盾構(gòu)始發(fā)端頭水平凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)研究

樊文虎，楊 平，姚夢威

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

盾構(gòu)始發(fā)端頭水平凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)研究

樊文虎，楊 平，姚夢威

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

以南京地鐵四號線鎖金村站右線盾構(gòu)始發(fā)端頭加固為例，經(jīng)多種加固方案比選確定了水平凍結(jié)加固法。通過實(shí)測杯型凍結(jié)壁溫度場，分析了干管、分支回路鹽水溫度變化規(guī)律，以及不同深度、不同凍結(jié)加固區(qū)和不同土質(zhì)的土體溫度變化特征。結(jié)果表明:分支回路中鹽水溫度均勻，其變化與干管鹽水溫度變化一致;在整個(gè)凍結(jié)期間，任意時(shí)刻凍結(jié)壁杯體加固區(qū)溫度始終高于凍結(jié)壁杯底加固區(qū);同一測溫孔中，凍結(jié)前期距地連墻水平距離越遠(yuǎn)溫度越高，凍結(jié)后期距地連墻水平距離越遠(yuǎn)溫度越低;在相同凍結(jié)能量和凍結(jié)時(shí)間內(nèi)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土比混合土溫度高。

水平凍結(jié) 盾構(gòu)始發(fā)端頭 土體加固 溫度

盾構(gòu)始發(fā)與接收是盾構(gòu)施工中風(fēng)險(xiǎn)最大的環(huán)節(jié)。在開鑿洞門階段，加固體不連續(xù)、強(qiáng)度不夠和節(jié)點(diǎn)處理不好等極易引發(fā)坍塌、涌砂涌水［1］。人工凍結(jié)法因其安全可靠、適用范圍廣、靈活性好、可控性好和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中具有廣闊的發(fā)展前景［2-5］。但在施工中需要控制土體的凍脹融沉，國內(nèi)學(xué)者對此展開了一系列的研究［6-9］。

本文結(jié)合南京地鐵四號線鎖金村站右線盾構(gòu)始發(fā)端頭水平凍結(jié)加固工程，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析軟弱土層條件下土體溫度場的發(fā)展規(guī)律，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

南京地鐵四號線鎖金村站—花園路站區(qū)間，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程 CK19+374.099，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程 CK20+ 829.200，區(qū)間長度1 455.101 m。該區(qū)間沿板倉街道路下鋪設(shè)。

鎖金村站位于龍?bào)绰放c板倉街交叉口，為交通繁忙地段，周邊存在大量多層敏感性建筑，右線盾構(gòu)始發(fā)端頭中心標(biāo)高 +1.216 m，地面標(biāo)高約為 +14.90 m。洞口為圓形，開口凈直徑6.7 m，底部埋深17.03 m。板倉街下管線密集，埋深較淺。盾構(gòu)機(jī)主要穿越②-3b3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和③-4e2混合土，混合土中含水豐富。地下水類型主要為潛水、弱承壓水及基巖裂隙水。穩(wěn)定水位平均埋深3.52 m，場地地下水變化幅度0.5～1.0 m。

2 加固方案比選

盾構(gòu)始發(fā)端頭加固常用方法有降水法、高壓旋噴法、注漿法、深層攪拌法、SMW工法和凍結(jié)法等。

降水法施工速度快，費(fèi)用低，能夠改善土體的性能，但本工程周邊存在建筑物，采用降水法對周邊影響大，因此不宜采用。

深層攪拌法及高壓旋噴法對淤泥、粉土、砂土等軟弱地基處理有良好的效果，加固土體強(qiáng)度高，在樁身搭接較好的前提下抗?jié)B性能較好，但本工程因地面場地為繁忙的交通要道，不具備攪拌及高壓旋噴加固條件，因此不宜采用。

本工程土體經(jīng)壓密注漿檢測加固效果不太明顯，有些土質(zhì)吃漿量低，加固質(zhì)量不可靠，因此不宜采用注漿法。

SMW工法由于缺少豐富的工程經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)和施工處理往往不夠細(xì)致，在盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中容易出現(xiàn)險(xiǎn)情，并且拔出型鋼時(shí)會造成土體的擾動，可能會導(dǎo)致SMW工法樁身出現(xiàn)裂隙，且因地面場地為繁忙的交通要道不具備施工條件，因此不宜采用。

凍結(jié)法能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，止水性好，形成的凍土墻具有足夠的強(qiáng)度，是一種安全可靠的工法，隨著工程規(guī)模加大，經(jīng)濟(jì)上有一定競爭力［2］。結(jié)合本工程處于交通繁忙路段的交叉口，為了確保盾構(gòu)始發(fā)安全，選用水平杯型凍結(jié)法進(jìn)行加固。

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)與工藝

3.1 凍結(jié)方案與凍結(jié)參數(shù)

針對本工程特點(diǎn)，采用水平杯型凍結(jié)方案，由于端頭未經(jīng)水泥土加固，水平凍結(jié)形成的杯型凍結(jié)壁應(yīng)具備承載及止水的雙重功能，因此為實(shí)現(xiàn)縱向止水要求，凍結(jié)壁杯體長度應(yīng)超過盾構(gòu)機(jī)體1～2 m，取為9 m。為承載地壓經(jīng)數(shù)值分析凍結(jié)壁杯底厚度取3.5 m，凍結(jié)壁杯體厚度取1.6 m。

設(shè)計(jì)最低鹽水溫度 －28～－30℃，凍結(jié)壁杯體設(shè)計(jì)平均溫度≤ －10℃，凍結(jié)壁杯底設(shè)計(jì)平均溫度≤－12℃，積極凍結(jié)期30 d。根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)，凍結(jié)孔56個(gè)，均采用φ89 mm×8 mm的低碳無縫鋼管，其中洞圈外側(cè)沿開洞口φ8.0 m圓形布置32個(gè)凍結(jié)孔，開孔間距為0.785 m(弧長)，凍結(jié)孔深度為10.6 m (含1 600 mm內(nèi)襯墻及地連墻);中圈沿開洞口 φ5.4 m圓形布置15個(gè)凍結(jié)孔，開孔間距為 1.130 m(弧長);內(nèi)圈沿開洞口φ2.7 m圓形布置8個(gè)凍結(jié)孔，開孔間距為1.059 m(弧長)，中心布設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔，凍結(jié)孔深度均為4.3 m(含800 mm地連墻)。共布置6個(gè)測溫孔，其中內(nèi)圈以內(nèi)1個(gè)，內(nèi)圈和中圈之間1個(gè)，中圈和外圈之間1個(gè)，外圈以外3個(gè)，上部1個(gè)(因凍結(jié)加固區(qū)上方土層較好)，下部2個(gè)。具體凍結(jié)孔及測溫孔布置見圖1。

洞門槽壁破除前應(yīng)滿足以下要求:

1)鹽水去回路溫差≤1.5℃;

2)凍結(jié)壁杯體厚度≥1.6 m，凍結(jié)壁杯底厚度≥3.5 m;

3)洞門內(nèi)施打探孔，探孔穿透槽壁進(jìn)入土中5～10 cm，并且凍結(jié)壁與連續(xù)墻交界處溫度≤－5℃;

4)凍結(jié)壁杯體設(shè)計(jì)平均溫度≤－10℃，凍結(jié)壁杯底設(shè)計(jì)平均溫度≤－12℃;

5)積極凍結(jié)達(dá)到30 d。

3.2 施工工藝

水平杯型凍結(jié)工藝流程:施工準(zhǔn)備→水平凍結(jié)孔施工，同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)→安裝凍結(jié)鹽水系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)→凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)→積極凍結(jié)→測溫并分析凍結(jié)壁發(fā)展情況→探孔檢驗(yàn)→各項(xiàng)溫度及凍結(jié)壁設(shè)計(jì)參數(shù)滿足要求→鑿除洞門→停止內(nèi)圈凍結(jié)，拔內(nèi)圈凍結(jié)管，外圈保持積極凍結(jié)→盾構(gòu)推進(jìn)→封堵洞門圈→停止外圈凍結(jié)，拔外圈凍結(jié)管，封堵凍結(jié)孔。

4 凍結(jié)溫度場實(shí)測與分析

4.1 測溫點(diǎn)布置

水平凍結(jié)區(qū)內(nèi)共設(shè)置6個(gè)測溫孔，均選用φ60 mm×3 mm的測溫管，在外圈凍結(jié)管外側(cè)布設(shè)3個(gè)測溫孔(C1，C2，C3)，深度為10.0 m，外圈和中圈之間布設(shè)1個(gè)測溫孔C4，孔深為4.0 m，用于凍結(jié)壁杯體的溫度監(jiān)測;其余2個(gè)測溫孔(C5，C6)均布置在中圈之內(nèi)，孔深為4.0 m，用于凍結(jié)壁杯底的溫度監(jiān)測。測溫孔 C1，C2，C3均設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，分別位于內(nèi)襯墻外側(cè)1，4，7，10 m;測溫孔C3，C4，C5均設(shè)置3個(gè)測點(diǎn)，分別位于內(nèi)襯墻外側(cè)1，2.5，4 m。測點(diǎn)編號依次為Ci－j(i表示測溫孔編號，j表示測溫孔不同深度編號)。各測溫孔方位偏差見表1，測溫點(diǎn)沿測溫孔分布見圖2。

圖1 右線水平凍結(jié)孔及測溫孔布置示意(單位:mm)

表1 測溫孔方位偏差

圖2 測溫點(diǎn)沿測溫孔布置示意(單位:mm)

去回路鹽水溫度監(jiān)測，包括干管去回路鹽水和各串聯(lián)凍結(jié)管的回路鹽水溫度監(jiān)測。設(shè)置10個(gè)分支回路鹽水溫度監(jiān)測點(diǎn)，凍結(jié)管串聯(lián)情況見表2。

表2 各分支回路凍結(jié)管串聯(lián)情況

為了進(jìn)一步判斷洞門開鑿條件，在斷面開“米”字形探孔，探孔深度為1.0 m左右，監(jiān)測凍土與地下連續(xù)墻膠結(jié)面處溫度，探孔編號Ti(i表示測點(diǎn)編號)，斷面布設(shè)參見圖1。

4.2 凍結(jié)情況

右線端頭凍結(jié)加固工程自2014年10月27日開始凍結(jié)，11月29日開始洞門鑿除，12月17日拔內(nèi)圈和中圈凍結(jié)管，外圈凍結(jié)管不拔除并處于凍結(jié)狀態(tài)，至12月29日凍結(jié)停止，整個(gè)過程歷時(shí)64 d。其中，鑿洞門5 d，拔管1 d。12月19日正式始發(fā)，盾構(gòu)刀盤全部離開凍結(jié)板塊，并順利完成始發(fā)，共用時(shí)10 d。

4.3 干管鹽水測溫分析

干管去回路溫差是綜合反映冷媒吸熱量及凍結(jié)效果的重要指標(biāo)。圖3是開機(jī)凍結(jié)64 d干管去路和回路鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線。

圖3 干管鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線

開機(jī)凍結(jié)7 d后干管的鹽水去路溫度－20.8℃，回路溫度－19.0℃，溫差1.8℃。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)開始時(shí)熱交換量大，所以去回路溫差大，此后隨著凍結(jié)時(shí)間的延長，鹽水溫差持續(xù)減小。到凍結(jié)第15 d時(shí)，鹽水去路溫度下降到 －25.0℃，凍結(jié)28 d達(dá)到設(shè)計(jì)溫度－28.0℃。從凍結(jié)第17 d開始，去路鹽水溫差呈緩慢下降趨勢，這是由于此時(shí)各測溫孔溫度均處在0℃以下，熱交換量逐漸減少。積極凍結(jié)期間鹽水去回路平均溫差較大，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)期間熱交換量較小，最終趨于穩(wěn)定。

4.4 分支回路鹽水測溫分析

分支回路溫度反映各串聯(lián)凍結(jié)管回路中的鹽水溫度。分支回路鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線見圖4。可知，10個(gè)分支回路中鹽水溫度下降過程相同。開機(jī)凍結(jié)后，溫度迅速下降，17 d后各分支回路溫度趨于穩(wěn)定。這是由于此時(shí)各測溫孔溫度均處于0℃以下，熱交換量減少。開鑿洞門期間，各分支回路鹽水溫度均略有回升，隨后緩慢下降，最終趨于穩(wěn)定。由此得出，分支回路中鹽水溫度比較均勻，說明鹽水循環(huán)一直處于正常狀態(tài)。

圖4 分支回路鹽水溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線

4.5 測溫孔測溫分析

根據(jù)測溫孔測溫?cái)?shù)據(jù)對處于不同深度、不同凍結(jié)區(qū)域和不同土質(zhì)土體的凍結(jié)效果進(jìn)行評價(jià)。本次實(shí)測研究從大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，抽取積極凍結(jié)期間部分有代表性的測點(diǎn)降溫過程進(jìn)行分析。

1)不同階段及深度土體溫度變化分析

選取板塊內(nèi)測溫孔C5的降溫情況進(jìn)行分析，獲得了不同深度土體溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線見圖5。

圖5 C5測溫孔不同深度土體溫度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知，整個(gè)凍結(jié)過程分為3個(gè)階段:

第1階段(0～7 d):土體最高溫度20.3℃，最低溫度3.8℃，平均每天下降2.15～2.2℃。由于地?zé)幔瑴y溫點(diǎn)越深溫度越高，但是各個(gè)測點(diǎn)的最高溫差僅有0.8℃。

第2階段(8～17 d):土體最高溫度4.4℃，最低溫度－2.5℃，這一階段是土體釋放潛熱的過程，溫度下降較緩慢，平均每天下降0.6～0.7℃。

第3階段(18～32 d):潛熱釋放完畢，凍結(jié)管與其周圍土體進(jìn)行劇烈的熱量交換，凍結(jié)圓柱半徑迅速擴(kuò)大，凍結(jié)壁厚度及溫度接近設(shè)計(jì)值。土體溫度從－2.5℃開始迅速下降，平均每天下降1.0～1.4℃。不同深度的溫度逐漸出現(xiàn)差別，最大溫差為6.3℃。測溫點(diǎn)越深溫度越低，這是因?yàn)檩^淺的土體與地下連續(xù)墻進(jìn)行熱量交換，使得較淺土體溫度損失。

2)不同凍結(jié)加固區(qū)溫度變化分析

選用布置于相同深度、相同土質(zhì)、不同凍結(jié)加固區(qū)中的測溫孔，對其降溫情況進(jìn)行分析，獲得不同凍結(jié)加固區(qū)溫度變化曲線，見圖6。其中，測溫點(diǎn)C3-1，C5-1都在相同的混合土中，距離最近凍結(jié)管的距離均為758 mm，C3-1處于凍結(jié)壁杯體加固區(qū)，C5-1處于凍結(jié)壁杯底加固區(qū)。

由圖6可知，在整個(gè)凍結(jié)期間，任意時(shí)刻凍結(jié)壁杯體加固區(qū)溫度始終高于凍結(jié)壁杯底加固區(qū)。這是因?yàn)閮鼋Y(jié)開始后凍結(jié)壁杯體外圈凍結(jié)孔與加固區(qū)外圍土體相接觸，二者之間溫差較大，外圈凍結(jié)孔凍結(jié)能量不斷向周圍土體流失，凍結(jié)壁杯體能量損失較多，同時(shí)凍結(jié)壁杯底加固區(qū)在外圈凍結(jié)管的保護(hù)下阻擋了與外界熱源的交換。此結(jié)論與王杰等［10］通過實(shí)測研究得出的結(jié)論是一致的。

圖6 測溫點(diǎn)C3-1和C5-1溫度隨時(shí)間變化曲線

3)不同土質(zhì)土層溫度分析

選取布置于相同凍結(jié)加固區(qū)、不同土質(zhì)土層中測溫孔在相同深度的降溫情況進(jìn)行分析，獲得了不同土質(zhì)土層溫度的變化曲線，見圖7。測溫孔C1，C2都處于凍結(jié)壁杯體加固區(qū)，其中C1處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中，C2處于混合土中。由圖7可知，雖然土質(zhì)不同，但是降溫過程仍然具有一定的相似性。測得的相同深度不同土質(zhì)土層的原始地溫比較接近，但是當(dāng)降溫曲線趨于穩(wěn)定后，凍結(jié)混合土溫度較低，凍結(jié)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土溫度較高。這是因?yàn)橛倌噘|(zhì)粉質(zhì)黏土中的結(jié)合水較多，且凍結(jié)時(shí)水分遷移量大，容積熱容量也較大，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土較難凍結(jié)。

圖7 測溫點(diǎn)C1-1和C2-1溫度隨時(shí)間變化曲線

4.6 凍結(jié)效果檢驗(yàn)及洞門槽壁破除條件

凍結(jié)28 d時(shí)，在洞門上呈米字形布置和打設(shè)探孔T1～T9，測得其溫度分別為 －11.5，－11.9，－13.9，－13.8，－13.2，－11.7，－11.6，－11.3，－12.2℃，未見流水流砂，探孔溫度均低于－5.0℃，可推斷凍結(jié)效果良好。

凍結(jié)30 d后，根據(jù)最不利原則，以各測溫點(diǎn)溫度最高值(測溫點(diǎn)C1-4的溫度最高，為－4.1℃)進(jìn)行計(jì)算，得出最小的凍結(jié)圓柱半徑為0.93 m，水平凍結(jié)外圈凍結(jié)壁厚度為1.73 m，達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度1.6 m。

根據(jù)成冰公式［11］計(jì)算凍土壁的平均溫度。由于測溫孔C4，C5，C6布設(shè)在洞門內(nèi)側(cè)，根據(jù)最不利原則，計(jì)算得出凍結(jié)壁平均溫度為－14.3℃，已經(jīng)達(dá)到凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度 －10.0℃要求。并且探孔打設(shè)過程中未見流砂，探孔溫度均低于－5.0℃。

綜合分析，凍結(jié)30 d后，凍結(jié)壁杯體厚度、凍結(jié)壁與連續(xù)墻交界處溫度、凍結(jié)壁杯體平均溫度、積極凍結(jié)天數(shù)均滿足了洞門槽壁破除及盾構(gòu)始發(fā)條件?？梢妼Χ軜?gòu)隧道端頭采用水平人工凍結(jié)法進(jìn)行加固切實(shí)可行。

5 結(jié)論

1)因受地面加固條件限制，軟弱地層可采用杯型水平凍結(jié)法加固，該工程的加固范圍、參數(shù)及工藝可在類似工程中推廣應(yīng)用。

2)分支回路中鹽水溫度基本均勻，其變化與干管鹽水溫度變化一致。

3)凍結(jié)壁溫度隨時(shí)間的變化可分成3個(gè)階段，前兩個(gè)階段不同深度處溫差較小，后一階段因凍結(jié)壁潛熱釋放完畢，不同深度處溫差逐漸變大。同一測溫孔中，凍結(jié)前期距地下連續(xù)墻水平距離越遠(yuǎn)溫度越高;而凍結(jié)后期距地下連續(xù)墻水平距離越遠(yuǎn)溫度越低。

4)在整個(gè)凍結(jié)期間，凍結(jié)壁杯體加固區(qū)溫度始終高于凍結(jié)壁杯底加固區(qū)。

5)在相同凍結(jié)能量和凍結(jié)時(shí)間內(nèi)，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土溫度比混合土要高。

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Research on horizontal freezing reinforcement and scheme design of shield launching end wall

FAN Wenhu，YANG Ping，YAO Mengwei
(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China)

T aking the shield launching end wall reinforcement project located at the right lane of Suojincun in Nanjing metro station No．4 as an example，the horizontal freezing reinforcement method was determined by comparing and selecting several reinforcement schemes，the brine temperature change rules of main pipe and each duplexure was analyzed through actual measurement of the cup-shaped freezing soil wall temperature field，and the temperature change characteristics of soil in different depth，freezing reinforcement regions and different soil texture were discussed．T he results showed that the brine temperature in duplexure is even，change of which is consistent with main pipe，the reinforcement region temperature in cup body of freezing wall is always higher than temperature at cup bottom at any time during the whole freezing period，the farther the horizontal distance to underground diaphragm wall，the higher the temperature is at the early stage of freezing and the lower the temperature is at the end stage of freezing in the same thermometer hole，and the temperature of muddy silty clay is higher than the mixed soil if the freezing energy and freezing time is same．

Horizontal freezing;Shield launching end wall;Soil reinforcement;T emperature

U455.43

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．12

(責(zé)任審編 葛全紅)

2015-03-10;

:2015-06-24

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2014-k3-029)

樊文虎(1992— )，男，安徽桐城人，碩士研究生。

1003-1995(2015)08-0039-05