談凍結(jié)法在盾構(gòu)進(jìn)洞中的應(yīng)用

蔣 卓

(中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北燕郊 065201)

0 引言

凍結(jié)技術(shù)施工起源于19世紀(jì)80年代的德國，由德國著名工程師波茨舒創(chuàng)造并獲得了專利，后被世界各國廣泛地應(yīng)用，直到20世紀(jì)50年代此項(xiàng)技術(shù)才傳播到我國。但在國內(nèi)發(fā)展速度卻非?？?，現(xiàn)已發(fā)展成為我國工程領(lǐng)域通過不穩(wěn)定沖積層和裂隙含水層的主要施工方法。本文將主要介紹凍結(jié)法施工組織及凍結(jié)原理，旨在解決盾構(gòu)始發(fā)過程中土體坍塌、漏水等問題。同時(shí)為盾構(gòu)始發(fā)后調(diào)整姿態(tài)創(chuàng)造條件，以防止盾構(gòu)上仰、覆土失穩(wěn)、地表隆沉等問題發(fā)生。

1 凍結(jié)法原理及優(yōu)勢

凍結(jié)法是用冷卻的手段使地層中的地下水凍結(jié)成冰，結(jié)冰后地層的強(qiáng)度大為提高，且地下水不再流動，這種加固地層的方法為凍結(jié)法。

本文中選用的是鹽水凍結(jié)法。其是用冷凍機(jī)使鹽水(不凍溶液)在冷卻器中冷卻，并使鹽水預(yù)埋在地中(預(yù)凍結(jié)位置)的凍結(jié)管內(nèi)循環(huán)，最后使土體發(fā)生凍結(jié)。

凍結(jié)法有如下優(yōu)點(diǎn):

1)加固效果好，封水效果明顯。2)凍土在達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，凍土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性有明顯的提高。3)適應(yīng)性廣。4)凍結(jié)工程施工最大的優(yōu)點(diǎn)是鉆孔時(shí)有少量的泥漿排出，凍結(jié)過程不向地層注入任何有害物質(zhì)，是一種“綠色”施工方法。5)凍結(jié)加固土體均勻，整體性好。6)凍結(jié)施工在正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，一般每班只需要6名～8名操作人員，節(jié)約了大量勞動力。7)占用施工場地小。8)隨著凍結(jié)法施工在國內(nèi)應(yīng)用越來越廣泛，凍結(jié)技術(shù)也日臻成熟，凍土墻加固施工成本已大幅降低，據(jù)估算，當(dāng)加固體體積滿足5000 m3時(shí)，造價(jià)接近地下連續(xù)墻，當(dāng)加固體體積超過20000 m3時(shí)，同其他加固方式在經(jīng)濟(jì)方面具有競爭性。

2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1 主要施工方法及操作要點(diǎn)

2.1.1 凍結(jié)施工參數(shù)

加固體厚度，根據(jù)以前施工的盾構(gòu)接收凍結(jié)加固施工經(jīng)驗(yàn)，為安全起見，加固體厚度取2.5 m進(jìn)行校核。

凍結(jié)壁厚度取2.5 m時(shí)，抗剪切應(yīng)力安全系數(shù)為7.5(凍土抗剪強(qiáng)度/剪切應(yīng)力τ)，凍土彎拉強(qiáng)度安全系數(shù)為2.73，其在2.5 m時(shí)即滿足要求。其他具體參數(shù)見表1。

表1 主要凍結(jié)施工參數(shù)一覽表

2.1.2 凍結(jié)孔的布置

1)根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)，凍結(jié)孔布置為近水平角度，沿φ7.5 m開洞口圓形布置，孔間距0.76 m(弧長)，1號孔～31號孔長度為11 m(不包括凍圈混凝土厚度)。

板塊凍結(jié)孔沿開洞口φ5.1 m，φ2.7 m圓形布置，開孔間距為1.14 m ～1.21 m(弧長)，凍結(jié)孔數(shù)21 個(gè)，凍結(jié)孔長度為3.0 m(不包括凍圈混凝土厚度);開洞口中心布設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔，凍結(jié)孔長度為3.0 m。

2)凍結(jié)孔施工工序見圖1。

圖1 凍結(jié)孔施工工藝流程圖

a.定位開孔及孔口管安裝。精確定位孔位后用鉆孔設(shè)備(配金剛石鉆頭取芯)按設(shè)計(jì)角度鉆挖，孔直徑0.15 m，鉆孔深度達(dá)到6 m時(shí)安裝孔口管。孔口處鑿平，孔口管的魚鱗扣上纏好麻絲、涂抹密封物后裝入φ0.15 m孔內(nèi)并用膨脹螺栓將其孔口部位緊固。安裝DN150閘閥，再將鉆孔設(shè)備伸進(jìn)閘閥內(nèi)，鉆挖直徑為0.112 m的孔，一直將混凝土墻打穿，如遇水砂流量大，及時(shí)關(guān)閉閘門。

b.孔口密封裝置安裝?？卓诿芊庋b置采用螺栓固定，密封墊片是此環(huán)節(jié)的重點(diǎn)。

c.鉆孔。按照孔位調(diào)整鉆機(jī)的角度位置，并加以固定，防止在鉆進(jìn)過程中鉆機(jī)位移而影響鉆孔的精確度。在孔口裝置上安裝旁通閥，固定密封裝置。選用MD-50型錨桿鉆機(jī)，扭矩2000 N·m，推力17 kN。先采用無泥漿式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆至無明顯進(jìn)尺時(shí)，即可采用泥漿式鉆進(jìn)，并將旁通閥打開，觀察出水、出砂情況。凍結(jié)孔剖面示意圖見圖2。

d.測斜。成孔后即可進(jìn)行測斜。偏斜率控制在1%以內(nèi)，不宜內(nèi)偏，最大終孔間距不大于150 mm。測斜一般采用經(jīng)緯儀進(jìn)行測量。

e.密封試驗(yàn)。凍結(jié)管密封試驗(yàn)是將成孔管內(nèi)注水進(jìn)行壓力控制。試驗(yàn)壓力控制在0.8 MPa，30 min內(nèi)壓力無變化即為合格。

圖2 凍結(jié)孔剖面示意圖

2.1.3 測溫孔、泄壓孔布置

測溫孔數(shù)量共布置有11個(gè)，3 m深，主要目的是掌握凍結(jié)帷幕范圍不同部位的溫度狀況，便于及時(shí)制定管控措施，保證安全施工。泄壓孔共布置有9個(gè)，6.5 m深，孔間距1.5 m，主要是起到泄壓的作用。測溫管以及泄壓管選用φ32無縫鋼管。具體見圖3。

圖3 凍結(jié)孔平面布置圖

2.2 凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝

1)制冷設(shè)備安裝見制冷系統(tǒng)安裝流程圖(見圖4)。

2)凍結(jié)站管路安裝見凍結(jié)站管路安裝流程圖(見圖5)。

2.3 積極凍結(jié)與停止凍結(jié)

2.3.1 凍結(jié)系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)

設(shè)備在調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)階段時(shí)，要根據(jù)工藝規(guī)程和相關(guān)設(shè)計(jì)要求隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)。在凍結(jié)過程中，對鹽水溫度、鹽水流量和凍土墻擴(kuò)展等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。確定運(yùn)轉(zhuǎn)正常后即進(jìn)入積極凍結(jié)，一周內(nèi)鹽水溫度降至－25℃以下。

圖4 制冷系統(tǒng)安裝流程圖

圖5 凍結(jié)站管路安裝流程圖

2.3.2 停止凍結(jié)

當(dāng)凍土墻平均溫度和厚度達(dá)到設(shè)計(jì)值，并且凍土墻與地連墻界面溫度不高于－5℃時(shí)，即可進(jìn)行洞門破除。進(jìn)行破除作業(yè)時(shí)，密切注意凍結(jié)管的位置，避免因破除作業(yè)誤將凍結(jié)管破壞。如一旦發(fā)現(xiàn)凍結(jié)管漏鹽水，及時(shí)關(guān)閉該凍結(jié)器。

2.4 拔凍結(jié)管

利用熱鹽水循環(huán)的方式拔出凍結(jié)管即利用流量為10 m3/h鹽水泵循環(huán)鹽水(見圖6)，先用30℃ ～40℃的鹽水循環(huán)5 min左右，然后用60℃ ～80℃的鹽水循環(huán)30 min～50 min左右，當(dāng)回路鹽水溫度上升到25℃ ～30℃時(shí)，持續(xù)30 min即可進(jìn)行邊循環(huán)邊試拔。

圖6 鹽水循環(huán)示意圖

1)起拔。利用兩臺10 t的千斤頂進(jìn)行試拔，先拔出至40 cm～60 cm，熱鹽水循環(huán)停止，排除管內(nèi)鹽水后拔出凍結(jié)管。凍結(jié)管不能硬拔，如拔不動時(shí)，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍，直至拔起凍結(jié)管。拔管過程中凍結(jié)管與掛鉤保持在同一平面上，不得左右偏移并保持邊轉(zhuǎn)邊拔。

2)拔管順序。a.拔管要在盾構(gòu)進(jìn)入口內(nèi)，且安裝好密封裝置后進(jìn)行，盾構(gòu)頭部距凍土墻不小于0.2 m，以防影響拔管。b.在隧道范圍內(nèi)所有凍結(jié)管全部拔出后，盾構(gòu)方可開始推進(jìn)，防止盾構(gòu)推進(jìn)損壞凍結(jié)管，使其無法拔出。c.先拔第一、二排凍結(jié)管，不需完全解凍，凍結(jié)管拔至盾構(gòu)上方，用鋼管將其連接成網(wǎng)格，防止下沉，重新連接凍結(jié)系統(tǒng)繼續(xù)凍結(jié)，防止盾構(gòu)推進(jìn)過程中漿液從融化的凍結(jié)孔中溢出。d.第三排凍結(jié)管，用于強(qiáng)制解凍，待凍土平均溫度滿足盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)拔除該排凍結(jié)管至盾構(gòu)上方，重新凍結(jié)。e.盾構(gòu)穿過最后一道凍土墻后拔除洞口兩側(cè)的凍結(jié)管并進(jìn)行充填。

2.5 盾構(gòu)進(jìn)洞準(zhǔn)備

2.5.1 溫度控制

通過測溫手段確定盾構(gòu)外周的凍土溫度不低于－5℃并接近0℃，能保證水呈固態(tài)為宜(此時(shí)凍土抗剪強(qiáng)度不高于1 MPa，所需總推力不大于3000 t)時(shí)，即可進(jìn)行盾構(gòu)進(jìn)洞始發(fā)施工。

2.5.2 打設(shè)探孔

待凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度及強(qiáng)度且破壁剩余厚度在350 mm左右時(shí)，即在洞門圈上布置探孔，探孔布置在相鄰測溫孔中間，探孔大小及深度可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。完成探孔后用電錘擊穿探孔內(nèi)壁，探入凍土內(nèi)10 cm～15 cm。采用高精度的溫度計(jì)或測溫儀進(jìn)行量測，判斷凍土與槽壁的膠結(jié)情況。

2.5.3 槽壁鑿除

若探孔實(shí)測溫度低于－2℃時(shí)即說明凍土與槽壁的膠結(jié)良好，便可拔管，采用分層分塊的形式破除全部槽壁。破壁作業(yè)必須在其融化前快速完成。

3 各項(xiàng)事故處置方案和處理程序

3.1 拔斷凍結(jié)管

拔除始發(fā)口前方的凍結(jié)管時(shí)，嚴(yán)格按照拔凍結(jié)管方法和步驟執(zhí)行，拔管過程應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn):

1)拔管前進(jìn)行化凍試驗(yàn)，確定合理的化凍時(shí)間，盡量在較短時(shí)間內(nèi)完成拔管。2)起拔凍結(jié)管合理控制起拔力，防止斷管發(fā)生。3)拔管后立即用粘土或低標(biāo)號水泥砂漿封孔。4)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)穿越凍土墻時(shí)需連續(xù)作業(yè)，不能停頓，盡量避免凍住機(jī)頭事件發(fā)生。

3.2 盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)

1)盾構(gòu)推進(jìn)前，在機(jī)頭刀盤內(nèi)充鹽水進(jìn)行預(yù)防。2)在盾構(gòu)通過凍土墻時(shí)避免推進(jìn)停頓。3)一旦盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)，可在機(jī)頭內(nèi)用鍋爐加熱化凍。

3.3 盾構(gòu)始發(fā)地層沉降、塌陷

1)監(jiān)測始發(fā)口上方的地層沉降和地連墻位移。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，地表融沉的水平影響距離約15 m，并定期巡查地面和構(gòu)筑物是否有變形、開裂情況發(fā)生。

2)如發(fā)現(xiàn)地層沉降超過規(guī)定值，立即利用凍結(jié)孔上方的卸壓孔進(jìn)行注漿控制和補(bǔ)償變形。施工地面準(zhǔn)備水泥—水玻璃等注漿材料和注漿設(shè)備。

3)如發(fā)現(xiàn)地面嚴(yán)重塌陷，立即撤離附近設(shè)備和人員，并用砂土充填塌陷區(qū)。

3.4 凍結(jié)管鹽水滲漏

1)在始發(fā)口打探孔取樣化驗(yàn)土的含鹽量及凍結(jié)強(qiáng)度，證明凍土墻強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再盾構(gòu)始發(fā)。2)發(fā)生凍結(jié)管滲漏鹽水時(shí)，需及時(shí)找出該凍結(jié)管并停止供應(yīng)鹽水。

4 結(jié)語

凍結(jié)法在盾構(gòu)進(jìn)洞的成功應(yīng)用，解決了以往采用攪拌樁、注漿、旋噴等方法加固的土體不均勻且局部薄弱帶不能封堵壓力泥漿的弱點(diǎn)，凍結(jié)法形成的凍土墻均勻性好、強(qiáng)度高、防水性能好，特別適合于地質(zhì)條件復(fù)雜地段的土體加固，并能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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