[黑龙江]冻结法在富水砂层地质条件下盾构开仓中的应用.doc

冻结法在富水砂层地质条件下盾构开仓中的应用哈尔滨地铁项目部 刘天祥摘 要 本文根据哈尔滨地铁一号线哈尔滨东站站南直路站区间盾构开仓成功实践，针对富水砂层地质条件下盾构施工特点，在开仓之前采用人工冻结加固土层施工技术，以测温数据指导施工，确保加固体强度及密水效果满足盾构开仓施工要求，实现盾构开仓安全、质量目标。简要内容：1、工程概况；2、水文地质；3、施工方案选择；4、施工设计；5、体会与结论关键词 城市地铁 富水砂层 土层冻结加固 盾构开仓 1、工程概况哈尔滨东站站南直路站区间位于哈尔滨市道外区桦树街道路下方，区间全长514.943m，采用两台德国产维尔特土压平衡盾构机进行施工，该盾构机外径6.28m，主机长度9.6m，重300t。在前期试掘进施工过程，渣土改良效果较差，盾构机始发掘进39m时，刀盘扭矩较大，螺旋机出渣不连续，渣土温度高，土仓加水、加泡沫充分搅拌后，只有污水从螺旋机内流出，从换刀仓门预留球阀插入钢筋1000mm，均为较密实的砂土，由此判断刀盘及土仓均已结饼，需开仓进行清理。为避免在开仓过程中，刀盘前方水砂通过仓门涌入隧道内造成盾构机淹没、地表塌陷等一系列灾难性事故，经多方论证，决定采用人工冻结对刀盘前侧土层进行加固，常压进场清理的方案。2、工程地质特征哈尔滨东站站南直路站区间地处松花江河漫滩地区，开仓位置隧道顶部埋深9.8m，隧底埋深15.8m，地下水位埋深2.5m，盾构区间穿越的地层主要为稍密的2层粉砂和中密的3层中砂，局部为中密的3T2层粉砂。3层中砂、3T2层粉砂呈中-低压缩性，具有一定承载力，但极易扰动，扰动后强度将会明显降低；而且3层中砂层为微承压含水层，水头高度5.3m5.6m富水性好，开挖面极不稳定。3、施工方案的选择3.1 冻结方案选择综合考虑富水砂层地层易流失特性，为确保加固体有足够强度及密水性，采用垂直钻孔冷冻加固刀盘前方及两侧土体，并采取降水井辅助降水的加固方法，即在盾构机刀盘及掌子面前方利用垂直冻结孔加固地层，使掌子面左右两侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“”状冷冻加固体，冻结体形成后，启动降水井将水位降至盾体以下后常压进仓作业，如下图所示。盾体土仓刀盘冻结加固区降水井3.2施工机具选择考虑环境影响等各方面因素，钻孔选用YGL-100型钻机一台，BW-250/50型泥浆泵2台，冻结管选用1274.5mm20#低碳无缝钢管，采用外管箍焊接连接；供液管采用48mm焊管；测温管采用483mm无缝钢管，冷冻机组选用设备功率为220KW 的W-YSGF300II型螺杆机组2台。4、施工设计4.1、冻结参数设计（1）荷载计算加固体所承受荷载、计算模型如图1所示，为安全起见，其所承受荷载按照模型最深处16.0m计算。应用重液理论计算水土压力，其始发端洞口的水土压力为：P=0.013H （1）P 计算点的水土压力（Mpa）； H 计算点深度（m）。 隧道轴线标高为107m，隧道直径为6.28m 时，开洞口的底缘深度为15.84取16.0m 。则计算得到水土压力为： P 0.208MPa 图1 冻结加固体荷载计算模型（2）加固体厚度计算假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度其计算公式为： （2）式中各符号取值如下表所示：计算得冻土墙厚度为1.43m运用日本计算理论的数据及结果 表1冻土平均温度冻土弯拉强度-10水土压力P加固体开挖内直径D系数 安全系数k计算加固体厚度 h-101.8Mpa0.208MPa6.28m1.21.51.43m为安全起见，加固体厚度取2.0m，冻土深度超过盾构机刀盘边缘3.0m，采用剪切力验算加固体厚度，刀盘周边验算加固体剪切应力。其计算公式为: （3）剪切应力验算数据及结果 表2水土压力P加固体开挖内直径D冻土抗剪强度-10加固体厚度h剪切应力0.208Mpa6.28 m1.5 Mpa2.0m0.16Mpa -10(安全)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： （4） 运用我国建筑结构静力计算理论计算数据及结果 表3水土压力 P加固体开挖内直径 D冻土泊松比 计算加固体厚度 h计算得加固体最大弯拉应力max冻土弯拉强度-10安全系数 k0.208MPa6.28 m0.352.00.644MPa1.8 MPa2.79当加固体厚度为2.0m，安全系数为2.79，满足要求。（3）冻结孔布置根据理论计算，为保证加固体厚度，冻结孔需布置3排，孔距0.8m，梅花形布置，A型孔1排，共计8个，位于盾构机正上方，孔深9.3m，即孔底距盾构机顶部0.5m；B型孔2排，共计29个，冻结孔距刀盘800mm，孔深19m，低于盾构机底部3m；刀盘左右两侧各设置3个冻结孔，孔深19m；同时设置2个测温孔T1、T2，深19m冻结孔布置见图2、图3所示。图2 A排冷冻管竖向剖面图 图3 冷冻孔平面布置图（4）主要冻结参数：盐水温度：-28-30；蒸发温度：-33-35；冻结孔偏斜率3%。；群孔冻结内部冻土平均发展速度均为45mm/d以上，外部（向外）冻土平均发展速度为V=30mm/d；冻土墙交圈时间:21d；冻土墙达到设计强度时间：25d；冷量损失系数：1.2，冷却水温度：23，冷凝温度：35；总需冷量：Q=1.23.14qNHd=3.8910Kcal/h。4.2、监测设计（1）监测内容在施工过程中，必须对以下几个内容进行监测：冻土的发展速度及冻结壁的平均冻结孔温度；土层中的水、土压力；冻土向内、外扩展范围；盾构机内土仓壁温度；冻胀融沉过程土体的变形。（2）温度传感器布置冻结加固体内共布置2个测温孔，分别用于检测群孔冻结效应、冻结温度场影响范围等，在每个孔内布置3个测点，从冻结深度向上每隔58m布置一个测点。 4.3、冻融控制（1）冻胀控制冻土产生的冻胀压力与冻土的平均冻胀率及周围土性的弹性模量、泊松比有关。由于冻结区域是开放式的，根据现场实测结果，最大冻胀力为0.59Mpa，不会对盾构机产生较大影响，故本冻结工程中不需要采取缓释冻胀力的措施。（2）融沉控制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。根据施工经验和土工试验，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浆，减小冻结对周围环境的影响。确保孔内充填密实，在冻结管拔出的同时在孔内灌注、黄砂，以防地面沉降。 冻结管照片 冻结开仓后照片5、体会与结论在富水砂层地区进行盾构法施工，在前期盾构掘进参数摸索阶段，由于渣土改良剂选择不对或配比不理想造成渣土改良效果较差，很容易造成土仓内结泥饼或将注浆管路堵塞，往往需开仓清理。如果在开仓之前对刀盘前方地层加固不到位，在开仓清理时非常容易造成刀盘前侧水、砂通过仓门涌入隧道内，造成盾构机被淹没、地表塌陷等事故。此时可考虑冻结加固技术，实践表明，冻结加固体强度高，均匀性好，隔水效果好，对环境影响小，能有效