天津地铁3号线盾构接收水平冻结关键技术研究

1、天津地铁3号线盾构接收水平冻结关键技术研究摘 要 在不具备地面加固条件下，为确保天津地铁3号线盾构顺利到达天津站，对盾构到达位置地层采用水平冻结加固措施。结合本工程特点，基于盾构到达冻结技术施工要点，详细设计、分析了水平冻结方案和施工工艺，确保了盾构的安全到达，能够为类似工程提供参考。关键词 天津地铁；盾构到达；水平冻结；加固；施工技术天津地铁3号线南起西青区华苑产业园区，北至北辰区小淀，是天津市快速轨道交通线网中西南至东北方向的骨干线路。解放桥站至天津站站区间从解放桥站始发，穿越张自忠路、海河、海河东路、天津站地下前广场和副广场、天津站铁路股道，到达天津站后广场。本段线路范围涉及铁路股道，地

2、形起伏较大，地下管线密集。该段隧道最大坡度为30，最小曲率半径400m，隧道埋深21.125.0m。隧道采用盾构法施工，从解放桥站始发，在天津站后广场接收，接收处隧道埋深为22.3米。考虑到该处无地面加固条件，端头井距离最近的铁路股道仅为8米，且接收段位于粉砂富含承压水地层，为确保盾构机安全接收，采用水平注浆加水平冻结法对接收段进行加固。1 接收冻结技术要点根据以往地铁隧道盾构接收工程施工的经验，并结合本工程的具体特点，提出以下盾构接收技术要点：（1）为保证盾构接收的安全、可靠，在盾构推进至槽壁之前，开始冻结孔的施工及积极冻结。通过检测确认冻结帷幕达到设计强度、厚度，并与槽壁完全胶结后，再进行

3、槽壁破除；（2）必要时利用J20_型金刚石钻头在到达洞口附近管片注浆孔，进行融沉注浆。在车站楼板下2米位置施工一排冻胀泄压孔兼做融沉注浆孔；（3）利用管片上预留的注浆孔进行跟踪注浆（到达区域的管片增加注浆孔），以减少融沉；另可利用卸压孔进行融沉注浆；（4）冻结施工前，采用水平注浆增加土体的自稳能力，同时较少冻胀以及融沉。2 水平冻结方案设计2.1 工法及工序设计根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“工作井内钻孔水平冻结加固”1-2的施工方案，即：在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成杯型、强度高、封闭性好的冻结帷幕（图1）。通过测温孔观测并

4、计算土体温度以及冻结壁厚度，确保冻结帷幕交圈、冻土厚度达到涉及要求，并与槽壁完全胶结后，盾构推进到离冻结帷幕杯底1m处停止推进，接着开始破除洞口0.5米厚槽壁，再将隧道掘进范围内冻结管拔出，最后实施盾构到达推进，同时破除剩余槽壁。冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段3。水平地层加固和盾构到达的主要施工工艺及顺序见下图2。2.2 荷载计算综合考虑工程地面环境、地质状况，对于平均温度为-10的冻土，冻土强度指标取抗拉强度1.8MPa，抗剪强度1.6MPa，设计的冻结加固帷幕如下图3所示。计算区域取隧道洞中线上方至地面、下取40m，从隧道纵向中点往两头方向各取30m

5、，自地下连续墙沿隧道轴线方向取50m，整个计算区域为60×45×50m。坐标原点位于隧道中心，z轴与隧道轴线平行， y轴为竖直方向。根据施工组织设计，本数值计算考虑隧道接收最不利的情况，即地下连续墙开口洞体全部开挖，3.0m厚的板块加固体承受水土压力。如果在这种情况下冻土帷幕满足强度要求，则实际情况下冻土帷幕的强度必然得到保证。基于Ansys进行有限元分析，得到冻土帷幕加固体单元最大、最小主应力、剪应力如下表1，冻土帷幕的最大拉、压应力和剪应力及强度验算结果如下表2所示。按照冻土帷幕平均温度-10，冻土强度指标取单轴抗压强度4.5MPa，抗弯强度1.8MPa，抗剪强度1.6

6、MPa。板块加固体厚度3.0m，圆柱加固体厚度暂取1.2m。进行了ANSYS三维数值分析，根据分析结果可得出：计算出来的主应力最大最小值都很小，最大值为0.79MPa。板块加固体各个方向上的剪应力呈对称分布，最大最小值基本相等，最大剪应力为0.16MPa。计算得出拉应力安全系数为2.78，压应力安全系数为16.7，剪应力安全系数为9.38，可见其安全储备得以保证。2.3 冻土加固尺寸计算1）土压力 以洞门的下部底缘处为荷载计算点，则深度为-23.465m。则计算得到水土压力为：P0.3MPa。2）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，运用日本计算理论计算加固体的厚度（ ），计

7、算结果如下表3所示：经过验算，冻结壁厚度取2.5m时，抗剪切应力安全系数为7.5，冻土弯拉强度安全系数为3.0，满足设计要求。即板块加固体厚度3.0m，圆柱加固体厚度取1.2m，满足盾构接收要求，安全储备得以保证。3 水平冻结施工工艺3.1 冻结施工1）冻结孔施工 根据冻结帷幕设计，冻结孔按近水平角度布置。圆柱体冻结孔沿开洞口7.5m圆形布置，开孔间距为0.76m（弧长），冻结孔数31个，冻结孔1#31#长度为11m（不包括冻圈混凝土厚度）。圆柱体水平冻结孔示意图4。2）冻结孔施工 按设计要求调整好钻机方位角和俯仰角位置，并固定好，在孔口装置上安装旁通阀，固定密封装置，安装示意图如下图5所示。首先采用无泥浆钻进，当钻进不进尺时，调整施工工艺进行泥浆钻进，同时打开孔口装置上旁通阀门，观察出水、出砂情况。钻机选用MD-50型锚杆钻机，钻机扭矩20_0N·M，推力17KN。3）确定冻结参数 根据以往施工经验及前期分析计算4-5，确定冻结参数具体为：积极冻结期盐水温度为-28-30；维护冻结期盐水温度为-25-28；外围冻结孔终孔间距Lma_1000mm，冻