盾構(gòu)進出洞全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)

嵇 彭

(中煤第五建設(shè)有限公司上海分公司，上海 201900)

1 前言

在盾構(gòu)進出洞施工中，人工凍結(jié)技術(shù)以其廣泛的適用性、良好的隔水性、對周圍環(huán)境無污染等特性越來越受到廣大建設(shè)者的青睞。凍結(jié)法可在涌水、流砂、淤泥、高水壓及高地壓等復(fù)雜不穩(wěn)定地質(zhì)條件下進行土體加固，其優(yōu)勢尤為明顯。

在盾構(gòu)進出洞凍結(jié)法土體加固施工中，我國最早引入的是垂直凍結(jié)。但在城市施工中，由于建筑林立、管網(wǎng)密布，地面時常無加固施工場地。2008年初，在上海軌道交通10號線中華路端頭井出洞土體加固中首次采用水平凍結(jié)解決了該類難題，經(jīng)過多個工程的實踐，該項技術(shù)日趨成熟。但在含水量豐富的地層，特別是微承壓水、承壓水層的施工中，雖有外圈孔的維護凍結(jié)，但因盾構(gòu)機刀盤外徑比盾構(gòu)機殼略大(約20 mm)，推進過程中會形成微小空隙，仍常有少量水、沙涌出，與垂直凍結(jié)效果相似。

業(yè)界普遍認(rèn)為，外圈凍結(jié)加固體套筒包裹盾構(gòu)機本體越長，對控制盾構(gòu)進出洞風(fēng)險越有利。2008年底，在南京2號線集慶門盾構(gòu)進洞工程施工中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，將洞門中心線以下的凍結(jié)深度設(shè)計為6 m，效果較普通水平凍結(jié)得到明顯改善。

2 概述

全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)基于使凍結(jié)加固體全方位包裹并超過盾構(gòu)機本體，利用外圈凍結(jié)孔維護凍結(jié)，將盾構(gòu)推進切削土體過程中形成的微小流水通道封閉。由于凍結(jié)加固體已全方位包裹盾構(gòu)機本體，也為利用盾構(gòu)機本體注漿提供了便利條件，可以在凍土與管片、凍土與盾構(gòu)機外殼之間形成注漿封閉環(huán)箍，為防范風(fēng)險再加一道防線。

實現(xiàn)全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固主要需解決以下兩方面問題:

1)凍土與盾構(gòu)機鋼構(gòu)件殼體外表面凍著強度(剪切強度)。根據(jù)文獻［1］，在常見盾構(gòu)進出洞場合，凍土表面正壓力在0．2～0．3 MPa，盾構(gòu)體－凍土凍著面溫度經(jīng)實測后，凍著強度(MPa)可從表1取值。

表1 凍著強度取值表Table 1 The table of Frozen bond strength

一般盾構(gòu)機推力約為3000 t，地鐵盾構(gòu)外徑6．34 m，假定鹽水凍結(jié)，盾構(gòu)－凍土凍著面溫度也可達－10℃，按文獻最小值取凍著強度0．5 MPa，則計算實際凍深僅為3 m。按此理論全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固無法實現(xiàn)，這也是全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)一直未能投入工程實踐的主要原因。

2)水平凍結(jié)施工需在端頭井施工完成后進行，經(jīng)常會出現(xiàn)端頭井洞門上方鋼筋混凝土中板、洞門兩側(cè)柱或側(cè)墻影響凍結(jié)布孔，普通水平凍結(jié)采用傾斜孔解決;全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固水平凍結(jié)管較長，采用傾斜孔時終孔間距達不到全方位風(fēng)險控制的要求。例如，南京地鐵2號線集慶門站進洞就采取了在地面布垂直凍結(jié)孔補充的辦法予以解決，若地面無鉆孔場地，6 m長的凍結(jié)深度水平凍結(jié)孔施工將無法完成。

對于問題1)，分析盾構(gòu)機構(gòu)造可知，盾構(gòu)進出洞施工，盾構(gòu)機刀盤切削土體推進，由于刀盤比殼體大約20 mm，切削土體過程中盾構(gòu)機殼體與凍土間形成微小空隙，盾構(gòu)機剛推進凍結(jié)套筒時殼體與凍土并非緊密凍著。

文獻［2］表明，凍土的形成過程就是土中水結(jié)冰將土顆粒膠結(jié)成整體的過程，水的結(jié)冰過程可分成以下幾個階段，如圖1所示。

圖1 水結(jié)冰過程的降溫曲線Fig．1 Process curve from water to ice

冷卻段:土體逐漸降溫至水的結(jié)冰溫度(冰點)。

過冷段:土體繼續(xù)降溫至水的冰點以下，自由水仍不結(jié)冰，呈現(xiàn)過冷現(xiàn)象。

突變段:部分水結(jié)冰放出潛熱，使溫度升高至接近冰點。

凍結(jié)段:土的溫度升至接近冰點溫度并穩(wěn)定，土中逐漸放出結(jié)冰潛熱而結(jié)冰，逐漸形成凍土。

凍土降溫段:凍土溫度繼續(xù)降低，凍土強度逐漸增大使凍土中水結(jié)冰的邊緣向外擴展，或土全部凍結(jié)后繼續(xù)吸收冷量而降溫。

土的凍結(jié)溫度是判別土是否處于凍結(jié)狀態(tài)的指標(biāo)。純水的結(jié)冰溫度是0℃，土中水分由于受到土顆粒表面能的束縛且含有化學(xué)物質(zhì)，其結(jié)冰溫度均低于0℃。土的結(jié)冰溫度主要取決于土顆粒的礦物化學(xué)成分、土顆粒的分散度、土中水的化學(xué)成分和外加載荷。

全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固，延長了盾構(gòu)機推進過程中形成的微小水流通道，盾構(gòu)機在凍土中的推進時間較長。凍結(jié)加固體包裹整個盾構(gòu)機，且外圈凍結(jié)管在盾構(gòu)機進出洞過程中一直進行維護凍結(jié)，為微小空隙中的水相變成冰創(chuàng)造了條件。只有當(dāng)維護凍結(jié)使該微小空隙中水土回凍成凍土后，凍土與殼體才能緊密凍著，而空隙中水土回凍正是全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固所需要的。為避免盾構(gòu)機外殼與凍土在過低溫度下緊密凍著，需在盾構(gòu)進出洞過程中，對殼體溫度進行實時監(jiān)測(可采用工業(yè)紅外測溫儀)，使溫度不低于－3℃，并備好熱發(fā)生器。

問題2)的解決現(xiàn)在較為簡單，用專利產(chǎn)品長距離水平鉆孔防噴接駁器(專利號:ZL200920273136．4)將鉆孔施工向外延伸，使施工具備足夠的場地，保證凍結(jié)孔的水平鉆進。

以上內(nèi)容證明，全方位凍結(jié)加固技術(shù)在實際盾構(gòu)進出洞施工中是可以實現(xiàn)的。在上海軌道交通10號線曲陽路盾構(gòu)進洞及四川北路盾構(gòu)進洞等多項端頭井土體加固工程中采用全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)，凍結(jié)土體全方位保護盾構(gòu)機，有效控制了盾構(gòu)進出洞的施工風(fēng)險，所加固的土體在盾構(gòu)進出洞過程中滴水不漏、安全可靠。

3 工程實例

3．1 工程概況

全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)首次用于上海軌道交通10號線5標(biāo)溧陽路站—曲陽路站區(qū)間曲陽路進洞施工，區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機本體長7．9 m。曲陽路站南端頭井地面標(biāo)高+4．50 m，隧道中心埋深－8．749 m。上、下行線盾構(gòu)進洞接收處的洞門土體已進行攪拌樁加固，并在加固體與地連墻之間施工旋噴樁封閉止水。但由于豐富含水層的存在以及攪拌樁、旋噴樁對該類地質(zhì)條件適應(yīng)性差，上、下行線進洞各開樣洞9個，樣洞入土不小于300 mm，均存在不同程度的出水、出砂現(xiàn)象(見圖2)。為確保盾構(gòu)進洞的安全，必須對上、下行線盾構(gòu)進洞土體采取其他方式進行第二次加固。

圖2 樣洞滲漏水情況示意圖Fig．2 Diagram in the case of water leakage in the sample hole

3．2 地質(zhì)概況

該段地層地質(zhì)條件復(fù)雜，如圖3所示，盾構(gòu)進洞段穿越的土層主要為②3砂質(zhì)粉土，④灰色淤泥質(zhì)粘土，下部與⑤1－1灰色粘土層貼近，其中②3砂質(zhì)粉土為豐富含水層。

3．3 風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

3．3．1 進洞風(fēng)險

施工點地處繁華地帶，周邊建筑物眾多，地下有通信、煤氣等管線，攪拌樁、旋噴樁加固完成后地面道路已恢復(fù)。進洞處地質(zhì)條件復(fù)雜，一旦進洞失敗，經(jīng)濟損失和社會影響都較大。

應(yīng)對措施:采用全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)控制進洞風(fēng)險，使凍結(jié)加固體全方位保護盾構(gòu)機。

圖3 曲陽路南端頭井地質(zhì)剖面圖Fig．3 Geological profile of the well at the southern end of Quyang road

3．3．2 盾構(gòu)機風(fēng)險

盾構(gòu)機刀盤比殼體略大20 mm，切削凍土?xí)r有微小空隙可以形成流水通道(見圖4)，當(dāng)盾構(gòu)機推出凍土加固區(qū)后，豐富含水層中的水、沙可通過流水通道迅速涌出，沖刷凍土，處理不當(dāng)會有較大風(fēng)險。

圖4 盾構(gòu)機推進過程中形成微小流水通道示意圖Fig．4 Diagram of tiny fluid channel formed during shield driving

應(yīng)對措施:采用全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)，在盾構(gòu)機進洞過程中不拔除外圈凍結(jié)管，繼續(xù)維護凍結(jié)，加長外圈凍結(jié)管入土長度，使盾構(gòu)機在凍結(jié)套筒內(nèi)的推進距離延長，利用維護凍結(jié)的冷量封閉微小流水通道，從根本上控制盾構(gòu)機本身造成的進洞風(fēng)險。

3．3．3 鉆孔風(fēng)險

曲陽路南端頭井已施工完成(見圖5)，洞門圈上部約185 mm處有厚740 mm、長8．45 m(下行線3．27 m)的鋼筋混凝土中板，制約了外圈凍結(jié)孔的布置，如采用傾斜孔則終孔間距過大，終孔處不能交圈;豐富含水層的存在使水平鉆孔極其容易產(chǎn)生噴水、涌沙的風(fēng)險。

應(yīng)對措施:全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)要求外圈水平凍結(jié)孔入土深并保持水平鉆進，鉆進過程中需有效防止噴水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生，盡量避免對地面環(huán)境的影響。使用如圖6所示的長距離水平鉆孔防噴接駁器(專利號:ZL200920273136．4)能夠簡單有效地控制鉆孔風(fēng)險。

圖5 曲陽路南端頭井實況Fig．5 the site of the well at the southern end of Quyang road

3．4 總體方案及主要凍結(jié)參數(shù)

綜合考慮各種因素，為了達到全方位風(fēng)險控制目標(biāo)，總體方案確定為“全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固”，即在普通水平凍結(jié)的基礎(chǔ)上，延長外圈凍結(jié)管長度，使外圈凍結(jié)加固體套筒包裹并超過整個盾構(gòu)機本體，利用維護凍結(jié)使盾構(gòu)機刀盤與殼體之間微小流水通道中的水及泥沙相變?yōu)楸?，封閉流水通道，全方位防控進洞風(fēng)險。

3．4．1 凍結(jié)加固體厚度h的確定

設(shè)計選用凍土墻，平均溫度為－10℃，根據(jù)《上海地區(qū)人工凍土熱物理參數(shù)試驗研究報告》［2］，綜合選取凍土物理力學(xué)參數(shù)。洞口采取板狀凍結(jié)方式加固，外圈采取包裹盾構(gòu)機本體全長凍結(jié)套筒。板塊狀凍結(jié)加固體在盾構(gòu)進洞破壁時，起到抵御水土壓力、防止土層塌落和泥水涌入工作井的作用，凍結(jié)套筒起封閉微小流水通道的作用，確保進洞安全。

通過計算，凍結(jié)加固體板塊厚度取2．29 m完全滿足上海市工程建設(shè)規(guī)范《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》［3］的要求，根據(jù)凍結(jié)孔布置原則，外圈套筒凍結(jié)加固體厚度取1．6 m。

3．4．2 凍結(jié)孔設(shè)計

凍結(jié)孔設(shè)計應(yīng)兼顧工期和施工方便，每個洞門設(shè)凍結(jié)孔57個，分4圈設(shè)置，其中外圈32個，內(nèi)圈3個共25個，如圖7所示。外圈凍結(jié)孔起到包裹盾構(gòu)機全長、全方位控制進洞風(fēng)險的目的，設(shè)計入土深度10 m;內(nèi)圈凍結(jié)孔根據(jù)計算取入土2．3 m;設(shè)測溫孔6個，孔深同凍結(jié)管。凍結(jié)管選用 φ89 mm×8 mm的20#低碳無縫鋼管，連接采用絲扣加焊接;測溫管采用φ50 mm×3 mm的20#低碳無縫鋼管。

3．4．3 主要凍結(jié)施工參數(shù)

主要凍結(jié)施工參數(shù)有:a．積極期鹽水溫度－30～－25℃;b．凍結(jié)孔偏斜率β≤1%;c．盾構(gòu)進洞加固凍結(jié)孔外圈最大終孔間距Lmax=lmax+2βH=1．1 m，內(nèi)圈最大孔間距為 1．2 m;d．盾構(gòu)進洞加固凍土平均發(fā)展速度v=28 mm/d;e．盾構(gòu)進洞加固凍土墻交圈時間T=Lmax/2v=22 d;f．盾構(gòu)進洞加固凍土墻達到設(shè)計強度的時間為35 d;g．冷凝溫度35℃。

3．5 實施

3．5．1 實施流程

進場后，凍結(jié)站安裝與鉆孔施工同時進行，鉆孔施工結(jié)束即可進行凍結(jié)器安裝，開啟冷凍機對土體進行凍結(jié)加固。

根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，利用《簡明建井工程手冊》［4］中的公式進行計算，確定凍結(jié)帷幕交圈、凍土與槽壁完全膠結(jié)并達到設(shè)計強度后，盾構(gòu)推進到離圓柱凍土墻1 m處，停止推進，開始破除洞口槽壁，直至槽壁最后一層鋼筋混凝土(不少于300 mm)，再將洞口內(nèi)凍結(jié)管拔出，槽壁完全破除，實施盾構(gòu)進洞推進。具體施工工藝如圖8所示。

3．5．2 鉆孔施工

水平凍結(jié)孔施工，根據(jù)工況條件選用MD-60A錨桿鉆機進行施工，凍結(jié)管連接采用絲扣加焊接方式，鉆孔使用燈光測斜，與錨桿鉆機配套選用泥漿泵1臺。

鉆孔施工工序為定位開孔及孔口管安裝→安裝長距離水平鉆孔接駁器→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。

施工中注意，嚴(yán)格控制開孔精度，從源頭上保證鉆孔偏斜率在設(shè)計范圍內(nèi);防噴裝置及長距離水平鉆孔防噴接駁器安裝牢固，不少于4根膨脹螺栓與地連墻聯(lián)接;帶水鉆進過程中控制好出砂量，如流出泥沙體積大于凍結(jié)孔體積，立即注單液漿或水泥－水玻璃雙液漿補償，保證地面安全;鉆孔完成后及時測斜、測深，超過設(shè)計要求時需補打鉆孔，使凍結(jié)孔間距、孔深滿足設(shè)計要求;試壓不合格的凍結(jié)孔采用下套管的方式處理，以滿足設(shè)計的要求。為避免鉆桿在長距離水平鉆孔防噴接駁器內(nèi)擺動碰撞接駁器壁，對鉆桿連接部位的焊縫造成影響，開鉆前用優(yōu)質(zhì)粘土充填接駁器。

3．5．3 冷凍站設(shè)計安裝

圖8 實施流程圖Fig．8 Flow diagram tree

計算盾構(gòu)進洞需冷量為3．97×104cal/h(1 cal=4．186 J)。根據(jù)需冷量選擇冷凍設(shè)備，同時配套計算選用鹽水泵、清水泵、冷卻塔。冷凍站主要設(shè)備、材料:a．冷凍機選用W-YSLGF300III型螺桿機組;b．鹽水泵選用IS-150-125型水泵;c．清水泵選用IS-150-125型水泵;d．2臺NBL-50型冷卻水塔;e．鹽水干管和集配液圈選用φ159 mm×6 mm的20#低碳無縫鋼管;f．冷卻水管選用 φ127 mm ×4．5 mm 的20#低碳無縫鋼管;g．選用N46冷凍機油;h．制冷劑選用氟利昂R-22;i．冷媒劑選用氯化鈣溶液;j．用電負(fù)荷為250 kVA。a～c均需安裝備用機。

冷凍站安裝在二層平臺上，不占用地面場地。冷凍系統(tǒng)安裝完成需進行打壓試漏、氮氣沖洗、首次充氟、加冷凍機油、開機試運轉(zhuǎn)等工作。

3．5．4 凍結(jié)效果的監(jiān)測及完成的參數(shù)指標(biāo)

凍結(jié)效果的監(jiān)測及完成的參數(shù)指標(biāo)為:a．鹽水去回路溫差不大于－2℃;b．各孔組溫差不大于－1．2℃，鹽水流量≥5 m3;c．鹽水溫度降至－28℃以下;d．積極凍結(jié)時間要達到設(shè)計值;e．凍結(jié)過程中無斷管和鹽水漏失，如有應(yīng)經(jīng)分析論證確認(rèn);f．選擇合理測溫孔測點溫度，計算凍結(jié)擴展及使平均溫度達到設(shè)計值;g．打探孔無水，且探孔內(nèi)溫度在－0℃以下已結(jié)冰。

監(jiān)測資料及計算結(jié)果表明，經(jīng)過35 d的積極凍結(jié)，凍結(jié)效果達到并超過了設(shè)計要求，盾構(gòu)機安全、順利完成進洞，整個進洞過程滴水不漏。

4 結(jié)語

1)多項工程施工實踐證明，在涌水、流砂、淤泥、高水壓及高地壓等復(fù)雜不穩(wěn)定地層進行盾構(gòu)進出洞施工，全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)優(yōu)勢較為明顯，安全可靠，是控制復(fù)雜不穩(wěn)定地層進出洞風(fēng)險的又一種有效方法。

2)與普通水平凍結(jié)加固相比，全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)只是增加了外圈凍結(jié)管的長度，防控風(fēng)險能力得到較大的提高，減少了聚氨酯等輔助應(yīng)急措施的應(yīng)用，綜合造價沒有明顯提高。

3)全方位風(fēng)險控制凍結(jié)加固技術(shù)延長了盾構(gòu)機本身形成的流水通道，利用維護凍結(jié)使微小流水通道中的水相變成冰，操作簡單，施工方便，易于推廣。

［1］吉田輝，上本勝廣，吉川正．凍著強度試驗方法［C］．地盤工學(xué)研究發(fā)布會發(fā)表講演集，2003:339-340．

［2］中國礦業(yè)大學(xué)，同濟大學(xué)，北京中煤礦山工程有限公司，等．上海地區(qū)人工凍土熱物理參數(shù)試驗研究報告［R］，2008．

［3］上海市建設(shè)和交通委員會．DG/TJ08－902－2006上海市工程建設(shè)規(guī)范旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程．

［4］崔云龍，等．簡明建井工程手冊［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2000．