冻结法端头加固论文

浅谈冻结法在盾构进、出洞施工中的应用中铁十四局隧道公司摘要：在含水复杂的地质条件下采用水平冻结法进行盾构进出洞施工，可以通过延长（加深）水平冻结外圈冻结深度，使冻结加固体全方位包裹并超过盾构机体，利用外圈冻结孔维护冻结加固土体，将盾构机外围土体内微小水流通道中的泥土冻结成为冻土，封闭水流通道，形成强度高、封闭性好、圆柱加板块的冻结帷幕，较为有效地防止流水、涌砂、突涌等现象的发生，保障了盾构进出洞安全。关键词：复杂地质条件、恶劣施工环境、盾构进出洞、全方位、风险控制、冻结施工。前言近年来，冻结法施工已在地铁工程中广泛应用，主用于联络通道、盾构进出洞等土体加固，在地铁区间盾构进出洞施工中，此法已成为安全、可靠地的施工工艺，在国内此工法已具备丰富的施工经验。其中水平冻结施工加固土体作为盾构进出洞加固的一种工艺、工法得到了广泛的应用。城市地下轨道交通建设过程中，盾构进、出洞是风险和技术控制难度较大的施工环节之一，盾构进、出洞前必须进行工作井的端头土体加固。盾构进出洞时需要破除工作井井壁封门（或地下连续墙），端头土体加固主要防止井壁封门拆除后，门后土体不能自立，这是洞门密封装置不能阻挡洞门外土体，在复杂应力作用下，极易产生大量土体涌入工作井内，造成工作井周围大面积地表沉降，危机地下管线及附近建筑物。因此必须对盾构进出洞附近一定范围内的土体进行加固，使其形成强度高、封闭性好的冻结止水帷幕，保证盾构进出洞期间洞口土体具有自身保持稳定的能力。土体加固常用办法有注浆加固、深层搅拌桩加固、旋喷桩加固、冻结法加固。冻结法加固土层是一种具有加固范围小，适应性强、强度高、均匀性好、隔水性好、施工无污染、对周围环境影响小等优点的加固办法。1、工程概况1.1工程简介无锡地铁1号线08标工程包含【无锡火车站站～胜利门站】盾构区间和【胜利门站～三阳广场站】2个盾构区间，其中：【胜利门站～三阳广场站】盾构区间主要在中心老城区穿行，出胜利门站后下穿新雅都大酒店、中山北路改造5号房、侧穿中山北路4号房转向中山路，之后沿中山路一路直行向南进入位于市区的三阳广场站。区间长度左线500.37m，右线510.939m。区间SK11+831~SK11+978为R=300m小半径曲线段。胜利门站南端盾构进出洞加固区域右线上方现状为绿洲商场（地上3～8层，地下1层、柱下独立基础，框架结构、柱基与地下室底板同时浇筑，结构基础底与隧道结构顶垂直高差3.706m）、左线上方现状为新雅都大酒店（建于1993年，地上“4+1+1”共6层分三次加盖、无地下室、柱下独立基础、结构基础底与隧道结构顶垂直高差约4.21m），因此端头上方不具备搅拌桩加固条件，胜利门站进出洞地基加固，进出洞均采用水平冻结加固。图1-1建筑物与隧道关系图新雅都大酒店绿洲商场端头井1.2区间地质胜利门站南端头盾构隧道埋深7.4m，隧道上部地质情况从上到下依次为(1)1杂填土、(3)1粘土，隧道穿越地层为(3)2粉质粘土、(3)3-1粉质粘土和(3)3粉土夹粉质粘土，隧道底部地层为(5)粉质粘土。盾构进出洞时有涌砂、涌水等风险，为保证盾构进出洞及端头上方楼房安全，防止泥沙及地下水涌入工作井，端头土体加固均采用水平冻结加固方法施工。2、水平冻结加固方案2.1冻结施工方案的确定根据盾构所处地层及地面危房无法拆除，没有施工场地，端头井上方地面不具备三轴搅拌桩、垂直冻结施工条件。盾构进出洞地基加固采用水平冻结加固法施工。因本区间涉及到“盾构始发+70年代危房+浅埋+软流塑地层+300m小半径曲线+冻胀融沉”的多重影响，为增大盾构穿越的安全系数，降低施工风险，端头水平冻结加固施工前，在左线隧道施工一排管棚，降低盾构穿越和冻结施工对新雅都大酒店的影响；隧道内增设注浆管，增强注浆效果；增设两道洞门密封，减少始发时的水土流失；做好盾构掘进的参数控制工作，确保土压平衡和注浆充盈。同时对该区域进行加密监测，做好信息化施工，最大限度的降低盾构穿越的风险。端头井端头井2.2冻结设计参数端头加固地层加固需要满足以下设计技术参数，确保盾构进出洞安全、顺利完成，主要保证冻结帷幕有足够的强度、厚度，冻结施工参数见表2.2-2表2.2-2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m6.6（13.0）/3.8/3.8外圈/中圈/内圈2冻结帷幕设计厚度m杯底3.0/杯壁1.63冻结帷幕平均温度℃≤-104积极冻结时间天355冻结孔（总）数个566冻结孔（总）长度m305/516.47冻结孔开孔间距m0.784/1.123/1.171外圈/中圈/内圈8冻结孔偏斜mm≤1509设计最低盐水温度℃-30冻结7天盐水温度达到-20℃以下10单孔盐水流量m3/h511冻结管规格mmφ89×820#低碳钢无缝钢管12测温孔总数个7φ32×3mm无缝钢管13冻结需冷量kcal/h3.42/5.28×104工况条件14冷冻机台2两洞一站，一台备用15最大用电量kw18916用水量m3/h10新鲜水补充2.3冻土墙形式根据冻结的要求，采用从端头井的洞圈内布置水平冻结孔冻结土体，以使洞圈外侧及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好、左右线洞门圆柱加板块的冻结帷幕见下图：图2.3-1冻结加固体示意图2.4冻结孔布置圆柱体冻结孔沿开洞口φ8.0m圆形布置。外圈孔开孔间距为0.78m，冻结孔数33个，长度为：左线6.6m、右线13.0m，并在外圈冻结孔上部布设10个泄压孔，左线孔深8m，右线孔深14m。板块冻结孔沿开洞口φ5.4m、φ2.7m圆形布置。其中中圈孔开孔间距为1.123m，冻结孔数为15个；内圈孔开孔间距为1.171m，冻结孔数为7个；开洞绿洲商场新雅都大酒店口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度3.8m。冻结孔及泄压孔布置参数见表2.4-1、布置图见图2.4-2。表2.4-1冻结孔布置参数表（单洞）序号参数名称单位数值备注外圈中圈内圈中心1冻结孔布置圈径mφ8.0φ5.4φ2.7—2冻结孔有效深度m6.6（13）3.83.83.83冻结孔个数个3315714冻结孔开孔间距m0.7841.1231.171—5冻结孔总长度m305/516.46冻结孔总数个56图2.4-2左右线冻结孔布置图3、冻结施工流程根据盾构进洞的工期安排，监测数据分析冻结帷幕交圈、冻土与槽壁胶结情况，并理论计算冻结帷幕达到设计强度后；再施工探孔，根据探孔无泥、水流出时，证明达到设计冻结要求后，再破除槽壁，槽壁破除过程中土体继续加强冻结。冻结制冷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。水平地层冻结加固和盾构进洞的主要施工工艺及顺序见图3-1。3.1水平冻结孔施工工法水平冻结孔施工较复杂,工序为: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(配金施工准备冻结孔施工冻结制冷站安装冻结系统安装检测系统安装积极冻结连续墙破除盾构机推进范围内冻结管拔除盾构向洞内(外)推进进（出）洞完成刚石钻头取芯)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,直将槽壁开穿时,如地层内的水砂流量大,就及时关好闸门。(2)孔口装置安装: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133~140mm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0.8MPa时，停止打压，关闭好阀门，经试压30min压力下降不超过0.05MPa，在延续15min压力保持不变为合格。3.2冷冻站设备选择冷冻机组选用两套冷冻机组，一套备用。两个洞圈冻结共用一个冻结站，单洞最大需冷量为5.28×104kcal/h，选择制冷设备如下：(1)选用螺杆机组两台套（一台套备用）及水泵两台套，机组设计工况制冷量为8.75×104Kcal/h，电机功率90-110KW。(2)每个洞圈盐水循环选用IS150-125～315水泵一台，流量100m3/h，电机功率30KW。(3)冷却清水循环选用IS150-125～315型水泵一台，流量100m3/h，电机功率30KW。(4)冷却塔选用KST-80型二台，电机功率4KW，补充新鲜水10m3/h。(5)设盐水箱一个，容积3m3。(6)设清水箱一个，容积8m3。(7)盐水管路和集配液圈均选用ф159×6mm钢管。(8)冷却水管用ф127×6mm无缝钢管。(9)在去、回路盐水管路上安装压力表、温度计和控制阀门。(10)在配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制冻结器盐水流量。(11)冻结器连接采用每4～6个串联一组方式，组组之间并联。(12)冷冻机油：选用N46冷冻机油。(13)制冷剂：选用氟利昂R22制冷剂。(14)冷媒剂：选用氯化钙溶液（盐水）作为冷媒剂。3.3冻结系统试运转与积极冻结设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙发展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。此阶段为冻结帷幕的形成阶段，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，设计冻结时间35天（实际以现场检测冻结壁厚度、强度达到设计要求为准），要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。积极冻结期间冻结各项监测项目及监测频率见下表：表3.3-1冻结施工监测表序号监测项目技术要求检测方法检测频率1冻结器去回路盐水温度热电偶量测量测1次/天2冷却循环水进出水温20-25℃精密温度计量测1次/2h3冷冻机吸排气温度工况要求机载温度表量测1次/2h4盐水泵工作压力工况要求抗振压力表量测1次/2h5冷冻机吸排气压力工况要求机载压力表量测1次/2h6制冷系统冷凝压力工况要求机载压力表量测1次/2h7制冷系统汽化压力工况要求机载压力表量测1次/2h8冻结帷幕温度场的监测测温孔内热电偶量测1次/天4、冻结施工技术要求（1）钻进时，应按深度及地层情况的需要，及时增减钻压，要求作到均匀、匀速钻进；严禁忽快忽慢，压力忽大忽小，并且先钻下部孔，后钻上部孔，防止钻孔流水沙过多，造成冻结管断裂；如流水沙，则同步注浆。（2）冻结管应进行地面配组，丈量全长，做好记录，下管时应清除管内异物，保持清洁，试压封口后，应及时将冻结管周围的空隙充填密实，防止泥浆串孔以及地层内的水砂涌出。（3）偏斜：冻结孔平均偏值不大于150mm，否则应予以补孔，冻结深度应满足设计要求，下管长度应不小于设计冻结孔深度。（4）测斜：冻结孔施工过程中使用灯光经纬仪进行终孔和成孔测斜，并及时绘制冻结孔偏斜平面图。（5）打压：完成测斜后进行打压试漏，冻结管试漏压力为0.8MPa，经试压30min内压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力不变为合格，不合格应采取补孔。5、冻结效果分析5.1冻结帷幕厚度h、冻土温度的计算冻结壁设计平均温度不高于-10°C,冻结土体杯底设计有效厚度为3m,杯壁厚度为1.6m,冻土抗压强度为σ压=3.6MPa,抗拉强度σ拉=1.8MPa，抗剪强度τ剪=1.63.6MPa，杯底采用板状冻结加固方式。冻结壁厚度计算公式、冻结壁平均温度计算