濟(jì)南黃河隧道超大直徑盾構(gòu)端頭凍結(jié)加固技術(shù)

王 超

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899）

0 引言

盾構(gòu)法已廣泛應(yīng)用于各類地下工程的建設(shè)當(dāng)中[1，2]，而始發(fā)和接收是其施工中的關(guān)鍵工序。當(dāng)端頭井周邊地層條件較差時(shí)，需進(jìn)行加固處理[3]。

在各種加固方法中，凍結(jié)加固這種加固方式強(qiáng)度高、隔水性好且污染小、綠色環(huán)保，已成為處理地下水的主要工法，目前已普遍應(yīng)用，近年來(lái)，凍結(jié)加固在盾構(gòu)隧道的施工過(guò)程中的應(yīng)用已有較多實(shí)例，如向亮[4]等以蘭州地鐵工程為背景，得到凍結(jié)施工過(guò)程中的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整理得到了沉降變化規(guī)律；王書磊[5]等以福州市軌道交通2號(hào)線為背景，提出了減小或規(guī)避聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程風(fēng)險(xiǎn)的措施；馬俊[6]等以常州地鐵1號(hào)線為背景，對(duì)凍結(jié)全過(guò)程進(jìn)行溫度與變形實(shí)測(cè)，分析了凍結(jié)溫度場(chǎng)發(fā)展規(guī)律以及凍脹引起的地表位移變化規(guī)律；苗立新[7]等以南慶門站端頭施工為背景，提出了凍結(jié)加固施工與其他施工相比需要注意溫度的點(diǎn)等結(jié)論；丁長(zhǎng)鑫[8]等結(jié)合上海地鐵10號(hào)線的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，研究了洞口土體加固的各種方案，對(duì)人工地層凍結(jié)加固技術(shù)有一定的總結(jié)。

本文以濟(jì)南黃河隧道工程端頭井凍結(jié)加固為例，通過(guò)凍結(jié)設(shè)計(jì)、觀測(cè)凍結(jié)帷幕厚度、凍脹融沉控制和監(jiān)測(cè)分析體現(xiàn)凍結(jié)法在盾構(gòu)隧道工程中的應(yīng)用；對(duì)工程中可能會(huì)出現(xiàn)一些風(fēng)險(xiǎn)，例如凍結(jié)管不密實(shí)、凍結(jié)管串聯(lián)支路、凍結(jié)孔偏移造成凍結(jié)帷幕出現(xiàn)缺陷，以及鹽水循環(huán)因凍結(jié)導(dǎo)致鹽水管漲裂或者鹽水泄漏入加固土體使得土體難以凍結(jié)問題等進(jìn)行分析，并提出應(yīng)對(duì)措施。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

始發(fā)端與接收端工作井附近的地層主要由粉質(zhì)黏土、細(xì)砂組成。盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)情況見圖1。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)圖Fig.1 Shield interval geological map

工程區(qū)地下水主要分布在第四系地層中，地下水類型為孔隙潛水，水位埋深0.94～11.31 m，相應(yīng)高程22.50～23.95 m，加固范圍內(nèi)無(wú)承壓水。

1.2 加固區(qū)周邊管線情況

北岸始發(fā)井周邊無(wú)管線，南岸接收井向東管線分布依次為自來(lái)水、污水、通信、電力、燃?xì)狻Ｎ鬯艿罏镈N800HDPE管，埋深1.48 m；通信管為φ100PVC管，埋深1.08 m；電力管為DN200涂塑鋼管，混凝土包封，埋深0.6 m；燃?xì)夤艿罏?19鋼管，埋深1.37 m。雨水管道為DN1000混凝土管，承插口接頭，埋深0.6 m；通信管道為φ100PVC管，混凝土包封，埋深0.5 m；電力管為DN200涂塑鋼管，混凝土包封，埋深0.8 m；通信管道為PVC75管道，埋深0.9 m。

接收井端頭凍結(jié)加固在攪拌樁和槽壁之間2 m范圍內(nèi)凍結(jié)加固，可確保凍結(jié)不會(huì)對(duì)周邊管線產(chǎn)生凍脹影響[9]。

2 凍結(jié)設(shè)計(jì)方案

2.1 需冷量計(jì)算

在凍結(jié)加固施工前，需要對(duì)具體的需冷量[10]進(jìn)行計(jì)算，作為設(shè)備選取依據(jù)。

式中：mc為凍結(jié)修正系數(shù)，凍結(jié)區(qū)取1.2，非凍結(jié)區(qū)取0.45；H為凍結(jié)總長(zhǎng)度，凍結(jié)區(qū)：1 427.8 m（始發(fā)）、1 427.8 m（接收）；非凍結(jié)區(qū)：456.9 m（始發(fā)）、710.36 m（接收）；d為凍結(jié)管直徑，127 mm；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)250 kcal/(m2·h-1)。

代入數(shù)據(jù)后得到凍結(jié)加固時(shí)需冷量為1.914×105kcal/h（單個(gè)洞門始發(fā)），2.028×105kcal/h（單個(gè)洞門接收）。

2.2 凍結(jié)設(shè)備選擇

計(jì)算完需冷量后便根據(jù)工程具體情況選擇對(duì)應(yīng)的施工設(shè)備規(guī)模和數(shù)量。詳見表1。

表1 施工設(shè)備表（單個(gè)洞門）Tab.1 Construction equipment list (single portal)

2.3 清水鹽水循環(huán)設(shè)計(jì)

運(yùn)用選擇好的施工設(shè)備并結(jié)合凍結(jié)加固需冷量，設(shè)計(jì)具體的凍結(jié)加固循環(huán)方案如下：

（1）鹽水循環(huán)設(shè)計(jì)

鹽水選用氯化鈣溶液，單個(gè)洞門總用量為74%氯化鈣晶體約15噸。鹽水干管、集配液圈由φ159×4.5焊管加工制作而成。分支選用φ48×3.5焊管加工制作，并采用橡膠軟管串聯(lián)。鹽水泵選用2臺(tái)IS150-125-315型離心式水泵，流量為200 m3/h，電機(jī)功率為30 kW。

（2）清水循環(huán)設(shè)計(jì)

清水管為φ140×3焊管加工制作。選用8 m3清水箱2個(gè)。新鮮水補(bǔ)充設(shè)計(jì)流量為30 m3/h。選用2臺(tái)IS150-125-315型離心式水泵，流量200 m3/h，電機(jī)功率30 kW。選用KST－80型冷卻塔3臺(tái)。

2.4 凍結(jié)孔布置方案

為了在始發(fā)端和接收端的地層快速形成一定強(qiáng)度的凍結(jié)壁，有必要對(duì)凍結(jié)孔與測(cè)溫孔的間距和數(shù)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

始發(fā)、接收端根據(jù)凍結(jié)孔布置尺寸和設(shè)計(jì)鹽水溫度（-28～-30℃）及凍結(jié)管規(guī)格φ127×5 mm等主要凍結(jié)技術(shù)參數(shù)，對(duì)于凍結(jié)壁的參數(shù)取值，取設(shè)計(jì)平均溫度為-13℃，有效厚度2.0 m。

單個(gè)洞門設(shè)計(jì)采用兩排共計(jì)59個(gè)凍結(jié)孔，A排30個(gè)、B排29個(gè)；凍結(jié)孔距離槽壁0.5 m，相鄰排間距0.9 m，孔間距0.85 m，插花布孔。測(cè)溫孔布置5個(gè)（現(xiàn)場(chǎng)施工后布置在鉆孔偏斜較大處，不在盾構(gòu)推進(jìn)范圍內(nèi)設(shè)置）凍結(jié)孔特征見表2、表3。

表2 始發(fā)端凍結(jié)孔及測(cè)溫孔特征表（單洞門）Tab.2 Characteristic table of freezing hole and temperature measuring hole at origin (single portal)

表3 接收端凍結(jié)孔及測(cè)溫孔特征一覽表（單洞門）Tab.3 List of characteristics of freezing hole and temperature measuring hole at receiving end (single portal)

2.5 凍結(jié)加固條件

為保證被加固地段可以達(dá)到盾構(gòu)成功始發(fā)和接收條件，凍結(jié)加固須滿足以下參數(shù)要求：

（1）凍結(jié)壁厚度≥2.0 m；

（2）凍土平均溫度≤-13℃；

（3）洞周水平探孔溫度≤-5℃；

（4）鹽水去回溫差≤2℃。

始發(fā)、接收端頭土體已進(jìn)行了水泥土攪拌樁加固，荷載主要由攪拌樁加固體承擔(dān)，凍結(jié)法加固作用是破除洞門時(shí)臨時(shí)封水，不進(jìn)行凍土強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.6 拔管方案

在盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)入洞門圈后，刀盤頂部距離凍結(jié)壁20 cm時(shí)，和在盾構(gòu)接收盾構(gòu)機(jī)到達(dá)工作井后進(jìn)行拔管作業(yè)施工，所有凍結(jié)管一次性拔除，并用M15砂漿回填凍結(jié)管孔洞。

利用人工局部解凍的方案，進(jìn)行拔管：利用熱鹽水在凍結(jié)器里循環(huán)，使凍結(jié)管周圍的凍土融化達(dá)到50～80mm時(shí)，開始拔管。

（1）鹽水加熱：用一只1 m3左右的鹽水箱儲(chǔ)存鹽水，用18組5 kW的電熱絲加熱鹽水。

（2）鹽水循環(huán)：利用流量為50 m3/h以上的鹽水泵循環(huán)鹽水，先用40～50℃的鹽水循環(huán)10分鐘左右，即可進(jìn)行邊循環(huán)邊試拔。

（3）用兩個(gè)10噸的千斤頂進(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。然后快速拔出凍結(jié)管。拔管注意凍結(jié)管與掛鉤要成一線，并常轉(zhuǎn)動(dòng)凍結(jié)管，拔管不順利時(shí)，要繼續(xù)循環(huán)熱鹽水解凍。熱鹽水循環(huán)及吹鹽水系統(tǒng)見圖2。

圖2 熱鹽水循環(huán)系統(tǒng)圖Fig.2 Hot brine circulation system diagram

3 凍結(jié)效果分析

凍結(jié)加固中溫度是主要的影響因素，可以通過(guò)分析各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的測(cè)溫孔的數(shù)據(jù)得出凍結(jié)發(fā)展速度和凍土平均溫度等數(shù)據(jù)。

3.1 凍結(jié)帷幕厚度

從測(cè)溫孔溫度分析角度入手，測(cè)溫孔內(nèi)各設(shè)有5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每天測(cè)溫不少于1次并記錄各測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)溫度分析其降溫情況，從而判定凍結(jié)壁發(fā)展情況。測(cè)溫點(diǎn)位置如表4所示：

3.2 凍結(jié)發(fā)展速度和凍土平均溫度的確定

（1）凍結(jié)發(fā)展速度

凍土發(fā)展速度通過(guò)監(jiān)測(cè)測(cè)溫孔溫度變化求得，各測(cè)點(diǎn)凍土發(fā)展速度為測(cè)點(diǎn)離最近凍結(jié)管距離與凍結(jié)溫度降至0℃所需時(shí)間的比值，通過(guò)計(jì)算取所有測(cè)點(diǎn)中最小值，確定其凍結(jié)發(fā)展半徑作凍結(jié)交圈圖，測(cè)量其凍結(jié)帷幕厚度是否滿足要求。本工程凍土發(fā)展速度暫取28 mm/d。

（2）凍土平均溫度

根據(jù)公式法計(jì)算[7]：

其中：t為凍土平均溫度，℃；tb為鹽水溫度，℃；l為孔間距（最大孔間距），m；E為凍土厚度（取凍土最薄弱處厚度），m；tB為井幫溫度（取經(jīng)驗(yàn)值），℃。

各數(shù)值帶入式（2）中確定計(jì)算結(jié)果是否滿足t≤-10℃的要求。

從項(xiàng)目資料得，鹽水溫度=-29℃，孔間距＝0.85 m，凍土厚度=2 m，井幫溫度＝-5℃，代入公式得t＝-10.1℃≤-10℃，即凍土平均溫度滿足要求。

4 施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策

4.1 凍脹與融沉控制

（1）凍脹控制

平均凍脹率與凍脹壓力、周圍土體的彈性模量等參數(shù)有關(guān)[11]。凍結(jié)區(qū)槽壁為C40鋼筋砼，根據(jù)大連路盾構(gòu)出洞、復(fù)興東路盾構(gòu)出洞及上中路越江隧道盾構(gòu)出洞凍結(jié)加固工程監(jiān)測(cè)結(jié)果，凍脹力實(shí)際數(shù)據(jù)較小，對(duì)施工影響不大。

（2）融沉控制

融沉是凍結(jié)法施工過(guò)程中的常見現(xiàn)象[12]，程度與融層厚度、融層土的特性相關(guān)。為盡量避免此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)制冷量較大的冷凍機(jī)組，短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)鹽水溫度控制，間歇式凍結(jié)也可減少融沉量。通過(guò)洞內(nèi)跟蹤注漿可降低凍結(jié)作用對(duì)周圍環(huán)境的影響。凍結(jié)管拔除的同時(shí)往孔內(nèi)灌注黃沙，以確?？變?nèi)充填密實(shí)，最大融沉位置考慮壓漿充填。

4.2 凍結(jié)孔

土體可能由于凍結(jié)管接縫出現(xiàn)縫隙讓鹽水進(jìn)入而大幅減弱凍結(jié)的效果，還有可能發(fā)生凍結(jié)孔偏移，使得凍結(jié)帷幕部分區(qū)域有所缺陷。因此在鉆孔前需要確認(rèn)鉆機(jī)具體位置和角度等幾何參數(shù)。鉆孔時(shí)對(duì)凍結(jié)管分階段焊接以減少失誤，然后對(duì)鉆孔幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)。及時(shí)畫出各孔的偏斜圖。檢漏壓力控制在0.8 MPa，穩(wěn)定15分鐘為合格。

4.3 凍結(jié)過(guò)程

若因故障中斷凍結(jié)，會(huì)使凍結(jié)帷幕出現(xiàn)強(qiáng)度方面的缺陷，或者供冷不均勻使凍結(jié)帷幕出現(xiàn)強(qiáng)度方面的缺陷，鹽水結(jié)晶也會(huì)造成循環(huán)中斷或管斷裂。

在供電中斷的情況下，可啟用現(xiàn)場(chǎng)500 kW備用發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電。準(zhǔn)備備用水以備供水中斷。準(zhǔn)備冷凍機(jī)組以備凍結(jié)站現(xiàn)有的冷凍機(jī)組故障。給各支路鹽水口設(shè)置閥門調(diào)節(jié)鹽水流量以控制各支路溫差。鹽水比重不小于1.26（29.8Beo），結(jié)晶溫度-38.6℃。一旦濃度偏小，及時(shí)補(bǔ)充CaCl2。發(fā)現(xiàn)鹽水泄露時(shí)匯報(bào)并檢查。凍結(jié)管采用內(nèi)管箍加剖口焊接連接，焊縫耐壓強(qiáng)度大于等于0.8 MPa，且凍結(jié)過(guò)程中不存在中空凍脹壓力，所以凍結(jié)不會(huì)造成斷管現(xiàn)象。所有外漏凍結(jié)管在凍結(jié)前均采用保溫板保溫，后期施工人員在操作時(shí)均戴勞保手套接觸鹽水及鹽水管路，以避免人員凍傷。

4.4 破除洞門風(fēng)險(xiǎn)

地連墻破壁時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有可能出現(xiàn)局部化凍現(xiàn)象。萬(wàn)一地連墻與凍土局部膠結(jié)不良或含水層局部未凍實(shí)有可能出現(xiàn)局部滲漏現(xiàn)象。

根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析，凍結(jié)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再破除地連墻；破除地連墻前啟動(dòng)降水井，水位需降至洞門底部以下1 m。破除地連墻期間加強(qiáng)凍結(jié)，如果破除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，用聚乙烯保溫板進(jìn)行分區(qū)保溫；雙回路供電或備好發(fā)電機(jī)，以防停電；破除地連墻后如有局部滲漏可壓注速凝材料堵漏，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備足夠的水源和黏土、沙袋、水泥等，必要時(shí)及時(shí)封堵洞門。

5 結(jié)語(yǔ)

濟(jì)南黃河隧道盾構(gòu)已成功始發(fā)，以上凍結(jié)加固技術(shù)得到了實(shí)際的驗(yàn)證，總結(jié)起來(lái)有以下幾點(diǎn)：

（1）接收井端頭凍結(jié)加固范圍為2 m，避免了凍結(jié)對(duì)周邊管線產(chǎn)生的凍脹影響。

（2）凍結(jié)加固時(shí)需冷量為：19.387×104kcal/h（單個(gè)洞門始發(fā)），20.404×104kcal/h（單個(gè)洞門接收）。根據(jù)需冷量選擇合適的設(shè)備配置方案和清水鹽水循環(huán)設(shè)計(jì)方案，并調(diào)整凍結(jié)孔的間距和數(shù)量以最大限度地發(fā)揮凍結(jié)效果。

（3）由于凍結(jié)區(qū)域是開放式的，槽壁為C40鋼筋砼，實(shí)際凍脹力較小，對(duì)工程影響不大。

（4）在凍結(jié)加固的施工中，包括但不限于凍結(jié)孔、凍結(jié)管、地連管等處均有產(chǎn)生問題的風(fēng)險(xiǎn)，需注意并制定相應(yīng)對(duì)策。