砂质粘土地层冻结加固设计及效果分析

1、砂质粘土地层冻结加固设计及效果分析 李柽 段浩 中煤邯郸中原建设监理咨询有限责任公司摘要：，冻结法施工技术在国内城市地铁建设中被广泛应用于联络通道或盾构端头井地层加固等部位；冻结法对地层的适应性较强，加固面强度和形状可灵活选择。冻结法加固地层能否成功与冻结施工参数的选择以及冻结机组是否能够保证连续正常运转息息相关。本文针对砂质粘土地层冻结施工参数的选择和冻结加固效果进行了简单分析，希望能够对相同或接近地层的冻结施工起到借鉴作用。关键词：地铁，盾构机，冷冻加固，盾构始发前言：作为一种成熟的施工方法，冻结法施工技术在国际上被广泛应用于城市建设和煤矿建设中。在国内城市地铁建设中冻结法施工工艺在上海、

2、北京、深圳等城市被广泛应用于联络通道或盾构端头井地层加固等部位。在盾构端头井冻结加固地层中存在如冻土墙(冻土帷幕)与盾构始发洞口周围围护结构冻结不好，引起冻土墙与围护结构之间漏水；冻土墙承载力不足，或冻土墙厚度和温度没有达到设计要求，在打开洞门时引起冻土墙严重变形甚至破坏，严重威胁盾构始发安全。一、工程概况及地质情况：深圳地铁环中线（五号线）工程民五盾构区间位于宝安区民治村，盾构区间基坑支护采用地下连续墙+钢支撑支护。海瑞克Ø6280mm土压平衡式盾构机施工。隧道顶部覆土厚度7.5m 27.3m。盾构隧道位于砂质粘性土中，其渗透系数0.5m/d。地下水位埋深2.003.40m,距盾构

3、始发3m处有排水涵管，管径为（2*3.5米）。盾构隧道平面位置及其与土层的关系见图1、图2； 图1：隧道与排水涵管平面关系 图2：隧道顶部地质情况二、冻土墙（冻土帷幕）结构形式设计：1盾构始发地层加固需要解决的技术问题，一是要保证打开地连墙时，前方土体不坍塌，不漏水。二是始发时，加固地层要为盾构始发后调整姿态创造条件，防止盾构机出现上仰或覆土失稳、地表隆沉等问题发生。本工程采取图3所示的始发冻结加固形式。为满足功能要求，冻结加固区分为两个部分，一是与地连墙紧贴的前冻土墙（封头冻土墙）；二是平衡段。图3盾构始发冻结加固形式 图4冻土墙荷载、计算模型示意图2冻土墙厚度的确定：始发洞口冻土墙厚度设计

4、参照我国建筑结构静力计算公式，并考虑类似工程的施工经验。冻土墙受力计算按周遍固定圆板考虑，冻土的相关参数参考上海和日本类似土层的试验结果和设计取值，原则上考虑较大的安全储备。冻土墙平均温度取-10，抗剪强度均取1.6MPa、抗弯拉强度取2.0MPa，抗弯拉安全系数取3.0，抗剪安全系数取2.0。盾构始发端头井地层采取板状冻结方式加固，冻土墙需具备一定的厚度和强度，以起到破壁时的封水和稳定作用。冻土墙强度及厚度计算模型如图4所示。根据隧道埋深设计，当开洞直径为6.5m时，开洞口的底缘深度为16.31m。（1）应用重液理论计算水土压力时，其始发口的水土压力为：P0.013H。（式中：P计算点的水土

5、压力，MPa；H计算点深度，m）。计算得冻土墙所受最大静止水土压力为：P=0.013*16.31=0.212MPa（2）冻土墙的厚度依照板块公式计算，其参数及结果列入表1。其公式为：表1按日本计算公式的参数取值与计算结果水土压力P,MPa冻土平均温度T，冻土弯位强度，MPa破洞直径D，m系数安全系数K计算冻土墙厚度h，m0.212-102.06.51.23.02.1（3）按我国建筑结构静力计算公式验算，其公式为：H=P(D/2)2(3+µ)6×K/（16×）1/2计算得冻土墙厚度为1.4m，计算参数与计算结果见表2。表2按建筑结构静力计算公式的参数取值与计算结果水

6、土压力P（MPa）破洞口直径D（m）冻土泊松比冻土弯拉强度（MPa）计算冻土墙厚度h（m）0.2126.50.32.01.4（4）按工作井开洞口周边冻土墙承受的剪力最大设计，则满足最大剪力时为：Max=P(D/2)1/2/hD=PD/4h /k计算得冻土墙厚度为0.43m，计算参数与计算结果见表3。表3剪切强度验算表荷载P(MPa)开挖直径D(m)安全系数k冻土剪切强度(MPa)计算最大剪应力Max(MPa)冻土墙厚h(m)0.2126.52.01.60.80.43由以上计算可得出冻土墙厚度应不低于2.1m，根据现有的施工经验值,取冻土墙厚度为3.0m，封头冻土墙与盾构始发口四周的工作井地连墙

7、搭接宽度取3.0m。以保证足够的密封长度。3、冻结孔布置：整个冻结区域共布置冻结孔4排，共计58个。其中第一排18孔，第二排19孔，第三排16孔，第四排5孔，孔深度21m，由0.0m8.7m为保温段，不冻结。为达到对土体的有效监测，在冻结区域共布置测温孔6个。地面测温孔深度与附近冻结孔深度一致，每个地面测温孔在冻结壁内布置3个温度测点，位置分别为冻结壁中部和离冻结壁上、下边界0.5m处，洞口测温孔深度为进入冻土1m，应避开冻结孔位置。须拔除测温管采用冻结管材，其余测温管42×3mm焊管，对焊连接。冻结孔布置如图5图10。图5 左线隧道始发冻结孔平面布置图 图7 1-1剖面图 图8 4

8、-4剖面图图9 2-2剖面图 图10 3-3剖面图4、冻结施工参数：表4主要冻结施工参数一览表序号参数名称单位参数备注1冻结孔深度m18+32冻结帷幕设计厚度m33冻结帷幕平均温度-104积极冻结时间天305冻结孔（总）数个536冻结孔（总）长度m11297冻结（总）长度m832地面6.71m以下不冻结8冻结孔开孔间距m0.79冻结孔偏斜mm<15010设计最低盐水温度-30冻结7天盐水温度达到-20以下11单孔盐水流量m3/h512冻结管规格mm108×520#低碳钢无缝钢管13测温孔总数个638×3mm14测卸压孔（兼测温孔）个215冻结总需冷量Kcal/h12.

9、1万工况条件16最大用电量kw30017用水量m3/h15新鲜水补充5、冻结孔质量要求根据冻结孔施工图布置冻结孔，孔位偏差不应大于20mm，冻结孔钻进深度应不小于设计深度。钻孔的偏斜率控制在5以内，冻结管和测温管耐压不低于0.8MPa。对冻结管密封试验，试验压力控制在0.8MPa，30分钟内压力无变化为合格。如果密封试验不合格，则需要补打孔或者在该冻结孔内下放小直径的套管。三、冻结状况分析1冻结站运转状况冻结系统于12月18日始进入正常运转阶段，至次年1月20日积极冻结时间达32天。12月20日去回路盐水温度均达到零度以下，此后除12月28日冷冻设备短期故障外，去回路冷冻盐水温度平稳下降，去回

10、路盐水温度差保持在23度之间。积极冻结达到15天后盐水温度降至24以下，去、回路盐水温差小于1；积极冻结时间结束时，盐水干管的盐水温度为去路-30.5，回路-30.0盐水温度达到设计最低盐水温度，。去回路盐水温度温降曲线见图11：图11：去回路盐水温度温降曲线2冻土墙（冻土帷幕）发展状况分析：通过布设在冻结影响范围内土体测温孔中实测的土体温度下降曲线来分析冻土墙（冻土帷幕）的冻结发展速度。在冻结期间对冻结土体的监测在冷冻机组调试完成后应不少于1次/d，并做好土体初始温度监测，以便综合考虑整个冷冻期间的对土体的冻结效果，在积极冻结期间应不少于2次/d。本工程在冻结期间各测温孔内测点温度变化曲线见

11、图121图126（每天取一次测温数据）。从各测温曲线图中可以看出，冻结初期，测点温度下降速率较大，最大温度下降速率23/d。土体温度降至0附近时，由于土中的水结冰相而释放出大量的潜热，测点温度则表现为一定时间内在0附近波动。之后土体温度继续下降，下降的幅度减缓，平均每天下降0.5左右。由各测温孔内实测的各测温点土体温降曲线亦可以得出在设备故障造成冷冻机组停机带来的不利影响，其中影响最大部位在冻结层的中间部位，因此在冻结期间必需保证冷冻机组的正常运转。考虑到设备故障和施工中停电或电力不足的情况不可避免，施工单位在冻结施工时应至少有一台冷冻机组备用并有备用发电机组。 图12C1 图12C2图12C

12、3 图12C4图12C5 图12C6根据测温孔实测温温度的变化，取典型测点进行分析：测温孔C2，于2008年12月18日测得的初始温度为18，在2009年1月4日实测温度达到0，有效冻结时间为18天。与该测温孔距离最近的冻结孔为1-15孔,其距离为380，由此可以推算出冻土平均发展速度为：380/1821.1/d。测温孔C2测得的温降曲线见图12-C2 。测温孔C6孔，于2008年12月18日测得的初始温度为16，在2009年1月10日实测温度达到0，有效冻结时间为24天。与该测温孔距离最近的冻结孔为3-16孔,其距离为540，由此可以推算出冻结平均发展速度为：540/2422.5/d。冷冻孔

13、间距为750mm,取冻结发展速度为22mm/d,则冻结交圈初始时间约在开始冷冻17天左右。测温孔C6测得的温降曲线见图12-C6 。考虑后期冻结平均发展速度稍慢，取外围冻结壁发展速度为20mm/d，由此可以推算得出在32天有效冻结其内，冻结板块冻结壁厚度为：299+1000+1000+560+20*9=3040mm=3.04m(9为后期冻结时间)，超过设计厚度。3冻胀压力测温孔C1兼作冻胀压力测压孔，根据实测冻胀压力变化曲线，可得出冻胀压力在冻结初期变化很小，在冻结4天左右产生突变即土体温度达到4时压力变化较大，这于水体积随温度变化的情况是相符的。同时亦表明在4以上时土体的温降速率较大；在0-

14、4之间土体冻胀压力变化速率较大，达到0后冻胀压力变化平缓，后期由于冻缩原因，冻胀压力趋于稳定。冻胀压力变化曲线见图13。图13 冻胀压力变化曲线4冻土墙（冻土帷幕）平均温度确定：在设计冻结时间结束点即达到积极冻结时间32天时，采用作图法计算冻土墙（冻土帷幕）平均温度，即计算截面冻结壁平均温度为温度曲线包络图面积除以计算截面冻结壁厚度。计算过程中主断面、分界面温度参照隧道冻结范围内布设的测温孔C2、C6、C4孔各测点的温度进行取值，冻结管按照25取值，（冻结管内盐水温度为30）。此处选取薄弱界面进行平均温度计算得到冻土平均温度为15，已达到设计要求的冻土平均温度低于10设计值。薄弱截面处冻结壁平均温度计算图示见图14、隧道盾构出洞冻结交圈假想图见图15。 图14 薄弱截面处冻结壁平均温度计算图示 图15 隧道盾构出洞冻结交圈假想图四、结束语：深圳地铁五号线民五区间盾构端头井地层冷冻加固，经过对冻结过程的严格控制，经盾构推进时的验证，达到了设计要求，为深圳地区目前较为成功