地層凍結(jié)法在盾構(gòu)開倉作業(yè)的應(yīng)用

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

盾構(gòu)法施工中，當(dāng)盾構(gòu)刀具磨損，會出現(xiàn)結(jié)泥餅、刀盤轉(zhuǎn)矩過大等導(dǎo)致無法繼續(xù)掘進(jìn)的情況，必須進(jìn)行開倉換刀。此時首先根據(jù)情況考慮選取換刀方法，除常壓開倉和加壓開倉方式外，可考慮地層凍結(jié)加固技術(shù)。地層凍結(jié)技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于礦井建設(shè)、隧道施工、盾構(gòu)始發(fā)及接收端頭加固、地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工、水利工程等。實(shí)踐表明，凍結(jié)加固體強(qiáng)度高，均勻性好，隔水效果好，對環(huán)境影響小，能有效解決富水砂礫層盾構(gòu)開倉難的問題。

1 開倉換刀方法討論

1）常壓開倉換刀 隧道區(qū)間內(nèi)設(shè)計有聯(lián)絡(luò)通道，以往施工方法是在聯(lián)絡(luò)通道四周施工地下連續(xù)墻，將該區(qū)域密閉予以阻隔地下水，再對內(nèi)部的地層進(jìn)行旋噴樁、袖閥管注漿、三軸攪拌樁等方式加固，以便盾構(gòu)開倉與聯(lián)絡(luò)通道開挖，盾構(gòu)常壓開倉換刀也常在此部位進(jìn)行；如果不得已在其他部位進(jìn)行開倉換刀，也須在穩(wěn)定地層中并進(jìn)行過注漿加固后進(jìn)行。

2）加壓開倉換刀 在無法常壓開倉的情況下，立足于對地層進(jìn)行加固后，對盾構(gòu)土倉內(nèi)充填濃泥漿并保持一定壓力，以使?jié)饽酀{滲入土倉外部的土體后形成泥膜，形成泥膜后再做壓氣試驗(yàn)，確保泥膜穩(wěn)定且無漏氣的情況下，再安排作業(yè)人員進(jìn)入加壓的土倉內(nèi)進(jìn)行換刀作業(yè)。

3）地層凍結(jié)開倉換刀 此方法主要是替換常規(guī)注漿加固方式，采用地層凍結(jié)技術(shù)對地層凍結(jié)加固后進(jìn)行的常壓開倉換刀。

表1為幾種開倉換刀方法的比較。

表1 幾種開倉換刀方法比較

2 地層凍結(jié)技術(shù)原理

地層凍結(jié)技術(shù)是利用人工制冷技術(shù)(一般多采用鹽水凍結(jié)技術(shù)) ,首先在需加固的地層中鉆孔鋪設(shè)凍結(jié)管,在地面安裝凍結(jié)站,通過制冷壓縮機(jī)提供的制冷量,利用低溫鹽水在凍結(jié)管中循環(huán),帶走地層熱量,使地層中的水結(jié)冰,將地下水土變成凍土,形成完整性好、強(qiáng)度高、不透水的臨時加固體,達(dá)到加固地層、隔絕地下水與地下工程聯(lián)系的目的。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

南寧地鐵1號線動物園站～魯班路站區(qū)間盾構(gòu)左線隧道推進(jìn)到2#聯(lián)絡(luò)通道處盾構(gòu)需要換刀，由于盾構(gòu)右線在通過聯(lián)絡(luò)通道時，對聯(lián)絡(luò)通道的地下連續(xù)墻造成了擾動，且聯(lián)絡(luò)通道所在區(qū)域地層不穩(wěn)定，含水量高，經(jīng)過多種方案的論證與比較后，采用對地層進(jìn)行凍結(jié)加固，再進(jìn)行常壓開倉的方案。

聯(lián)絡(luò)通道所處土層為⑤1-1卵石，⑤1-2圓礫，且深層具有承壓水。地下水主要賦存于圓礫、卵石及小部分砂土層中，屬松散巖類孔隙水，具承壓性，水量豐富，由于邕江防洪堤的建設(shè)，該層地下水與邕江水力的聯(lián)系趨弱。水位埋深在2.80～10.90m，標(biāo)高在60.26～67.78m之間，穩(wěn)定水位埋深在2.80～12.30m，標(biāo)高在63.35～68.36m。承壓水頭0.10～5.10m。

3.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計

1）凍結(jié)帷幕厚度1.0 m。

2）設(shè)計凍結(jié)壁平均溫度不高于-9℃。

凍結(jié)帷幕設(shè)計如圖1所示。

圖1 凍結(jié)帷幕設(shè)計圖

3.2 凍結(jié)孔、測溫孔布置

3.2.1 凍結(jié)孔布置

凍結(jié)帷幕單排孔孔間距為0.85～1m，內(nèi)部孔間距1.2m，凍結(jié)孔深為15.7～32.9m，凍結(jié)孔為73個，其中外圍孔38個，內(nèi)圍孔(盾殼頂部)27個。凍結(jié)管材選用?133×6.0mm 20#低碳鋼無縫鋼管。有關(guān)技術(shù)參數(shù)：①凍結(jié)孔的開孔位置誤差不大于100mm，凍結(jié)孔最大允許偏斜不大于250mm；②凍結(jié)管耐壓不低于0.8MPa，并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍；③凍結(jié)孔有效深度不小于凍結(jié)孔設(shè)計深度，不能循環(huán)鹽水的管頭長度不得大于150mm。

3.2.2 測溫孔布置

凍結(jié)帷幕不同區(qū)域共布置5個測溫孔，深度為16.08～32.29m，根據(jù)鉆孔的偏斜情況確定測溫孔的位置，目的主要是測量凍結(jié)帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展?fàn)顩r，以便綜合采用相應(yīng)控制措施，確保施工的安全。測溫孔管材選用?89×6.0mm20#低碳鋼無縫鋼管，管前端焊接密封，確保管內(nèi)不得滲水。

3.2.3 凍結(jié)施工設(shè)計其他參數(shù)（表2）

表2 凍結(jié)技術(shù)參數(shù)表

3.3 主要施工內(nèi)容及施工流程

凍結(jié)加固施工可分為凍結(jié)孔施工、凍結(jié)站安裝施工、凍結(jié)施工等5個主要部分，施工完成后，還要及時進(jìn)行地層充填和融沉控制的注漿工作。具體的施工流程如圖2所示。

圖2 凍結(jié)加固施工流程圖

在凍結(jié)過程中，要根據(jù)實(shí)測溫度資料判斷凍結(jié)帷幕是否交圈和達(dá)到設(shè)計厚度，同時要監(jiān)測凍結(jié)帷幕與隧道的膠結(jié)情況，測溫判斷凍結(jié)帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計厚度，可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)期鹽水溫度為不高于-25℃，去回路溫差控制2℃之間。在維護(hù)凍結(jié)期間進(jìn)行常壓開倉換刀。

3.4 日常監(jiān)測

1）每天定時監(jiān)測鹽水溫度、冷卻水溫度、地層凍結(jié)溫度，每天及時記錄并形成日報表。

2）通過實(shí)測測溫孔內(nèi)溫度，計算凍結(jié)帷幕厚度和平均溫度、強(qiáng)度。

3）當(dāng)凍結(jié)達(dá)到設(shè)計要求后，開倉前要在盾構(gòu)內(nèi)底部進(jìn)行降水測試，利用新施工降水井進(jìn)行降水測試，地下水位需降至隧道底以下0.5m，降水孔總水流量不超過1m3/h。

4）開倉過程中，每天多頻次對凍結(jié)系統(tǒng)、凍結(jié)帷幕變化情況進(jìn)行監(jiān)測，并跟蹤收集開倉現(xiàn)場的漏水、倉內(nèi)溫度等信息，及時分析和溝通信息，做好預(yù)警工作和處理措施工作。

3.5 凍結(jié)效果

通過凍結(jié)，將盾構(gòu)土倉周圍的含水土層變成不透水的凍結(jié)加固層，凍結(jié)帷幕強(qiáng)度達(dá)到作業(yè)安全要求，在開倉換刀過程無滲漏水，僅經(jīng)過連續(xù)3天的開倉作業(yè)，刀具更換完成，使得盾構(gòu)開倉換刀安全順利進(jìn)行。

4 結(jié) 語

采用地層凍結(jié)技術(shù)在盾構(gòu)開倉的應(yīng)用是成功的，與其他加固方法相比，封水和地層加固效果很好，開倉作業(yè)過程相比普通常壓開倉和加壓開倉更安全。

目前國內(nèi)已有企業(yè)成功研發(fā)盾構(gòu)冷凍刀盤技術(shù)，將盾構(gòu)設(shè)備與地層凍結(jié)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出盾構(gòu)冷凍刀盤，通過盾構(gòu)上的設(shè)備技術(shù)即可將刀盤周圍的墻體形成凍結(jié)圓盤，充分隔絕了地下水，在此環(huán)境下進(jìn)行開倉換刀。此技術(shù)比常規(guī)的地層凍結(jié)技術(shù)更加快速有效，與加壓開倉、常壓開倉相比，有明顯的安全可靠性和更廣泛的適應(yīng)性、更高的工作效率，符合經(jīng)濟(jì)節(jié)約、工期保障等要求。

在城市軌道交通的快速發(fā)展中,作者認(rèn)為地層凍結(jié)技術(shù)在此方面具有廣闊前景。若能在建設(shè)設(shè)計階段就將人工地層凍結(jié)技術(shù)作為地層處理加固方案考慮進(jìn)去,而不是在其它工法無法解決問題時才考慮采用地層凍結(jié)技術(shù),會使城市軌道交通建設(shè)更為安全、經(jīng)濟(jì)合理。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉典基，陳 饋.盾構(gòu)始發(fā)中水平凍結(jié)法的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2008，(8)：44-48.

[2]劉宇亭，唐益群，周 潔，等．地鐵隧道工程人工凍結(jié)法研究進(jìn)展[J]．低溫建筑技術(shù)，2011，(9)：83-84.