地鐵隧道盾構(gòu)洞門的垂直凍結(jié)加固技術(shù)

武冰冰，蔡海兵，程 樺

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南 232001)

凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程施工的特殊施工技術(shù)。凍結(jié)法最初的應(yīng)用領(lǐng)域是礦井建設(shè)工程，之后，凍結(jié)法先后在德國、比利時(shí)、美國、法國、奧地利、荷蘭、前蘇聯(lián)、日本等國家城市地下工程中得到了普遍應(yīng)用［1］。20世紀(jì)90年代以來，隨著我國地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，在北京、上海、廣州和南京等城市地鐵隧道工程的建設(shè)和修復(fù)中，凍結(jié)法的應(yīng)用已取得了很好的效果［2-4］。

1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線民治站—五和站區(qū)間位于寶安區(qū)民治村，線路整體呈東西走向，區(qū)間起點(diǎn)布置于民治大道東側(cè)，線路出民治站后與平南鐵路平行前進(jìn)，在布龍路與五和南路交界處進(jìn)入五和站。左線起訖里程為DK21+822.6～DK23+819.5，長鏈 7.066 m，右線起訖里程為DK21+761.4～DK23+819.5，短鏈0.468 m，左線長度2 004 m，右線長度2 058 m。隧道采用盾構(gòu)法施工，為單圓盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)外徑6.28 m，隧道襯砌采用6塊管片錯(cuò)縫拼裝而成，管片環(huán)寬1.5 m，外徑6.0 m，厚度0.3 m，隧道內(nèi)徑5.4 m，隧道頂部覆土厚度7.5～27.3 m。

左線盾構(gòu)出洞段采用凍結(jié)法加固。以盾構(gòu)出洞方向?yàn)檩S心，把其周圍的土臨時(shí)加固成1個(gè)3 m長、12.7 m寬、12.7 m高的凍土墻，能承受一定的水土壓力，保證盾構(gòu)機(jī)順利通過洞門。

本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為燕山期花崗巖巖漿侵入作用，花崗巖在風(fēng)化作用下形成殘積層，其上為坡積層、沖洪積層、地表為人工填土層。本場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造簡單，勘察未發(fā)現(xiàn)斷層，基巖中發(fā)育有構(gòu)造節(jié)理，構(gòu)造穩(wěn)定性較好。

盾構(gòu)始發(fā)洞門處地層屬砂質(zhì)黏性土，其滲透系數(shù)0.5 m/d，地下水位埋深2.00～3.40 m。另外，距盾構(gòu)始發(fā)3 m處有排水箱涵(2 m×3.5 m)。由于排水箱涵水量常年較大，是排水的主干流，此處地下水豐富，洞門施工難度較大。

2 施工方案比選

目前，盾構(gòu)始發(fā)洞門的土體加固施工中，主要的施工方法有旋噴樁加固地層法和凍結(jié)地層加固法，它們?cè)诓煌牡貙泳谐晒Π咐?，施工工藝均能滿足相應(yīng)地質(zhì)條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和其他技術(shù)要求［6～8］。

2.1 旋噴樁加固地層法

旋噴樁是利用鉆機(jī)將旋噴注漿管及噴頭鉆置于樁底設(shè)計(jì)高程，將預(yù)先配制好的漿液通過高壓發(fā)生裝置使液流獲得巨大能量后，從注漿管邊的噴嘴中高速噴射出來，形成一股能量高度集中的液流，直接破壞土體，噴射過程中，鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊提升，使?jié){液與土體充分?jǐn)嚢杌旌?，在土中形成一定直徑的柱狀固結(jié)體，從而使地層得到加固。旋噴加固體不能承受較大的水平荷載、且多層土中同一旋噴固結(jié)體的直徑有差別。此處若采用旋噴樁加固，加固區(qū)在掘進(jìn)方向只有3 m，達(dá)不到加固強(qiáng)度。另外，水泥用量較大和冒漿多影響施工場(chǎng)地，污染環(huán)境，同時(shí)不適于對(duì)防水要求高的工程，故不適合本次洞門加固工程。

2.2 凍結(jié)地層加固法

結(jié)合本盾構(gòu)始發(fā)的地質(zhì)特點(diǎn)和在現(xiàn)場(chǎng)具體操作情況，采取凍結(jié)法加固地層適應(yīng)于本工程。凍結(jié)法是利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系，以便在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行地下工程施工的特殊施工技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是利用人工制冷臨時(shí)改變巖土性質(zhì)以固結(jié)地層。采取凍結(jié)法既能滿足工期需求，又能保證工程安全。因而通過比較上述兩種工法的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合本盾構(gòu)始發(fā)工況，確定采用凍結(jié)施工方法。凍結(jié)法是以確保盾構(gòu)穿越上覆土層的穩(wěn)定為基礎(chǔ)，在具體施工中采用低溫鹽水循環(huán)的方式降低土體的溫度為核心技術(shù)手段，通過降低加固區(qū)域土體的溫度，使其變成具有一定強(qiáng)度的凍土，從而進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)。

3 凍結(jié)方案設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)加固方案

根據(jù)盾構(gòu)始發(fā)的工程特點(diǎn)，凍結(jié)加固方案為:凍結(jié)板塊+門形棚拱綜合凍結(jié)方案。方案包括2個(gè)凍土板塊。其一是前凍結(jié)板塊，位于洞口前方靠近槽壁，其作用是保證安全始發(fā)，它具有凍結(jié)過程吸收變形和調(diào)整減小凍脹力的機(jī)制。其二是后凍結(jié)板塊，位于盾構(gòu)機(jī)完全始發(fā)后的刀盤前，它具有封堵洞口保證盾構(gòu)機(jī)停滯時(shí)前方土體穩(wěn)定功能。兩個(gè)凍結(jié)板塊之間為凍結(jié)棚拱，其作用是保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入正常工況。

3.2 凍結(jié)帷幕厚度設(shè)計(jì)(圖1)

凍土墻平均溫度取-10℃，抗剪強(qiáng)度均取1.6 MPa，抗彎拉強(qiáng)度取2.0 MPa，抗彎拉安全系數(shù)取3.0，抗剪安全系數(shù)取2.0。

始發(fā)洞口的中心埋深為+48.86 m，地面高程為+63.85 m。當(dāng)開洞直徑為6.5 m時(shí)，開洞口的底緣深度為16.31 m。應(yīng)用重液理論計(jì)算水土壓力時(shí)，其出洞口的水土壓力為

式中 P——計(jì)算點(diǎn)的水土壓力，MPa;

H——計(jì)算點(diǎn)深度，m。

計(jì)算得凍土墻所受最大靜止水土壓力為:P=0.212 MPa

圖1 凍土加固體、荷載、計(jì)算模型示意

凍土板塊需具備一定的厚度和強(qiáng)度，以起到破壁時(shí)的封水和穩(wěn)定作用。凍土加固體的厚度可依照板塊公式計(jì)算(其參數(shù)及結(jié)果列入表1)。

表1 按日本計(jì)算公式的參數(shù)取值與計(jì)算結(jié)果

按我國建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算公式驗(yàn)算，其公式為

計(jì)算得凍土墻厚度為1.4 m，計(jì)算參數(shù)與計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 按建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算公式的參數(shù)取值與計(jì)算結(jié)果

凍土板塊與連續(xù)墻的膠結(jié)范圍應(yīng)超過3.0 m，本設(shè)計(jì)的膠結(jié)范圍超過洞口3.5 m，以保證足夠的密封長度。

工作井開洞口周邊凍土墻承受的最大剪應(yīng)力為

計(jì)算得凍土墻厚度為0.2 m，計(jì)算參數(shù)與計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 剪切強(qiáng)度驗(yàn)算

設(shè)計(jì)出洞口的凍土板塊厚度取3.0 m，封頭凍土墻與盾構(gòu)始發(fā)洞口四周的工作井地連墻搭接寬度取3.0 m。

拱棚厚度經(jīng)理論計(jì)算后取為2.5 m，根據(jù)曲梁理論計(jì)算拱棚內(nèi)最大拉應(yīng)力為0.241 MPa，滿足要求。

3.3 凍結(jié)孔布置及參數(shù)設(shè)計(jì)(含測(cè)溫孔)

凍結(jié)孔科學(xué)合理布置是方案取得良好凍結(jié)效果的基礎(chǔ)，本方案的凍結(jié)孔布置如圖2所示。

圖2 凍結(jié)孔和測(cè)溫孔平面布置

整個(gè)凍結(jié)區(qū)域共設(shè)計(jì)布置凍結(jié)孔3排，共計(jì)53個(gè)。第1排20孔(包括角部增加的2個(gè)孔)，第2排17孔，第3排16孔。以地面高程+63.85 m計(jì)算，1、2、3排孔深度21.3 m，0.0～8.7 m為保溫段，不凍結(jié)。實(shí)際鉆孔是在端頭井結(jié)構(gòu)外側(cè)的高臺(tái)上(高度約3 m)，因此實(shí)際鉆孔深度比設(shè)計(jì)值深3 m。地面測(cè)溫孔深度與附近凍結(jié)孔深度一致，每個(gè)地面測(cè)溫孔在凍結(jié)壁內(nèi)布置3個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，位置分別為凍結(jié)壁中部和離凍結(jié)壁上、下邊界0.5 m處，洞口測(cè)溫孔深度為進(jìn)入凍土0.3～0.5 m，應(yīng)避開凍結(jié)孔位置，且洞口測(cè)溫孔深度不應(yīng)打到凍結(jié)孔。須拔除測(cè)溫管采用凍結(jié)管材，其余測(cè)溫管φ42 mm×3 mm焊管，對(duì)焊連接。

圖4 凍結(jié)10 d凍結(jié)壁發(fā)展

3.4 凍結(jié)溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

(1)計(jì)算模型

根據(jù)凍結(jié)孔平面布置圖建立數(shù)值計(jì)算模型，凍結(jié)孔3排，共53個(gè)凍結(jié)孔。在ANSYS程序當(dāng)中，有限元的網(wǎng)格是由程序自己來完成的，用戶所要做的就是通過給出一些參數(shù)與命令來對(duì)程序?qū)嵭小昂暧^調(diào)控”，網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果與模擬速度起著關(guān)鍵性的作用。為了合理地劃分單元，使計(jì)算結(jié)果趨于精確，本計(jì)算模型中距凍結(jié)管較遠(yuǎn)的區(qū)域單元?jiǎng)澐州^疏，距凍結(jié)管較近的區(qū)域單元?jiǎng)澐州^密(圖3)。由于凍結(jié)溫度場(chǎng)是一個(gè)非線性瞬態(tài)的并伴隨著相變發(fā)生的問題，因此數(shù)值模擬中一般選取低階的熱單元，本模型采用四節(jié)點(diǎn)四邊形的二維實(shí)體熱單元PLANE55來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)劃分示意

(2)荷載及初始條件

①荷載條件

數(shù)值計(jì)算中，將每一根凍結(jié)管視為模型中的單一節(jié)點(diǎn)來處理，因此施加于分析模型中的荷載即為節(jié)點(diǎn)的溫度荷載。

②初始條件

土體初始溫度+17℃。

凍結(jié)壁隨凍結(jié)天數(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)如圖4～圖6所示。

圖5 凍結(jié)15 d凍結(jié)壁發(fā)展

圖6 凍結(jié)30 d凍結(jié)壁發(fā)展

由上述計(jì)算結(jié)果可知，積極凍結(jié)10 d，除少數(shù)相鄰凍結(jié)孔未交圈外，大部分相鄰凍結(jié)孔均基本交圈，已形成一定厚度的凍結(jié)壁。凍結(jié)15 d后，凍結(jié)壁形狀已發(fā)展形成，凍結(jié)壁有效厚度達(dá)到2.8 m。凍結(jié)30 d后(設(shè)計(jì)積極凍結(jié)天數(shù))，凍結(jié)壁有效厚度達(dá)到3.5 m，大于原設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度(3 m)，凍結(jié)壁平均溫度達(dá)到-15.3℃，低于原設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度(-10℃)?？芍瑑鼋Y(jié)孔設(shè)計(jì)參數(shù)滿足在積極凍結(jié)期內(nèi)形成設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度的要求。

4 凍結(jié)施工

4.1 凍結(jié)管施工

(1)鉆孔施工

鉆孔深度為21.3 m左右，其中地面以下 0.0～8.68 m為保溫段。凍結(jié)孔鉆孔長度1 257 m，6個(gè)測(cè)溫孔的鉆孔長度為118 m，總共鉆孔長度為1 375 m。

(2)凍結(jié)管加工

凍結(jié)管采用φ108 mm×5 mm低碳鋼無縫鋼管，45°坡口內(nèi)接箍對(duì)焊接。需要拔除的測(cè)溫管同凍結(jié)管。不需要拔除的測(cè)溫管采用φ48 mm×3.5 mm焊接鋼管，對(duì)接焊。供液管選用鋼管，采用焊接連接。

所有凍結(jié)管和測(cè)溫管在地面按設(shè)計(jì)尺寸加工成形，凍結(jié)管在下放前均進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，合格后方可下管，所有凍結(jié)管氣密性試驗(yàn)的合格率為100%。

(3)凍結(jié)孔施工質(zhì)量要求

根據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn)，按凍結(jié)孔施工圖布置凍結(jié)孔?？孜黄畈粦?yīng)大于50 mm。凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度應(yīng)不小于設(shè)計(jì)深度。

鉆孔的偏斜率控制在5‰以內(nèi)，凍結(jié)管和測(cè)溫管耐壓不低于0.8 MPa。

①孔位測(cè)斜

利用經(jīng)緯儀結(jié)合燈光對(duì)每個(gè)成孔進(jìn)行測(cè)斜，偏斜率控制在150 mm以內(nèi)。由于地下有回填土石和孤石，有些凍結(jié)孔偏斜過大，但因凍結(jié)孔當(dāng)初設(shè)計(jì)間距較小，沒有再打補(bǔ)孔。

②密封試驗(yàn)

向成孔凍結(jié)管內(nèi)注水進(jìn)行凍結(jié)管密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力控制在0.8 MPa，30 min內(nèi)壓力無變化為合格。如果密封試驗(yàn)不合格，則需要打補(bǔ)孔或者在該凍結(jié)孔內(nèi)下放小直徑的套管。

所有凍結(jié)管下放完畢后，對(duì)盾構(gòu)區(qū)域內(nèi)的凍結(jié)管用千斤頂進(jìn)行松孔，同時(shí)對(duì)所有凍結(jié)孔進(jìn)行復(fù)壓試驗(yàn)。

4.2 凍結(jié)系統(tǒng)安裝施工

凍結(jié)施工工序:鉆孔施工，同時(shí)加工凍結(jié)管→凍結(jié)系統(tǒng)安裝施工→定時(shí)檢測(cè)凍結(jié)站運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。

(1)凍結(jié)系統(tǒng)安裝流程:設(shè)備安裝→凍結(jié)站管路安裝。

①設(shè)備安裝:設(shè)備基礎(chǔ)放樣→施工設(shè)備基礎(chǔ)(或錨固地腳螺栓)→設(shè)備就位、調(diào)平、固定→敷設(shè)電纜→安裝電控系統(tǒng)→冷凍機(jī)試漏→冷凍機(jī)充氟、加油→冷卻水池注水→化鹽水→制冷系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)→鹽水箱和冷凍機(jī)低溫容器及管路保溫。

②凍結(jié)站管路安裝:主管路放樣→安裝管架→安裝主管路→安裝分支管路→安裝壓力與溫度測(cè)點(diǎn)→管路試漏→鹽水管路保溫。

(2)在凍結(jié)過程中，定時(shí)檢測(cè)鹽水溫度、鹽水流量和凍土墻擴(kuò)展情況，必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)，要求1周內(nèi)鹽水溫度降至-20℃以下。

4.3 凍結(jié)效果分析

對(duì)土體溫度監(jiān)測(cè)自凍結(jié)開機(jī)之日起，每日監(jiān)測(cè)1次。圖7、圖8為2號(hào)和4號(hào)測(cè)溫孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線。從圖中可以看出，凍結(jié)初期，測(cè)點(diǎn)溫度下降很快，最大每天下降2～3℃。土體溫度降至0℃附近時(shí)，由于土中的水結(jié)冰而釋放出大量的潛熱，測(cè)點(diǎn)溫度則表現(xiàn)為一定時(shí)間內(nèi)在0℃附近波動(dòng)。之后土體溫度繼續(xù)下降，下降的幅度減緩，平均每天下降0.5～1℃。

圖7 2號(hào)測(cè)溫孔降溫曲線

圖8 4號(hào)測(cè)溫孔降溫曲線

測(cè)溫孔的降溫曲線同時(shí)還對(duì)比了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和ANSYS軟件模擬數(shù)據(jù)的效果(系列1:實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);系列2:ANSYS模擬數(shù)據(jù))，2號(hào)、4號(hào)測(cè)溫孔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出的降溫曲線與ANSYS軟件模擬數(shù)據(jù)繪制出的降溫曲線趨向大致相同。通過觀察2條曲線的擬合程度反映出數(shù)值模擬的效果還是很理想的。

4.4 凍結(jié)管拔除施工

(1)起拔

用2臺(tái)20 t的千斤頂進(jìn)行試拔，拔起0.5 m左右時(shí)，便可停止循環(huán)熱鹽水，用壓風(fēng)將管內(nèi)鹽水排出。然后用吊車快速拔出凍結(jié)管。拔管時(shí)注意凍結(jié)管與掛鉤要成一線，凍結(jié)管不能蹩勁，拔管時(shí)要常轉(zhuǎn)動(dòng)凍結(jié)管，凍結(jié)管不能硬拔，如拔不動(dòng)時(shí)，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍，直至拔起凍結(jié)管。

(2)拔管順序

依次拔第1排、第2排、第3排凍結(jié)管，每拔除1根凍結(jié)管要及時(shí)用黃土把孔給填實(shí)，防止盾構(gòu)推進(jìn)過程中漿液從融化的凍結(jié)孔中溢出。

在隧道兩側(cè)的凍結(jié)管暫時(shí)不拔，待盾構(gòu)穿過最后一道凍土墻后，再拔除該處凍結(jié)管并充填。

5 結(jié)論

盾構(gòu)始發(fā)洞門的土體加固，通過施工方案的比選，擬采用凍結(jié)法。而后通過ANSYS軟件建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果證明凍結(jié)法的可行性。

在施工過程中，由于地質(zhì)狀況的特殊性，給鉆孔工作帶來了很大的難度。凍結(jié)加固工程的順利完成，本工程實(shí)踐中所采取的施工方案和施工工藝以及所積累的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可為今后類似地質(zhì)條件的隧道盾構(gòu)提供有效的參考價(jià)值。

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