盾构始发端头冻结加固技术及其应用

ｌ工程建设与设计　ｌＣｏｍｔｒｕｃｔｉｏｎ＆ＤｅｓｉｓｎＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ　盾构始发端头冻结加固技术及其应用　Ｆｒｅｅｚｉｎｇ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｈｉｅｌｄ－ｄｒｉｖｅｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　代峪　（中铁十一局集团有限公司，武汉４３００６１）　ＤＡＩＹｕ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ１１ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３００６１，Ｃｈｉｎａ）　【摘　要】应用冻结法地层加固技术原理，结合某盾构始发井端头加固的工程实践，提出软弱富水地层条件下盾构始发端头冻　结加固方案、施工工艺及关键性控制措施。工程实践表明，所提方案切实可行、经济合理，可供类似工程参考。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｅ　ｒｆｅｅｚｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆｓｔｒａｔａ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐｉｒｎｃｉｐｌｅ，Ａ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗｏｒｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｉｎａｓｈｉｅｌｄｌａｕｎｃｈｉｎｇｐｒｏｊｉｅｃｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅ　ｓｈｏｗｓｔｈａｔ，ｈｅ　ｔｓｃｈｅｍｅｏｆｆｒｅｅｚｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｉｎ　ｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｉｅｃｔ．　【关键词】软弱富水地层；盾构始发；冻结加固；施工工艺　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｗａｔｅｒ－ｉｒｃｈ　ｓｏｆｔｓｔｒａｔｕｍ；ｓｈｉｅｌｄ・ｄｒｉｖｅｎ；ｆｒｅｅｚｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　【中图分类号］Ｕ２３１．３；Ｕ４４５．４９　【文献标志码】Ｂ　【文章编号】１００７．９４６７（２０１５）０９—０１３４—０３　ＩＤＯ１］１０．１３６１６￣．ｃｎｋｉ．ｇｃｊｓｙｓｊ．２０１５．０９．０３６　１引言　随着我国城镇化的推进，以地铁为代表的地下工程更是　衬墙厚度为０．８ｍ，地下连续墙宽度为１ｍ，位于含水层厚度较　大的软弱地层，为确保盾构始发施工安全，防止坍方、流砂、涌　水等，在对始发端头进行高压旋喷加固的同时，在端头洞门处　进行水平冻结加固、进行补强封水，提高盾构始发井的安全　发展迅猛，其中盾构始发中遇到软弱富水地层等不良地质，需　要加固的情况也日趋增多，其相关技术也需要进一步总结提　高。目前地铁施工中广泛应用的冻结加固法，是利用低温盐水　度。　循环降低地层温度形成冻土帷幕，其冻结加固体的形状、大　小、可以根据需要灵活设计，冻结体强度通常能达到　３冻结加固方案　３．１方案的制定　盾构始发施工前洞门处地基采用旋喷桩和水平冻结法加　固，使盾构机外围及开洞口范围内土体与外部隔离的同时产　５～１０ＭＰａ，具有阻水效果好、适应性广［１］。　本文依托地铁盾构始发井端头冻结加固工程实践，提出　软弱富水地层条件下冻结加固方案、施工工艺、关键控制措　施，可供类似工程参考。　生冻结，形成强度高且封闭性好的冻结层，提高止水效果。　３．２冻结孔布设　根据冻结帷幕设计，冻结孔按４周，每周中相邻１２。的规则绕　弧长布置，深度均为３．Ｏｍ，测温孔１２个，深度与冻结管一致。　２工程概况　某地铁工程盾构始发端头井宽２４．４ｍ，长１６．Ｏｍ，车站内　【作者简介】代峪（１９７３～），男，四川安岳人，高级工程师，从事土木　工程研究，（电子信箱）５４６８００３３７＠ｑｑ．ｃｏｍ。　１３４　３．３冻结参数及机型选择　３－３．１冻结参数　（１）积极冻结期盐水温度一２８￣Ｃ。（２）维护冻结期温度一２５～　工程施工技术Ｉ　－２８＂Ｃ；（３）外围冻结孔终孔间距小于１Ｏ００ｍｍ，按发展速度每　天２５ｍｍ计算，冻结帷幕交圈时间为２０ｄ，达到设计厚度时间　为４０ｄ。（４）冻结孔布置５３个，冻结管总长度为３２９．５ｍ（单　个）。（５）测温孔９个，深度为３．０ｍ，设置于终孔间距较大的位　置。　３．３．２需冷量和冷冻机选型　冻结需冷量按下式计算：　ｑ＝ｌ＿３ⅡｄＨＫ　式中，日为冻结总长度，３２９．５ｍ；ｄ为冻结管直径，８９ｍｍ；Ｋ为冻　结管散热系数，取１０４６．７ｋＪ／ｈｍ２（２５０ｋｃａｌ／ｈｍ￣）。　由此得到单个冻结站的需冷量为１２６２．７３８８ｋＪ／ｈ　（３０１．６ｋｅａｌ／ｈ）。据此，选用Ｗ－ＹＳＬＧＦ３００　ＩＩ型螺杆机组１台套　（额定制冷量３８０９．９８８ｋＪ／ｈ（９１０ｋｃａｌ／ｈ）、功率为１　１０ｋＷ），满足　要求。　３．３．３冻结系统辅助设备　本工程冻结系统相应的辅助设备见表１。　表１冻结系统辅助设备　３．３．４管型选择　各种管型均采用无缝钢管，尺寸和连接方式如表２所示。　表２管型表　３．３．５用电负荷　冻结期间总用电负荷约２ｌ３ｋｗ／ｈ（见表３）。冷冻施工时　另配备盾构施工用备用发电机组，以应对停电的发生。　表３主要施工机具耗电表　４冻结加固施工工艺　４．１水平冻结孔施工　４．１．１钻孔施工　钻孔施工包括６个步骤，工序如下：定位开孔一孔口管安　装一密封装置安装一钻孔一测量一打压试验。　１）定位开孔及孔口管安装　根据设计在槽壁上标出孔位，用配有金刚石钻头取芯装　置的开孔器按设计角度开孔（孔径１５０ｍｍ为宜），当开到深度　１　Ｏ００ｍｍ时停止１５０ｍｍ孔的取芯钻进。安装孔口管方法如　下：（１）凿平孔口，安装膨胀螺丝；（２）在孔口管的鱼鳞扣上缠绕　麻丝、涂抹密封材料；（３）安装孔口管，用膨胀螺丝连接固定后，　安装闸阀；（４）在墙体上用开孔器从闸阀内开孔（如地层内的水　砂流量大，及时封闭闸阀）。　２）密封装置安装　密封垫片定位准确后，将孔口装置固定在闸阀上。　３）冻结孔施工　按照设计位置，调整钻机方位角和俯仰角后将旁通阀和　密封装置安装在孔口上。先采用无泥浆钻进法进行冻结孔的　钻设；当钻进缓慢时，打开孔口装置上旁通阀门，改用泥浆法　钻进。　４）测斜　利用经纬仪结合灯光测定冻结孔的倾斜率，偏斜控制在　１５０ｍｍ以内从而避免内偏，为提高冻结效果，最大终孔间距要　小于１．５ｍ。　５）密封试验　通过注水试验检查冻结管的密封性，注水压力控制在　０．８ＭＰａ左右。合格标准：注水后３０ｍｉｎ压力变化小于　５０ｋＰａ，３０～４５ｍｉｎ压力稳定无变化。　４．２冻结施工　４．２．１准备工作　１）冻结站布置与设备安装　根据总体设计和施工图要求，按照先设备后管路的顺序　安装冻结站的相应设备，其中，３大循环系统应分别进行安装，　并按《井巷工程施工及验收规范））（ＧＢＪ２１３－－９０）要求试压、检　查验收。　２）管路、保温及相关测试仪表　１　３５　Ｉ工程建设与设计　ｌ　Ｃｏ￣ｔｒｕｃｔｌｏｎ＆Ｄｅｓ　Ｆｏｒ　ｅｅｌ　盐水和冷却水管路用法兰连接，固定于管架上，其中盐水　管路要远离，避免浸水和高低起伏。用高压胶管连接集配液圈　与冻结管（每１～２个间隔串联），以每组冻结孔总长度相近或　每路盐水循环阻力接近为原则；用２个控制冻结器盐水流量　的阀门连接配液圈与冻结器。在冷冻机进出水管、去回路盐水　管、分别安装温度计、压力表、温度传感器和控制阀门；在盐水　管出口、盐水箱上分别安装流量计、液面传感器；在去路盐水　干管、盐水管管路高出分别安装单向阀和气压调节阀。必要　时，在低温气体经过的相应管道和设备上覆盖保温材料。　３）机组充氟加油　完成制冷系统的检漏和氮气冲洗，确保系统无渗漏后再　充氟加油。先在设有过滤网的盐水箱内注入少量清水（约占箱　体体积的１／５～１／４），随后启动水泵，逐步加入配置设计盐水浓　度的固体氯化钙。特别注意，盐水箱内的盐水要避免因高于箱　口冻结管导致盐水回流时溢出盐水箱。　４．２．２正式冻结与终止冻结　１）试运转与积极冻结　在试运转时，通过调节并记剥犬态参数，如压力、温度、制　冷量等，使机组的运行参数达到有关工艺规程和设计要求；同　时，适时监测盐水温度、流量和孔壁冻土扩展深度及速率，并　依此为依据，调整冻结系统的运行参数，使冻结进程满足设计　和进度要求。在正式冻结阶段，定期检测测温孔温度，并　依此估算冻结壁的扩展速度、厚度和冻结壁达到设计厚度　时间。　２）探孔与停止冻结　通过测温孔确定冻结帷幕交圈、冻结壁与槽壁完全胶结，　并达到设计强度、厚度后，探孔观测无水、泥砂流出，且孔内温　度在Ｏ￣Ｃ以下已结冰，经过验收合格后方可破槽壁盾构机始　发，在始发前拔出洞圈内冻结管。　４．３拔管　当盾构靠近洞门后，利用冻结器里的热盐水循环，使冻结　管周围的冻土融化厚度达到５～８ｃｍ时开始拔管。　１）盐水加热：用足够数量的电热丝加热进行盐水箱内的　盐水，温度控制在５０～８０￣Ｃ为宜　２）盐水循环：用盐水泵循环盐水，边循环边试拔。拔管过　程中，对冻结管的热循环应适量，防止冻结壁过度融化造成周　边沉降。　１　３６　３）冻结管拔起０．５ｍ左右时，停止循环热盐水，用空压机　压风将管内盐水排出。拔管时要常转动冻结管，如拔不动时，　要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管。当裂缝数量较多　时，可用局部钢筋网外抹水泥砂浆加固（见图１）。　手拉　图１水平冻结拔管示意图　４．４槽壁凿除　通常冻结１　５ｄ后便可开始部分破除槽壁，在此过程中，要　及时封堵渗水点，防水土流失，影响冻土墙交圈。破壁宜分层　剥离（分２～３层），槽壁保留厚度不小于３００ｍｍ，并保留外排　钢筋，以保护冻土墙。槽壁破除时应在下部冷冻管上方搭设钢　板以及安装防坠网，避免大块混凝土块砸裂或砸坏冷冻管，引　起盐水流失。　在槽壁混凝土全部清除后，盾构靠上洞门，刀盘鼻尖与　冻土表面宜保持２０ｃｍ以上的距离，防止因刀盘对土体的挤压　造成拔管困难。盾构机穿越冻结区时，停留时间尽量短，在拼　装管片及发生故障时，每隔１０～１５ｍｉｎ将刀盘转动３～５ｍｉｎ，　避免冻结卡盘现象。　４．５关键控制措施　４．５．１土层冻胀控制　冻结施工中，土层冻胀是普遍现象，～般土层冻胀量的大　小与土层力学性、周围约束条件（冻结层深度）、土层冻结速　度、土层含水量及水分迁移的多少有关嘲。施工中为防止冻胀　作用对地面产生较大影响，可设置适量设置的泄压孔减小冻　胀作用。　４．５．２跟踪注浆控制融沉　冷冻结束后的融沉主要是冻土融化时排水固结引起【３＿。冻　土融化后，土体体积要明显小于原体积，从而出现地表沉降，　进而对地面、高压线塔、周边管线及建筑物等产生影响，因此　冻土融沉控制是施工重点。　（下转第１３９页）　就必须要进行分层式的处理，从而以此来保障其上下层之间　一　一　叼　ｌ蠹青或抽ｌ１　４蠢　　ｉ－－　蚰　ｌ　Ｉ施　一能够真正形成稳固的整体，使得公路路面的密实度及平整度　获得有效的提升，另外，在进行振捣技术的过程中，还必须要　　Ｉ－　●　’　菱　‘　，　ｆ，　－，　安排相关的技术人员来进行检查工作，以此来排除整个路面　　ｌ菱　基－援　当中的气泡，最终保障路面的质量标准。　／ｌ　Ｉ拍　。ｏｌ—ｌ　Ｉ　５结语　综上所述，混凝土路面施工技术在公路施工中的应用，对　于我国公路施工的质量来说发挥出了非常重要的作用。因此　必须要在整个过程中做好科学化的施工管理，促使公路施工　的质量更进一步的提升。　【参考文献】　【１】郑树庭，杨月萍．水泥混凝土路面裂缝产生原因及防治措施［Ｊ］．内　蒙古公路与运输，２０１２（５）．　图１路面施工缝弥合技术　【２】张林丽，茅红兵，刘念．沥青混凝土路面冬季施工注意要点分析［Ｊ］．　科协论坛（下半月）．２０１　１（１　１）．　不过，在真正的弥合过程当中，必须要严格按照相应的方　案来进行，因为施工缝本身是公路结构的薄弱点，所以必须要　【３】宋青燕．水泥混凝土路面裂缝产生的原因及解决方案【Ｊ］．山西建　筑．２０１４（３１）．　设置在受剪力相对较小的施工位置ｆ３１。　４．３混凝土振捣技术　混凝土在进行浇筑之后，必须要进行振捣处理，通过振捣　来促使混凝土能够获得充分的铺展开来。而在这整个过程中，　【收稿日期］２０１５．０６．１５　（上接第１３６页）　达到设计强度、厚度，并与槽壁完全胶结后，才能进行槽壁破　在土体强制解冻后，对土体进行压密注浆，利用其对土体　的抬升效应抵消融化沉降。同时，通过采集的现场参数，计算　出相应的融沉后，根据理论公式推算出注浆参数嗍。注浆抬升　宜分三阶段进行：　除，拔管，并进行盾构始发施工。移　【参考文献】　【１】杨太华．越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技术［Ｊ］．现代　隧道技术，２００５（２）：６－７．　１）注浆加固注浆区底部，形成满足设计范围、厚度，且具　有足够承载力的持力层；　２）径向的挤密加固，减小土体的径向变形空间，以提高土　体的稳定性；　【２】杨永新，王保文，岳丰田，等．大直径盾构出洞冻结法技术研究［Ｊ】．施　工技术，２００６（１　１）：６７—７０．　【３】英旭，蒋岳成，李曦．杯型水平冻结工法在盾构进洞施工中的应用［Ｊ］．　中国市政工程，２００６（２）：５２—５５．　３）注浆抬升，利用浆液的向上压力抬升地表。　【４】白楠．人工冻土强制解冻融沉控制研究［Ｄ］．上海：同济大学，２００８．　５结语　冻结法是处理软弱富水地层条件下盾构始段加固的有效　手段。在实施过程中，为保证盾构始发的安全，需严格控制各　关键工艺。另外，要在结构内衬达到设计强度后才能开始冻结　孔的施工及土体冻结作业；通过探孔检测试验，确认冻结帷幕　【收稿日期１２０１５．０７．０６　１３９