冻结法加固在盾构进洞施工中的应用

1、92低温 建 筑 技 术2009 年第 8 期(总第 134 期)冻结法加固在盾构进洞施工中的应用丁长鑫 ,璩继立(上海理工大学城市建设与环境工程学院 ,上海 200093)【摘要】软土地区盾构进洞施工中洞口土体易失稳、渗水 ,上海地铁 10 号线溧阳路站到曲阳路站区间 ,隧道在盾构出洞施工采用冻结法加固并取得了良好的效果。本文从洞口土体加固的方案选择、施工关键技术及实际监测等方面进行研究 ,供类似工程实例进行参考。【关键词】 冻结法;盾构;进洞【中图分类号】 TU745【文献标识码】 B【文章编号】 1001 - 6864 (2009) 08 - 0092 - 03APPL ICATIO N

2、 OF SOIL FREEZING REINFO RCEMENT METHODTO S HIELD TUNNEL ING ENTRYDING Chang xin ,QU Ji li(College of Urban Construction and Environmental Engineering , University ofShanghai for Science andTechnology , Shanghai 200093 , China)22Abstract : For shield tunneling in the soft2soil area , in view of the

3、soil mass failure and creepage caused by shield tunneling entry , during the construction of the tunnel between Liyang Road station and Quyang Road station of the Shanghai Rail Transit Line No . 10. soil freezing reinforcement method was applied to the shield tunneling entry and acquire better resul

4、t . This article studies the project from the choice of reinforcement scheme , key technologies and actual monitoring to provide reference for similar projects.Key words :soil freezing method ; shield ; shield tunneling entry近年来 ,冻结法施工已在地铁工程中广泛使用 ,主要用于联络通道、盾构进出洞等土体加固。在上海地铁区间盾构进洞施工中 , 此法已成为可靠安全的施工工艺。

5、其中 , 水平冻结施工加固土体作为上海盾构进洞加固的一种工艺工法得到了广泛的应用。盾构推出预留工作井时 ,需拆除原工作井井壁封门(或临时墙) 。当井壁封门拆除后 ,如封门后土体不能自立 ,这时井内洞圈的密封装置还不能阻挡洞外的土体 ,在复杂应力作用下 ,极易产生大量土体涌入工作井 ,造成洞口周围大面积地表下沉 ,危及地下管线及附近建筑物。因此 ,必须对盾构出洞口附近一定范围土体进行加固 ,使其强度提高 ,透水性减弱 ,并保证出洞期间洞口土体具有自身保持稳定的能力。土体加固常用的方法有注浆加固、深层搅拌桩加固、旋喷桩加固、冻结加固。冻结法加固土层是一种具有加固范围小、强度高、均匀性好 ,隔水性好

6、、对周围环境影响小等优点的加固方法。1 工程概况上海轨道交通 10 号线 5 标溧阳路南端头井盾构进洞土体加固工程 ,区间隧道采用盾构法施工;盾构进洞处地面标高 + 311m ,隧道中心标高 - 91481m。该段地层地质条件复杂 ,盾构进洞段穿越的土层主要为 : 3 层灰色砂质粉土、1 层灰色淤泥质粘土、隧道底部已接近 2 层灰色粉细砂层 ,其中 3 层、2 层为微承压水层 ,盾构进洞时有涌砂涌水的风险。为保证盾构机进洞安全 ,防止泥砂及地下水涌入工作井 ,盾构进洞地基加固采用冻结加固方法施工。2 水平冻结加固方案2. 1冻结方案的确定根据盾构施工所处地层及地面有管线、道路已恢复、没有施工场

7、地 ,地面不具备冻结施工条件。盾构进洞地基加固拟采用端头井内水平冻结加固方法施工。2. 2冻土墙厚度 h 的计算设冻土墙平均温度为 - 10 , 冻土抗压强度 压 = 316MPa ,抗拉强度拉 = 118MPa ,抗剪强度剪 = 116MPa ,洞口采取板状冻结方式加固。冻结加固体在盾构进洞破壁时 ,起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。(1)计算水土压力 :洞口的中心埋深为 121581m (计算取埋深最深的区间隧道进、出洞隧道中心标高) ,当开洞直径为 617m 时 ,开洞口的底缘深度为 151931m ,则按重液公式计算得到水土压力为: P = 01013 H = 01

8、207MPa 。(2) 假定加固体为整体板块而承受水土压力 ,运用日KPD21本计算理论计算加固体的厚度 : h =/ 42,计算得冻土墙厚度为 1 76m。(3) 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 :Pmax =P ( D2) 2(3 + )6161h2丁长鑫等:冻结法加固在盾构进洞施工中的应用93(4) 剪切验算加固体厚度:沿槽壁开洞口周边验算加固体剪切应力max = PD/ 4 h 。表 1运用日本计算理论的数据及结果平均弯拉水土洞口系数安全加固体温度强度压力 P直径 D系数 k厚度 h111max1- 1011- 10 1 8MPa0 20

9、7MPa6 7m1 22 01 76m表 2结构静力计算理论计算数据及结果水土开挖泊松加固最大弯拉 冻土弯拉安全压力 P直径 D比体 h应力max强度- 10 系数 k11111110 207MPa6 7m0 351 76m0 942MPa1 8MPa1 91max - 10 表 3剪切应力验算数据及结果水土开挖内加固体最大剪切 冻土抗剪安全应力max强度- 10压力 P直径 D厚度 h系数 K111110 197MPa1 6MPa0 207MPa6 7m1 76m 8根据计算结果和类似施工经验 ,冻土墙厚度 h 盾构进洞冻结壁厚度取 2m ,外圈维护冻结帷幕厚度取 116m。3 冻结技术措施

10、3. 1冻结范围及冻结孔的布置盾构进洞对加固体强度及密封性要求高 ,实际现场施工情况和条件 ,提出以下实施方案。采用水平冻结方案。冻结加固剖面图及冻结管平面布置图如图 1 、图 2 所示。冻结体为洞口处冻结板块厚 215m ;孔数:水平冻结孔 57 个 ,外圈 32 个冻结孔深度为 4m ,内圈 3 圈 25 个冻结孔深度为 215m ,测温孔 9 个 ;孔深:外圈进入土层 4m ,内圈进入土层 215m ;冻结管管材选择 :外圈 32 个冻结孔选用89 8mm 20 # 低碳无缝钢管 ,内圈 25 个选用89 8mm20 # 低碳无缝钢管。3. 2水平冻结孔施工方法水平冻结孔施工较复杂 ,工

11、序为:定位开孔及孔口管安装 孔口装置安装 钻孔 测量 封闭孔底部 打压试验。(1)定位开孔及孔口管安装:根据设计在隧道内定好各孔位置。根据孔位在槽壁上定位开孔 ,首先注意槽壁内主筋干涉时 ,调整孔位 ,用开孔器(配金刚石钻头取芯) 按设计角度开孔 ,开孔直径133mm ,当开到深度 300mm 时停止钻进。孔口管安装 :首先将孔口处凿平 ,安好四个膨胀螺丝 ,而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物 ,将孔口管砸进去 ,用膨胀螺丝上紧 ,装上 DN125 闸阀 ,用开孔器从闸阀内开孔 ,开孔直径为 110mm ,直将槽壁开穿 ,这时 ,如地层内的水砂流量大 ,就及时关好闸门。(2) 孔口装

12、置安装:用螺丝将孔口装置装在闸阀上 ,注意加好密封垫片。为保护车站内衬结构钢筋不被破坏 ,在车站施工内衬结构时 ,预埋直径 133140mm 的钢管。预埋管的安装角度为水平 0 度 ,外圈下部 3 个冻结孔采用打倾斜孔来满足设计厚度。(3) 钻孔:按设计调整好钻机位置 ,并固定好 ,将钻头装入孔口装置内 ,在孔口装置上接上 115 寸阀门 ,并将盘根轻压在盘根盒内。首先采用干式钻进 ,当钻进费劲不进尺时 ,从钻机上进行注水钻进 ,同时打开小阀门 ,观察出水、出砂情况 ,利用阀门控制出浆量 ,保证地面安全 ,不出现沉降。(4) 封闭孔底部 :用丝堵封闭好孔底部 ,利用接长杆将丝堵上到孔底部 ,利

13、用反扣在卸扣的同时 ,将丝堵上紧。(5) 打压试验:封闭好孔口用手压泵打水到孔内 ,至压力达到 018MPa 时 ,停止打压 ,关好闸门 ,经试压 30min 压力下降不超过 0105MPa ,再延续 15min 压力保持不变为合格。4 冻结制冷及冻结效果4. 1冻结制冷打钻于9 月26 日结束 ,冻结7d 盐水温度达 - 21 ,冻结20d 盐水温度低于设计温度 - 28 ,去回路盐水最大温差为1 ,以后盐水一直保持在 - 30 ,较快的盐水温度下降梯度和较低的盐水温度可提高冻土发展速度和冻结强度。4. 2冻结效果根据施工实际情况 ,共设 5 个测温孔。每个测温孔内分别放置 2 条测温线 ,

14、深度分别为 215m 和 115m ,于 10 月 3 日正式开始记录温度。为了掌握土体的冻结情况 ,进行冻土柱交圈的判断 ,以及冻土墙厚度、强度是否达到冻结设计的要求 ,以确定开洞的时间 ,对冻土温度进行监测。冻土温度通过测温孔得到。以下是对 1 # ,2 # ,3 # ,4 # 测温点进行监测所得到的温度变化曲线如图 4 。从以上 4 个测温孔的温度实测数据来看 :(1) 测温孔温度下降趋势比较稳定 ,盐水的制冷和循环一直保持正常状态 , 冻结发展速度平均保持在 28mmPd 。根据温度监测计算冻土墙厚度和平均温度满足设计要求。(2) 通过实测数据表明:同一孔内二个测点的温度虽相差不大 ,

15、但也呈现出孔越深温度降低越大的趋势 ,这主要是因孔越浅 ,即距离外部环境越近 ,热交换就越大的缘故。11 月 7 日 ,在洞门中部水平位置开 9 个探测观察孔深度94低温 建 筑 技 术2009 年第 8 期(总第 134 期)为 018m ,孔内土体已结冰无水流出; 根据探孔观测试验 ,盾构进洞加固土体冻结厚度已经 212m ,说明实际冻结取得了很好的效果。5 盾构穿越冻结区施工准备及破壁保证措施5. 1盾构穿越冻结区施工准备(1)在溧阳路站南端头井前方隧道位置两侧预埋 4 个孔 ,并准备好聚氨脂等注浆材料 ,一旦发生漏水漏砂现象立即进行注浆堵漏。(2) 由于工作井洞圈直径与盾构外径存有一定

16、的间隙 ,为了防止盾构进洞时及施工期间土体从该间隙中流失 ,在洞圈上加焊一道盾尾刷 ,进一步加强盾构进洞的安全性。5. 2破壁保证措施(1) 打设槽壁探孔。通过测温孔观测计算 ,确认冻结帷幕达到设计厚度及强度 ,在洞门槽壁上均布的打若干探孔 ,以判断冻土与槽壁胶结情况。探孔在两测温孔之间布置 ,按照各探孔的布置在洞门上定点 ,然后用开孔钻机打探孔 ,探孔进入冻土内深度控制在 1015cm ,探孔打好后 ,采用高精度的温度计或测温仪进行量测 ,各探孔实测温度必须低于 - 4 。(2) 槽壁凿除。当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后 ,方可拔管 ,然后将槽壁全部破除 , 最后一层破壁时间

17、不宜超过 1 天 ,以防冻结帷幕融化 ,影响其强度。应采取措施作好保温工作 ,以确保冻土的低温强度。盾构进洞时 ,最后一层破壁可采用分层分块进行 ,如破壁时间来不及的情况下直接用盾构破壁 ,防止冻结帷幕融化 ,造成不良后果。6 拔管水平冻结孔共 4 圈 ,先拔盾构进洞口内的三圈孔 ,先拔中心孔第 1 圈及第 2 圈上部孔、第 3 圈孔上部孔继续冷冻。拔完后 ,开始拔下部孔 ,拔第 3 圈孔时要间隔拔除。盾构机完全进出洞结束后 ,方可起拔最外圈水平冻结孔。7 冻胀与融沉控制措施7. 1冻胀对周围环境的影响及控制土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的 ,多数土层结冰时均要产生冻胀 ,冻胀量的大小

18、与土层力学特性 , 约束条件 ,冻结速度 ,土层含水量及水分迁移的多少有关 ,水变冰的体积膨胀量约 9 % ,而土体膨胀量一般约为 3 %4 % , 依据上海施工经验 ,在浅土层进行冻结时易产生较大的冻胀量 ,对于本工程 ,如采用全深冻结最大冻胀量有可能在 1020cm 之间 ,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 1115m ,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。另根据现场实际地面环境和管线情况定 ,布置热盐水循环孔来保护管线 ,考虑冻胀影响大的地方布置水平热盐水循环孔进行泄压循环。冻土产生

19、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。经实测。由于冻结区域是开放式的 ,槽壁为 C30 钢筋混凝土 ,因此冻胀力不会对槽壁产生较大影响。7. 2冻结卸压土体冻结过程中 ,可能产生一定的冻胀压力 ,为减小冻结施工对周围环境的影响 ,拟在冻土体边缘适当位置布设一定数量的冻结卸压孔(2 个) ,以使部分冻胀力得到释放。7. 3融沉控制和环境保护措施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。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 ,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。在冻结管拔出的同时在孔