粉砂层盐水冻结地基加固施工技术

2008年度优秀科技论文粉砂层盐水冻结地基加固施工技术第23页共23页粉砂层盐水冻结地基加固施工技术【内容提要】：杭州地铁滨江站，右线盾构出洞采用盐水冻结技术对粉砂地基进行加固，使不稳定的含水地层形成强度很高的冻土体，成为完整的防水屏蔽，起到隔水作用，同时也起到了良好的挡土墙作用，以承受外来荷载。【关键词】：粉砂、盐水冻结、孔位、拔管1.前言滨江站～富春路站区间为杭州地铁1号线工程，穿越钱塘江全地下区间，里程范围为K5+880.3～K8+835.859，区间左线总长为2.946km，区间右线总长为2.956km。分别在里程K6+755和K8+355设置2座中间风井。滨江站盾构出洞所穿越的地层为粉砂层（粉砂：灰、青灰色，中密，饱和，含有机质、云母屑）。根据施工的要求和实际情况，在盾构出洞地基加固方面采用了不同的加固方式，如深层搅拌桩、高压旋喷桩、盐水冻结法。这里主要介绍的是盐水冻结法。我国采用冻结法技术施工煤矿井筒自1955年开始，至今有50多年的历史，共用冻结法施工煤矿井筒430余个。其中冻结最大深度435m，冻结表土层最大厚度375m，冻结法技术已是我国煤矿井筒施工中成熟、可靠的特殊施工方法之一。90年代引入轨道交通建设，以其特有的优势在该类工程特别是在松软含水地层施工中具有不可替代性，随着科技的发展和对其研究工作的深入，冻结技术将日臻完善。2.工艺原理盐水冻结技术应用于隧道盾构出洞，对工作井附近土层进行封闭加固，其原理如下：在盾构出洞口前方3-4m、隧道圆形设计断面及其周边3-4m的范围内，钻铺若干排垂直冻结器（由于滨江站已经进行了先期的地基加固，所以本次加固只采用2排冻结孔的垂直冻结方式），在冻结器内循环盐水，逐渐降低地层温度，地层中的水变成冰，冰和土颗粒逐渐形成冻结连续体，将冻结区域和混凝土地下连续墙形成整体冻结封闭加固区，防止在凿除隧道洞门钢筋混凝土和盾构在加固区推进时产生涌水涌砂现象，最终确保盾构机顺利出洞。3.冻结方式冻结法依其冷却地层的方式，可以分为直接冻结和间接冻结两大类；依其冷却位置的方式，可以分为水平冻结和垂直冻结两大类。滨江站（右线）采用了间接冻结和垂直冻结的方法。3.1间接冻结方式这里的间接冻结方式是采用盐水冻结方式。盐水冻结法是利用氨压缩调节制冷，并通过盐水媒介热传导原理进行冻结。在滨江站（右线）工作井顶层平台安装冷冻设备，冷却比重为1.26的盐水至-25℃～-30℃，然后使其进入冻结管内循环，从而使地层土壤冻结，待温度升高后盐水回流到冷冻机再冷却。这样，盐水就在热交换过程中循环不息，冻结管周围地层的冻土圆柱体直径不断扩展变大，并与相邻冻土圆柱体相交，在工程施工范围内形成完整的屏蔽，成为具有一定厚度和强度的又能防渗的挡土墙或拱形体。3.2垂直冻结垂直冻结是采用板状冻结加固理论设计的，对盾构进出洞口上部的土体布置一定数量的垂直冻结孔（滨江站右线采用的是23个冻结孔），经冻结后，在洞门处形成板状冻土帷幕来抵御盾构进出洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。垂直冻结可分为全深冻结和局部冻结，全深冻结是对所需要的冻结深度全部冻结，而滨江站这里采用的是局部冻结，它是一种只对盾构穿透的土层范围进行局部的冰冻加固，其它土体不进行加固的局部加固方法。4．冻结封水处理方案根据滨江站施工条件和施工工期，采用盐水螺杆机组垂直局部冻结方案能满足工期和封水加固的要求。4.1冻结帷幕设计设计在盾构出洞段加固土体前打设2排垂直冻结孔的方案，将盾构出洞段搅拌加固和高压旋喷加固的漏水通道冻结封闭。根据出洞段的水文地质资料，设计板块的冻土墙平均温度为-10℃，该土层冻土各参数取值为抗压强度σ压=3.5Mpa,抗拉强度σ拉=2Mpa，抗剪强度τ剪=1.6Mpa。4.2冻土墙厚度h的确定4.2.1计算水土压力：洞口的中心埋深为12.865m（计算取埋深最深的盾构出洞口处隧道中心标高），当处理洞直径为6.7m时，处理洞口的底缘深度为16.215m。则按重液公式计算得到水土压力为：P=0.013H=0.210Mpa4.2.2假定加固体为整体板块而承受水压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度：，计算的冻土墙厚度为1.68m.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σ水土压力P加固体开挖内直径径D系数β完全系数k计算加固体厚度hh-102MPa0.21MPaa6.7m1.22.01.68m4.2.3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表2运用运用我国建筑结构静力计算理论计算数据结果水土压力P加固体开挖内直径径D冻土泊松比μ计算加固体h计算得加固体最大大弯拉应力ττmax冻土弯拉强度τ-10℃安全系数k0.21MPa6.7m0.351.68m1.04MPaa2MPa1.92τmax《τ-100℃4.2.4剪切验算加固体厚度沿盾构处理切口周边验算加固体剪切应力表3剪切应力验算数据及结果水土压力P加固体开挖内直径径D计算加固体h最大剪切应力τ冻土抗剪强度τ-10℃安全系数k0.21MPa6.7m1.68mτmax=0.2009MPaτ-10℃=1.66MPa7.6τmax《τ-100℃4.3冻结孔的布置：为了封好水，并根据要求，对已知的漏水点进行布孔冻结，设计冻结孔的布置见下图（冻结孔布置图）。采用双排垂直冻结孔，冻结管选用直径127*5mm20#低碳钢无缝钢管；冻结孔数23个，冻结孔间距为0.8m，排间距为0.7m，设计最大终孔间距为1.2m，距槽壁之间的距离为0.3m，冻结孔深为19.25m，采用局部冻结方案即地表以下6.7m不冻，冻结范围为6.7～19.25m。冻结孔布置图4.4制冷设计4.4.1冻结参数确定4.4.1.1设计盐水温度为-25℃～-30℃。4.4.1.2冻结孔单孔流量不小于5/h4.4.1.3冻结孔终孔间距Lmax≤1200mm，冻土发展速度取25mm/d，冻结帷幕交圈时间为24天，达到设计厚度时间为35天。4.4.1.4积极冻结达到开挖时间为35天，维护冻结时间为7天。4.4.1.5测温孔3个，深度为9.1～19.25m，布置在内测和外侧，不布置在盾构进行区域内。4.4.2需冷量和冷冻机选型冻结需冷量由下式计算：Q=1.3*π*d*H*K式中：H－冻结长度d－冻结管直径K－冻结管散热系数；300Kcal/h*将上述参数带入公式得：Q=44946Kcal/h选用YSLGF300Ⅱ型螺杆机组一台套，设计单台机组工况制冷量为87500Kcal/h，单台电机功率110KW。4.4.3冻结系统辅助设备4.4.3.1盐水循环泵选用IS125-100～200型1台，单台流量200/h，电机功率45KW。4.4.3.2冷却水循环选用S125-100～200C型1台，单台流量120/h，电机功率18KW。4.4.3.3冷却塔选用NBL-50型2台，补充新鲜水10/h。4.4.4管路选择4.4.4.1冻结管选用φ127*4.5mm,20#低碳无缝钢管。4.4.4.2测温孔管选用φ45*3.5mm20#低碳无缝钢管。4.4.4.3供液管选用”钢管，采用焊接连接。4.4.4.4盐水干管和集配液圈选用φ159*6mm无缝钢管。4.4.4.5冷却水管选用φ127*4.5mm供水钢管。4.4.5用电负荷：用电负荷约220kw/h。4.4.6其它4.4.6.1冷冻机油选用N46冷冻机油。4.4.6.2制冷剂选用氟利昂R-22.4.4.6.3冷媒剂选用氯化钙溶液。5冻结施工5.1钻孔工程量：本次冻结施工设23个冻结孔共460m，3个测温孔共50m。打钻选用XY-1C型钻机2台，电机功率22KW，钻孔使用灯光测斜，选用BW-160/50型泥浆泵2台，电机功率14.5KW。打钻深度根据实际施工情况为20.5m左右,多出部分为沉渣要求。具体数据见下表。表4钻孔施工表桩号日期时间天气仪器高(m)偏距(cm)偏角(°)倾斜率(%)1-1#2008年7月33日下午晴1-3#7月5日7：00-15：3000.8816.85900.9872-2#16：00-20：2000.8614.8870.8251-12#21：30-6：160.8517.029012-3#7月6日5：55-10：4000.9162550.9922-11#8：00-18：3000.80511.93050.7082-4#15:00-199:300.817.5900.4741-11#19:50-7::000.8115.342350.9761-4#7月7日6:00-17::200.861400.821-5#17：42-7：400.74515.42900.9782-10#8：00-18：3300.861400.821-10#20：30-7：100.87591850.531-6#7月8日8：00-8：250.66517.4891.022-9#8：00-6：300.8815.43890.9881-9#7月9日8:38-188：30雨0.90511.73300.71-7#9：00-17：1000.82.31260.632-6#17：40-9：400.77316.5450.9982-8#20：35-8：300.9815.630.9992-5#7月10日09:55-8：：40晴0.61519.53911-8#15：20-7：000.76820931.052-7#7月11日9：00-9：100.7619.21151.032-1#7月12日9：40-18：3000.955142900.875测温孔3#14：30-15：3000.751500.56测温孔2#16：45-18：0001.0116.5640.9951-2#7月13日6：25-16：4000.7416.817511-1#16：50-7：400.87518.32381.04测温孔1#7月14日8：15-11：0000.9519.53601.055.2冻结管、测温管和供液管规格：冻结管选用φ127*4.5mm20#低碳无缝钢管，采用外管箍焊接连接；供液管采用”焊管；测温管采用φ50*3无缝钢管。5.3打压试验：封闭好孔口用手压泵打水到孔内，冻结管打压0.8Mpa以上，保持30分钟，压力无明显变化为合格。经验收23个冻结孔全部达到设计要求。5.4盾构破槽壁出洞应具备的条件5.4.1冻结系统各孔组之间、盐水去回路温差不大于-1.2℃。盐水总去、回路温差不大于2℃。经过施工监测结果显示满足要求（具体数值见表7）。积极冻结4天盐水降至-18℃以下，积极冻结8天盐水温度下降至-24℃，冻结系统正常运转期间盐水温度降至-25℃～-30℃之间且冻结管无盐水漏失。符合设计要求。表6打压试验表冻结孔打压试验桩号日期开始时间压力（Mpa）结束时间压力（MPa）2-10＃7.1310:420.9911:1212-9＃10:451.1411:151.141-10＃11:001.0211:301.042-7＃15:180.9915:480.951-9＃15:341.0316:041.021-8＃16:451.0417:151.032-6＃16:48117:280.981-7＃17:07117:370.992-8＃17:301.0218:001.022-4＃17:351.0718:051.071-6＃17:551.0218:251.021-5＃18:15118:460.992-5＃18:170.9818:470.961-11＃18:340.9819:050.961-4＃7.147:451.048:151.032-11＃7:5018:2011-12＃7:551.188:301.181-3＃9:101.049:401.032-2＃9:301.110:001.12-3＃9:401.1210:101.121-1＃16:281.1116:581.111-2＃16:301.0417:001.042-1＃16:300.9717:000.965.4.2根据每天6次的设备运行记录显示单孔、组盐水流量≥5/h，均已达到要求。5.4.3测温孔共3个。每个孔内分别放置了5条测温线（设置5个测温点），测温点深度距离地表面分别为7m;10m;13m;16m;19m。盐水温度于7月20日开始测量，测温孔温度于7月23日开始测量。结果见表8。测1孔冻土发展速度为55mm/d；测2孔冻土发展速度为33mm/d；测3孔冻土发展速度为25mm/d；根据内外发展速度，则最慢向外冻结发展半径为r=25mm×35天＝875mm；内外平均发展半径为1300mm作图，从图上测量出：冻结帷幕厚度最薄为1750mm；大于设计的1.6米。因此冻结帷幕厚度已满足设计要求。通过测孔1得出冻结壁平均温度为-10.17℃，通过测孔2得出冻结壁平均温度为-10.26℃。满足设计要求。5.4.4设计积极冻结期35天，到8月24日已35天，满足设计冻结期。于是在洞门圈上冻结孔布置圈内与冻结薄弱区范围内各开一探测观察孔，实际观测冻土墙效果。8月25日，在洞门圈内，离门圈周围0.5m的位置；呈米字形各开一探测观察孔，深度为0.9m，孔内土体已结冰无水流出。5.4.5经相关人员验收通过，可将洞门钢筋混凝土全部凿除，进行盾构机出洞工作。表7盐水去回路表日期去路回路7月20日2.04.07月21日-4.0-2.07月22日-18.0-16.07月23日-21.0-19.07月24日-21.0-19.07月25日-21.0-19.07月26日-23.0-21.07月27日-24.0-22.07月28日-26.0-24.07月29日-27.0-25.57月30日-27.0-25.57月31日-27.5-26.08月1日-28.0-26.58月2日-28.0-26.58月3日-28.5-27.08月4日-29.0-28.08月5日-29.0-28.08月6日-29.5-28.58月7日-29.5-28.58月8日-29.5-28.58月9日-29.5-28.58月10日-30.0-29.08月11日-30.0-29.08月12日-30.0-29.08月13日-30.0-29.08月14日-30.0-29.08月15日-30.0-29.08月16日-30.0-29.08月17日-30.0-29.08月18日-30.0-29.08月19日-30.0-29.08月20日-30.0-29.08月21日-30.0-29.08月22日-30.0-29.08月23日-30.0-29.08月24日-30.0-29.0表8测温孔温度记录测温孔汇总记录表表日期1-1#1-2#1-3#1-4#1-5﹟2-1#2-2#2-3#2-4#2-5#3-1#3-2#孔深7米10米13米16米19米7米10米13米16米19米6米9米7/2322.515.25.7-2.6-0.531.530.328.926.52440.439.27/2419.912.24.2-4.7-3.13029.128.62623.539.539.17/2517.69.53.6-5.8-4.72928.727.525.72338.7397/2613.55.7-0.8-9.6-8.525.725.721.523.521.537.535.37/2782.9-6-14.2-1021.822212221.53430.57/2882.9-6-14.2-12212220.521.321.33430.57/297.02.9-6.0-14.2-12.321.021.320.521.021.333.029.07/306.72.9-6.6-14.7-12.621.021.319.821.021.332.028.37/314.11.8-7.4-15.3-12.821.020.319.421.021.031.327.38/13.40.3-10.1-16.0-14.220.019.016.518.121.029.725.38/23.0-2.0-10.1-16.0-14.520.019.016.518.121.029.723.58/32.5-2.5-10.1-16.0-14.520.019.016.518.121.029.723.08/40.5-2.9-10.1-16.0-14.519.817.916.518.121.029.723.58/5-1.3-3.9-10.6-16.4-14.519.517.116.518.421.029.722.08/6-2.6-5.5-12.6-18.0-16.318.011.015.017.019.526.020.08/7-5.1-6.7-13.2-18.0-17.116.611.014.015.818.425.719.08/8-5.4-8.0-13.5-18.5-17.114.811.012.712.716.825.718.08/9-6.5-8.0-13.5-18.5-17.114.511.012.012.216.625.717.08/10-6.5-8.0-13.7-18.5-17.114.511.012.012.016.624.616.08/11-6.5-8.5-14.0-19.0-17.110.911.010.112.016.623.614.58/12-7.5-9.8-14.5-19.0-17.110.010.010.112.016.321.812.28/13-7.5-10.0-14.5-19.5-17.18.09.08.312.016.321.211.48/14-7.5-10.0-14.5-19.5-17.17.48.38.311.616.320.711.08/15-7.5-10.0-14.5-19.5-17.17.47.08.011.016.320.211.08/16-7.5-10.0-14.5-19.5-17.17.47.06.710.616.320.010.08/17-7.5-10.0-14.5-19.5-17.27.37.05.110.316.020.010.08/18-7.8-10.6-14.5-19.5-17.26.54.85.110.316.019.29.68/19-7.8-10.9-14.5-19.5-17.24.24.54.29.714.317.46.98/20-7.8-10.9-14.8-19.5-17.24.23.64.28.414.316.95.48/21-9.0-11.9-16.1-20.0-18.23.23.23.57.013.416.15.48/22-9.0-11.9-16.1-20.0-18.23.23.23.27.013.416.15.48/23-9.0-11.9-16.4-20.3-18.53.23.23.27.013.415.85.18/24-9.2-12.1-16.4-20.6-19.02.32.32.06.212.914.03.36拔冻结管措施6.1拔管方案盐水冰冻达到盾构出洞要求后，立即破除洞门，盾构机靠上靠上土体，此时需要把盾构区间内的冻结管路拔出，以便盾构机出洞掘进。为防止涌水涌砂现象的发生，我们采用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：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50mm～100mm时，开始拔管。拔管范围为盾构推进区间内的18根冻结管，余下5根保留，用于二次冻结。6.1.1盐水加热我们采用了一只2左右的盐水箱储存盐水，用15～45kw的电热丝进行加热盐水。6.1.2盐水循环利用流量为10/h盐水泵循环盐水，先利用30～40℃的盐水循环5分钟左右，然后60℃～80℃的盐水循环达30分钟左右，当回路盐水温度上升到25～30℃时，便开始边循环边拔管。6.2冻结管起拔6.2.1起拔用25吨的汽车吊进行管路拔除，拔起0.5m左右时，便停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。然后用吊车快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管道设计长度。6.2.2拔管顺序7.2.2.1拔管要在盾构机进入破开的槽壁内，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。6.2.2.2依次先拔第二、第一排盾构行进区的冻结管，不需完全解冻。6.2.2.3在隧道范围内所有的冻结管全部拔出盾构顶板以上后，盾构方可以开始推进，防止盾构推进系统损坏冻结管。6.2.2.4待盾构全部出洞后，再拔起盾构行进区以外的冻结管。6.2.2.5最后每拔完一根冻结管要及时进行填充，在隧道顶板以下充填黄砂，隧道顶板以上填充水泥浆，并添加适量的速凝剂，使其快速凝固，防止盾构在推进过程中泥浆从孔中串出。6.3二次冻结待拔管结束后，我们将剩余的5根冻结管，连入冻结管路中，启动冻结设备继续冻结。待盾构完全通过冰冻区后停止二次冻结。7.施工流程冻结法加固地层的主要施工顺序为：施工准备──冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统──安装冻结盐水系统和检测系统──冻结运转──探孔检验──盾构