盾构出洞冷冻法加固施工技术.docx

盾构出洞冷冻法加固施工技术钟慧民(天津市地下铁道集团有限公司，天津300162)摘要随着城市轨道的进一步发展，冷冻法作为盾构进出洞土体加固的一种可靠方法，得到广泛的应用。以天津地铁 3 号线铁东路 张兴庄区间隧道盾构出洞为例，介绍加固方案、冻土帷幕设计、冻结系统设计和施工工艺。关键词盾构出洞;冷冻法;加固方案中图分类号tu472. 9文献标识码a文章编号1002-8498(2010)s0-0228-03freezing method strengthening constructiontechnology in shield tunneling setting outzhong huimin(tianjin metro group co. ，ltd. ，tianjin 300162，china)abstract:with development of city metro，freezing method are used widely as a kind of reliable method for strengthening soil to shield tunnel setting out. for shield tunnel setting out of tiedong road to zhangxingzhuang tunnel in tianjin metro line no. 3 as an example，strengthening scheme，design of freezing soil curtain and freezing system and construction tech- nology are introduced.key words:shield tunneling setting out; freezing method; strengthening scheme工程概况天津市地铁 3 号线 14b 标合同段铁东路站 张兴 庄站区间隧道采用日本产小松土压式盾构推进，盾构 外径为 6 340mm，开洞直径为 6 700mm。盾构井隧道 中心标高 11. 405m，地面标高为 + 1. 70m。盾构始发 段覆土 9. 7m，主要涉及的土层为:1 杂填土层、1 灰色淤泥质粉质黏土层、2 粉质黏土、1 灰色淤泥 质黏土层、5 淤泥质粉质黏土层、9 粉土、1 灰色 黏土层、1 粉质黏土、2 粉质黏土层中。为确保盾 构始发施工的安全，盾构始发前需对洞口土体进行加 固，根据地质资料，加固区内土层孔隙比较大，灵敏度、 流变性较大。果，将第 1 排孔尽量向槽壁靠近(本工程第 1 排孔与槽壁距离 400mm)，严格控制靠近槽壁冻结管偏斜。3)盾构始发时，盾构头端部要保持与冻土墙一定 距离，一般不小于 0. 2m，以防止盾构紧靠冻土墙，而使 冻土墙变形，造成拔管困难。1荷载计算盾构始发洞口采取板状冻结方式加固。冻结加固 体在盾构始发破壁时起到抵御水土压力、防止土层塌 落和泥水涌入工作井。该始发洞口冻结加固体，其承 受的荷载，为安全起见计算模型采用最深处 16. 455m 处的土压荷载，如果此工况计算满足设计要求，则其他 工况均应满足，计算模型如图 1 所示。应用重液理论计算水土压力，其始发口的水土压 力为: p = 0. 013h。 式 中: p 为计算点的水 土 压 力 (mpa);h 为计算点深度(m)。以洞门下部底缘处为荷载计算点，深16. 455m，则 计算得到的水土压力 p0. 214mpa。在此应注意:水土压力也可按照朗肯压力理论计算 ，因物理力学指标不全面，在设计计算时按重液理论2. 2方案设计及计算盾构出洞地层加固方案，按冻结孔方向不同可分为 垂直冻结和水平冻结两类，根据冻结深度和埋深，本工 程采取垂直局部冻结法加固盾构始发区域洞口土体。2. 1冻结方案设计根据以往地铁隧道盾构始发工程施工经验，提出 以下技术要点。1)冻胀和融沉主要与冻土的体积有关，体积越大 冻胀和融沉越大，为减少冻土体的体积，选择垂直局部 冻结方案。2)为保证冻土墙与槽壁完全胶结，达到封水的效2收稿日期2010-04-02作者简介钟慧民，天津市地下铁道集团有限公司工程师，天 津市河东区雪莲路百合春天雪莲东里 1-1-1001 300162，电话:(022)58787059，e-mail:546506597 qq. com2010 增刊钟慧民:盾构出洞冷冻法加固施工技术229冻结站安装冻结器安装、监测系统安装 积极冻结运转凿除井壁盾构靠近冻土洞口区域冻结管拔出盾构出洞。冻结孔施工冻结孔布置 3 排，总数 39 个，呈梅花形布置，采用 垂直局部冻结方案。第 1 排孔数 15 个，距槽壁0. 4m， 孔间距 0. 8m;第 2 排孔数 11 个，孔间距 1. 0m，与第 1 排排距为 1m;第 3 排孔数 13 个，孔间距 0. 8 m，与第 2 排排距 1. 0 m，;单孔深为 19. 455m，冻结区域为 12.7m。另外，测温孔为 3 个，深度为 20m。目的主要是测 量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合 采用相应控制措施，确保施工安全。测温孔管材选用45 3 低碳钢无缝钢管。采用局部冻结工艺可以有 效防止冻胀和融沉对工程的不利影响、减少制冷量和 有效地保护环境。打钻选用 xy-2 型钻机 2 台，电机功率 22. 0kw，钻 孔使用灯光测斜，选用 bw-250 /50 型泥浆泵 2 台，电机 功率 14. 5kw。开孔平均偏差率不大于 5，孔径误差 不大于 50mm。冻结管选用 127 5 的 20 号低碳钢无 缝钢管，采用外管箍焊接连接;供液管采用 48 焊管。3. 1图 1 冻土加固体、荷载、计算模型示意进行计算，该理论是一种常用的安全计算方法。冻土 平 均 温 度 为 10 ，冻 土 抗 拉 强 度 拉 =1. 8mpa，冻土抗剪强度 剪 = 1. 6mpa。冻结加固体厚度计算假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日2. 32本计算理论计算加固体的厚度 h = kpd ，计算得124冻土墙厚度为 1. 55m。计算结果如表 1 所示。加固体尺寸确定根据以前施工的盾构始发冻结加固施工经验，为 安全起见，加固体厚度取 3. 0m。冻土与槽壁胶结长度 应超过洞口范围 3. 0m。1)剪切验算加固体厚度 沿工作井开洞口周边验算加固体剪切应力，max =pd / (4h)，计算结果如表 2 所示。2. 4积极冻结工期积极冻结期盐水温度为 28 30 ，冻土平均 发展速度取 30mm / d，冻土强度达到 0. 8 1. 0mpa，外3. 2围冻结孔终孔间距 l1 400mm，冻结帷幕交圈时间max为 24d，因此冻结 25d 后可完全破壁，盾构出洞，考虑凿除。3. 3需冷量和冷冻机选型冻结需冷量计算:q = 1. 2dhk。式中:h 为冻结表 2 中剪切应力 = 0. 12mpa 安全要求。 10 ，满足总长度;d 为冻结管直径;k 为冻结管散热系数;将上述参数代入公式得:q = 5. 69 104 kcal / h。选用 w-yslgf300 型螺杆机组一台套，制冷量 为 8. 7 104 kcal / h，电机功率 100kw。冻结帷幕温度场的监测是通过对设置的 3 个测温 孔监测来实现的，积极冷冻结束，冻结区域的平均冻结 帷幕温度应达到 100 。2)运用我国建筑结构静力计算理论公式进行验算圆板中心所受最大弯曲应力计算公式为 max =p(d /2)2 (3 + )6 2 ，计算结果如表 3 所示。h16经过验算，冻结壁厚度取 3. 0m 时，满足设计要求。施工工艺盾构出洞的主要工序为:施工准备冻结孔施工、3表 1 运用日本计算理论的数据及结果冻土平均温度 / 冻土弯拉强度 10 / mpa水土压力 p / mpa加固体开挖内直径 d / m系数 安全系数 k计算加固体厚度 h / m 101. 80. 26. 71. 21. 51. 55表 2剪切应力验算数据及结果水土压力 p / mpa加固体开挖内直径 d / m冻土抗剪强度 10 / mpa加固体厚度 h / m剪切应力 / mpa0. 2146. 71. 63. 00. 12表 3运用我国建筑结构静力计算理论计算数据及结果计算得加固体最大弯拉冻土弯拉强度水土压力p / mpa加固体开挖内 直径 d / m计算加固体厚度h / m冻土泊松比 安全系数 k应力 max 100. 2146. 70. 353. 00. 341. 83. 0施工技术2010 增刊2303. 4凿除井壁井壁为 800mm 厚 c30 钢筋混凝土结构的地下连3. 6冻胀融沉控制措施土层冻胀是普遍现象，冻胀量的大小与土层力学续墙，井壁分 3 4 层分层剥离，不能一次完成。原则上冻结 15d 后可开始分层破壁，保留最后一层待冻结25d 时凿除，其厚度不小于 300m，以保护冻土壁。在部 分破壁过程中，如发现有渗水点，要及时进行封堵，以 防水土流 失，影 响 冻 土 墙 交 圈。 达到设计冻结工期 25d 后，通过测温孔观测计算，并在槽壁上打探孔，确 认冻土墙达到设计厚度及强度并与槽壁完全胶结后方 可进行最后一层的完全破壁。最后一层破壁时间不宜 超过 2d。以防冻土墙融化，影响其强度。3. 5 冻结管拔起与盾构穿过冻土壁洞口区域中紧贴井壁的冻土板块内的冻结管在盾 构靠近时必须拔起至盾构轮廓之外，以便盾构通过。 起拔过程中被拔的冻结管停止冻结，拔管要在盾构进 入洞口内，且安装好密封装置后进行。盾构头部距冻土墙不小于 0. 2m，以防影响拔管。 冻结管拔起高度为冻结管下端距盾构轮廓 0. 5m。在 隧道范围内所有冻结管全部拔出至盾构以上后，盾构 方可开始推进，防止盾构推进损坏冻结管。盾构在穿 越冻结区时，不宜停留。在拼装管片及故障时，每隔10 15min 将刀盘转动 3 5min，以防刀盘被冻死。拔 管前利用人工局部解冻融化冻结管周围的冻土。具体 方法是利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的 冻土融化达到 100 200mm 时( 回路盐水温度上升到25 30 时) 开始拔管。盐水加热采用 15 20kw 的 电热丝进行，盐水温度 60 80 ，用两个 10t 的千斤顶 进行试拔，拔起 0. 5m 左右时，停止循环热盐水，用压风 将管内盐水排出。然后用行车快速拔起冻结管至预定 高度，在冻结管拔出的同时在孔内灌注黄砂，确保孔内 充填密实。特性，约束条件，冻结速度，土层含水量及水分迁移的多少有关。在浅土层进行冻结时易产生较大的冻胀 量，在较深部位局部冻结时冻胀量要小得多。依据施 工经验，对于本工程，如采用全深冻结最大冻胀量有可 能在 10 20cm，而采用局部冻结冻胀量将大大降低。 影响范围可能波及到非冻土区 1 1. 5m，因此，冻结施 工前，只要对所有影响范围内的管线采取适当的保护 措施，施工过程中，加强检测，冻胀影响完全可以控制。 冻胀力与冻胀率、土层性质和约束条件有关。由于冻 结区域是开放式的，槽壁为 c30 钢筋混凝土，有足够的 强度，因此冻胀力不会对槽壁产生较大影响。融沉主 要是冻土融化时排水固结引起的。滞后于冻土的融 化，冻土融化时的沉降量与融层厚度、融层土的特性有 关。根据施工经验，冻土融化后，其标高可能略低于原 始地层的标高。为减少融沉量，采用局部冻结，减小冻 土体积，解冻后，可在隧道内进行适当的跟踪注