洞加固新工艺工法。本文所述为上海地铁某　６００　一　－　Ｌ１０　。弗蔓　磅　一　’Ｏ　薯矗：０　／冻结加固区　－‘　’　・：≯ｆ　‘　’　冻结管　０　－‘　　．Ｌ　７　０００　，　＇　。。’十　图１冻结孔布置图　・５３・　维普资讯 http://www.cqvip.com

慷　鹰交莲鼹　０　ｉ　：：２ｏｏ蛑　和水平冻结孑Ｌ布置图，采用割除钢筋后补强的要求　１．２冻结施工技术参数　选用２套ＹＳＬＧＦ３００螺杆机组（其中一套备用），　其单机标准制冷量一１０℃时为２８６　ｋＷ。地层冻结　供冷工艺参数和指标如下：积极冻结盐水温度为一２５　～一进行水平孑Ｌ的预埋。具体布置结构接点见图２。　１．４冻结孔施工工序　冻结孑Ｌ施工工序为：定位开孑Ｌ及孑Ｌ口管安装一　孑Ｌ口密封装置安装一钻孑Ｌ一测量一封闭孑Ｌ底部（单　向阀）一打压试验。冻结管采用丝扣连接，满焊密　３０℃；冻结壁交圈时间为１４￣２０　ｄ；破壁时间为　２５　ｄ；积极冻结时间为１４￣２０　ｄ；维护冻结盐水温度　为一２３～一２８℃；维护冻结时间为１４　ｄ；冻结总时间　为３５　ｄ。　封，兼做钻杆。冻结孑Ｌ施工用钻机选用ＭＤ．６０型锚　杆钻机。采用水准仪、经纬仪对冻结孑Ｌ精确定位，安　装好孑Ｌ口装置后，用钻机开穿连续墙。为保证在钻　１．３冻结孔施工前车站内衬墙的补强　根据施工场地的要求和地面施工环境等因素，　孑Ｌ施工中地层不流水、砂等，对每个冻结孑Ｌ施工都加　装孑Ｌ口密封装置，以有效控制因打钻而造成的地层　空洞，使以后融沉控制有更好的效果。　该盾构出洞采用冻结加固施工。为保证冻结加固效　果和进洞安全，设计在洞门外圈及车站内衬墙上施　工３０个水平冻结孑Ｌ；并根据车站结构施工布筋要求　预埋管、止水钢板　７＿　『　　ｌｆ　＼　／　——　ｔ＂７　Ｉ　ｌ　｜　｝　割ｆ　Ｅ　＝　～　＾　ｒ　＾　ｌ　『　ｌ　　ＩＩ　、　一　一　—７Ｅ　ｆ　ｆ　　加焊　ｌ　１　ｌ　Ｉ　Ｉ　，　Ｉ　　１－ｔ－　／钢筋　Ｉ　　ｌ，一’　＼　／　乙　＝　预埋管、止　水钢板　ｌ　３００　１　尺寸单位：ｍｍ　图２预埋冻结管处钢筋补强图　１．５钻孔施工质量　１．６．２冻结制冷　为保证钻孑Ｌ施工质量，钻孑Ｌ偏斜率都小于１％。　根据总包和监理复测，冻结孑Ｌ偏斜全部在规范设计　内：终孑Ｌ间距不大于１　１１０　ｍｍ，满足施工要求；冻结　管焊接试压０．９～１．１　ＭＰａ之间，稳压３０　ｍｉｎ，其压　降小于０．０５　ＭＰａ，试压全部合格，满足设计要求。　施工中未发生冻结管泄漏事故。　１．６冻结运转及效率　１．６．１冻结站安装　上行线出洞水平孑Ｌ打钻于２００７年１２月２５日　开始，２００８年１月１２日下午结束。１３—１６日安装　冻结器及配集液圈干管。１７日开始冻结，冻结３　ｄ　后盐水温度达到一２５℃，冻结７　ｄ后盐水温度达到　一２９℃，冻结１５　ｄ后盐水温度达到一３１℃；以后盐　水温度一直保持在一３１￣Ｃ左右。较快的盐水温度下　降梯度和较低的盐水温度，可提高冻土发展速度及　冻结强度。　１．６．３冻结效果　冻结站主要施工设备有：ＹＳＬＧＦ３００Ⅱ螺杆机　组２台（设计单台机组工况制冷量一３０℃时为９９　ｋＷ）；ＮＢＬ一５０型冷却水塔２台；Ｉｓ１５０—１２５型清　水泵２台；ＩＳ１５０—１２５型盐水泵２台。考虑冻结运　转的连续性，盾构出洞时不能因冷冻设备的原因停　１　、２　、３　测温孑Ｌ内分别布置了２条测温线，　深度分别为３．６　ＩＴＩ、２．６　ｍ；４＃～９　、坝０温孑Ｌ布置一　个测点，深度为２．６　ＩＴＩ。测温孑Ｌ于１月１７日正式开　始记录温度。　通过测温孑Ｌ资料可分析冻结发展速度。表１为测　温孑Ｌ　２．６　ＩＴＩ测点的温度变化及推算的冻结发展速度。　机，故所有设备全部安装２套，其中１套备用；２套　系统为并联安装。　・５４・　维普资讯 http://www.cqvip.com 蹬　表１　测温孔２．６　ｍ测点的温度变化及推算冻结发展速度　１　测温孔３．６　Ｉｌｌ深测点２月２０日实测情况　为：测温孔温度ｔ＝一３．２℃；盐水回路温度ｔ　一３２℃；冻结孔最大孔间距为１．１１　ｍ；测温孔与冻　结孔距离ｒ＝１　１００　ｍｍ，冻结管内半径ｒ　＝４６　ｍｍ。由此可计算出冻土墙厚度、冻结发展速度，以　及冻土墙平均温度。　计算冻结圆柱发展半径　ｒ，　ｅｘｐ　ｆＩ　—ｒ，：‘＼ｔ　一ｔ　—１：ｉ．Ｊ　．　４５ｍ　／　根据冻结圆柱发展半径可绘制帷幕交圈图（见　图３），冻结壁厚度为２．０　ｍ。　ｆａ１ａ深度７　ｍ　３６　ｄ冻土发展半径ｒ２＝ｌ　４５０　ｍｍ冻结孔交圈图　（ｂ）深度２　ｍ　３６　ｄ冻土发展半径ｒ２＝ｌ　４５０　ｍｍ冻结孔交圈图　图３　冻结帷幕效果图　利用《建井工程手册》冻结施工成冰公式计算冻　结帷幕的平均温度：　ｔ。＝ｔ　＋０．２５ｔ　＝一１４．５℃　ｒ　１　表２冻结效果和设计比较表　ｋ＿ｆ１　ｉ．１３５—０．３５２￣／７。。・８７５嘉＋　厂ｒ１　２６６√言Ｉ一０．４６６　式中：　１．６．４探孔情况　ｆ　——按零度边界线计算的冻结壁平均温度；　ｆ。——冻结壁平均温度；　ｔ１——盐水温度，ｔ１＝一３２℃；　ｆ——冻结最大孔间距，ｆ＝１，１１　ｍ；　Ｅ——冻结壁厚度，Ｅ＝２．０　ｍ；　ｆ　——井帮冻结帷幕温度，ｔ　＝一１０　ｏｃ。　冻结３０　ｄ即达到完全破壁时冻结效果，见表２。　到２月２０日，根据测温孔资料及洞门槽壁水平　方向温度探孔检测，上行线冻结加固区冻土墙最薄　处为２．０　ＩＴＩ，冻土墙平均温度为一１０℃以下，满足　出洞要求。在上行线洞门四周布置１０个探孔，实际　观测冻土墙效果。探孔测温记录见表３。实际开５　个探测观察孔，深度为０．２～０．５　ｍ；孔内土体已结　冰，无水流出。　・　５５　・　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｑ　墟　辗蜃交避凳　表３探孔测温记录表　测温时间　１＃　２＃　３　４　５　６　７　８　９　；　８洋　１０　２关键点的控制及措施　２．１拔管　２．１．１拔管前准备　６０￣８０℃的盐水循环达１５　ｍｉｎ左右；当回路盐水　温度上升到２５￣３０℃时，即可进行边循环边试拔。　・拔管顺序：拔盾构出洞口内的三圈孑Ｌ，分６　组拔出。每拔出一个冻结管，马上对拔除的冻结洞　回填　１０５的水泥沙浆柱，让冻土回冻水泥沙浆柱，　第一，拔管之前刀盘要进行试转，试转无故障方　可进行拔管。第二，盾构橡胶帘布板全部安装完毕，　并可以使用。第三，考虑不安全因素，拔管前应把冻　结帷幕前的连续墙钢筋全部割除完毕，但要留下钢　筋保护层；其它盾构刀盘前要搭好脚手架管，并铺好　木板，确认安全后再进行拔管。　２．１．２拔管措施　达到冻结帷幕的完好性，再开始拔下个孑Ｌ；对每个拔　好并回填沙浆柱的洞口外采用双快水泥封堵。考虑　盾构前端与冻结加固体的空间距离短（只有２．２　ｍ），所以对每个冻结管分两次拔除并割断；割断冻　结管时割枪要在距离冻结帷幕０．５ｍ外进行，以保　证割枪的高温不融化冻结帷幕。　・利用人工局部解冻的方法进行拔管。具体方法　为：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土　融化达到３０－－－６０　ｍｍ时，开始拔管。拔管流程如下：　热盐水循环５～８　ｍｉｎ一４８　牙钳转一３～５　ｔ　手拉葫芦拉出冻结管一封堵冻结孔。　・拔管方法：方法一，用热盐水循环解冻５～８　ｍｉｎ后，利用４８　大牙钳转动冻结管，用３ｔ手拉葫　芦拔出冻结管（连同孑Ｌ口管一起拔除）。手拉葫芦固　定在搭设的脚手架上，冻结管范围内的脚手架须特　殊加固，使其与槽壁紧密连接，便于力的传递。方法　二，如方法一不能拔出冻结管时，利用２个５　ｔ千斤　顶架设在槽壁上，水平向外顶推冻结管。具体操作　如图４所示。　・盐水加热：用一只１　ｍ３左右的盐水箱储存　盐水循环：利用流量为８　ｍ３／ｈ水泵循环盐　盐水，用４５￣９０　ｋＷ的电热丝加热盐水。　・水。先用３０＂－－４０℃的盐水循环５　ｍｉｎ左右，然后用　拔管时间：１２～２０　ｈ。　＼　槽壁　千斤顶　槽壁　｜　．　，　孔口管　，冻　——　１　『Ｊ　１　ｒ、、　Ｊ　ｌｌ　１　ｊ二　方法一　方法二　图４拔管示意图　２．１．３其他措施　（３）拔管所使用的支架与人员工作平台支架必须　是各自独立的体系，２个支架间不得有任何连带关系。　（４）拔管时因脚手架台面和盾构用的橡胶帘布　板为易燃物品，电焊工在进行焊割前应备好灭火器、　消防水龙头等，并安排两人进行监护。登高作业时　带好安全带。　（１）破槽壁时必须注意冷冻系统的保护，不得　碰砸冷冻管路及测温系统。　（２）采用聚乙烯保温材料对拔除后的冻结孔进　行充填；人工破壁的同时对破壁后的加固体进行保　温工作。　・５６・　维普资讯 http://www.cqvip.com

襄　（５）拔管时，应急物资（双块水泥、木筛子、棉　纱、棉被、保温板等）应运至拔管现场，以防出现　险情。　（６）满足冻结预案要求，出洞前作好液氮备用　工作（即联系好施工现场附近的医院或其他有液氮　出洞的时间不宜超过１　ｄ，以防冻结帷幕融化，影响　其强度。　（４）盾构穿越加固体的时间应控制在１０　ｄ以　内。盾尾进入密封后应采用快硬性浆液封堵洞口，　防止冻土融化后泥水涌出。　２．３地面沉降控制　储备的单位），需要时保证在２　ｈ内运到现场。　２．２盾构推进配合事项　（１）在凿除槽壁时，内圈孔停止冻结，外圈孔维　冻结期间，用卸压孔卸压控制冻胀。解冻过程　中根据监测结果，通过预留注浆孔（见图１）和管片　预留注浆孔补充注浆以控制融沉。图５是上行线离　持冻结。　（２）盾构抵拢掌子面后外圈孔停止冻结，但不　拆除冻结系统（在盾构脱离加固区３环后拆除），如　洞口４　ｒｎ处１个测点的时间位移曲线；图６为上行　线几个轴线点冻胀和融沉阶段的累计沉降曲线。从　图６可以看出，最大累计沉降为６．８　ｍｍ，主要发生　在解冻期间，说明采取的措施是有效的。　有意外时恢复冻结加固。　（３）内圈冻结孔拔除后，盾构顶进橡胶帘布板　５Ｏ　Ｅ　Ｅ　＼　ＯＯ　５Ｏ　Ｏ　５Ｏ　ＯＯ　：．删　一　．．一．．～．。　．’　世　蜉　入／＼．．　¨　＿Ｔ一５０　距开孔起累计天数　图５上行线距洞口４　ｍ处测点（Ｔ５）的沉降曲线　６．Ｏ０　暑、４　ＯＯ　２．ＯＯ　。　—・一打孔期间累计　冻结期间累计　解冻期间累计　开工累计　＋十２　Ｏ０　蠢　－４　．０　８　ＯＯ　图６不同测点各施工阶段累计沉降曲线　３结语　由于地面无加固场地采用水平冻结法施工，整　个地层的冻结时间为３６　ｄ，有效地保证了工期和地　融特性较好。　该盾构出洞冻结加固采用水平钻孔冻结法的施　工实践，对在地铁区间隧道施工中进一步完善和推　动相关领域的施工技术和方法提供了一个范例。　面环境的控制，并保证了施工的安全、高效和快速。　水平冻结最终形成一个实心的杯形加固体。杯形部　参考文献　Ｅｌｉ张凤祥．简明建井工程手册ＥＭ］．北京：煤炭工业出版社，１９９５．　Ｅ２］夏明耀，曾进伦．地下工程设计施工手册［Ｍ］．北京：中国建筑　工业出版社，２００１．　分则形成一个冻土厚壳结构，降低了开挖引起的空　间效应，从而保证了施工期间工作面土体的稳定性。　从实际效果分析来看，冻结壁仍可适当减薄。实际　冻结壁的厚度比设计有所增加，这是施工中采取的　Ｅ３］王鹏．地铁施工中冻结法地基加固可行性研究［Ｊ］．城市轨道交　通研究，２００７（２）：４４．　保守做法。冻胀和融沉未造成地下管线危害，地层　冻结厚度控制合理，也反映出上海市软土地层的冻　（收稿日期：２００８—０３—２０）　・５７・