盾构进洞盐水冻结加固施工技术

殷 波 童刚强

（天津地铁建设发展有限公司，300051，天津∥第一作者，高级工程师）

盾构出洞和进洞是地铁盾构施工的两个关键环节，同时也是盾构施工的重要风险源。如果处理不当，则容易出现漏水、涌砂、塌方等工程事故。当端头井周边地层条件较差时，需要对端头井土体的整体或局部进行加固处理。常用的土体加固技术有：冻结法、注浆法、高压旋喷桩、深层搅拌桩等。加固后的土体必须满足强度、变形可控性、稳定性和抗渗等方面的要求。

目前，冻结法在地铁盾构端头井加固、联络通道施工以及地下连续墙接缝加固中得到了广泛的应用。冻结法具有封水性、复原性、绕障性、适应性强，及强度高、施工方便、环保无公害等特点，是一种技术可靠、工艺成熟的方法［1］。冻结法是在人工制冷条件下，将土体的温度降到0℃以下，使土体中的水分和土颗粒冻结形成具有较高强度与承载力的“冻结帷幕”。冻结法有液氮低温液化气式和盐水式两种［2］。

1 工程概况

天津地铁2号线东南角站——建国道站区间的进洞场地的主要土层为淤泥质土、粉土、粉砂、黏土、粉质黏土层。地层从上到下依次为：淤泥（厚2.7m）、粉土（厚1.2m）、粉砂（厚2m）、粉土（厚1.8m）、粉砂（厚3.3m）、粉质黏土（厚3.8m）。隧道掌子面土层主要是粉土和粉砂层。水位标高在地表下1.1～3.6m，主要靠大气降水及附近地表水补给，属孔隙潜水，随季节变化幅度为0.5～1.0m。场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层及其以下粉土、粉细砂层中的地下水具承压性，为微承压水。

建国道站端头井位置的地层地质条件复杂，盾构进洞过程中存在涌砂、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，盾构进洞加固采用盐水冻结加固技术。

2 冷冻方案与冻结参数

2.1 冻土墙厚度h的确定

设计冻土墙平均温度为－10℃，冻土的容许抗压强度σ压＝3.5 MPa，容许抗拉强度σ拉＝1.8MPa，容许抗剪强度τ＝1.5MPa。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。

2.1.1 水土压力计算

洞口的中心埋深为15.573m，当开洞直径为6.7m时，开洞口的底缘深度为18.923m。则按重液公式计算得到的洞口中心水土压力为：

P＝0.013 H＝0.2MPa式中：

P——洞口中心处的水土压力；H——洞口中心的埋深。

2.1.2 加固体厚度计算

1）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h为：

式中：

D——加固体开挖内直径，6.7m；β——系数，1.2；

K——安全系数，2.0。

则可计算得到冻土墙厚度h＝1.73m。

2）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：

式中：

μ——冻土泊松比，μ＝0.27。

将h＝1.73 m 代入可得σmax＝0.357 MPa＜1.8MPa。

3）沿槽壁开洞口周边验算加固体剪切应力：

根据以上计算结果并结合以往的施工经验，盾构始发洞口冻结壁厚度取h为3m，外圈维护冻结帷幕厚度取1.2m。

2.2 冻结范围及冻结孔的布设

综合考虑施工场地以及洞口埋深的影响，采用盐水冻结加固的方法（见图1）。设置冻结孔共53个：外圈31个冻结孔深度为12.8 m，进入土层11m；内圈冻结孔22个，深度为4.2 m，进入土层3.4m。设置测温孔9个：洞门外圈2个，每个孔内布置5个测温点，测点深度分别为0m、5m、4m、3m、2m；其余7个在洞门内圈，每个孔内布置3个测点，测点深度分别为3m、2m和1m。另外设置泄压孔2个。冻结孔、测温孔、泄压孔立面布置如图2所示。

图1 冻结加固体剖面图

图2 冻结孔、测温孔、泄压孔立面布置图

2.3 主要冻结施工参数

积极冻结期间盐水去路温度由－15℃逐步下降至－30℃，为了保证盐水的顺利流通，本工程盐水采用CaCl2水溶液，含盐量控制在20%左右。冻结孔偏斜率α≤1%，则可得盾构进洞加固外圈冻结孔最大间距Lmax＝1.1 m，内圈最大孔间距为1.2m。根据工程经验，冻土平均发展速度v＝28mm／d，则加固冻土墙交圈时间t＝Lmax／2v＝22d，预计冻土墙达到设计强度的时间为35d。

3 冻结孔施工

冻结孔施工的关键，一是要控制冻结钻孔的偏斜，二要确保冻结器安装的密封性能达到质量要求［3］。冻结孔施工较为复杂，其基本工序为：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。钻机选用MD－60A型锚杆钻机，钻机扭矩为3000N·m，推力25kN。冻结套管选用φ89mm×8mm 20＃低碳无缝钢管，采用丝扣连接加焊接；测温管采用φ63mm×3mm无缝钢管。

4 实测冷冻效果分析

4.1 总去回路温度分析

冻结加固于2010年10月23日开钻，12月15日正式开机冻结运转。温度监测于12月20日开始，至12月26日盐水温度降到－20℃，至2011年1月6日盐水温度降到－25℃以下。图3表示的是冻结去路、回路温度变化以及去回路温度差曲线。冻结的前14天，温差维持在2℃，从第10天开始温差变为1℃左右。说明开始阶段土体温度较高，温度扩散较快，然后温差逐步减小到最后稳定，总体来说，冷冻管和土体之间进行正常的热交换。

图3 盐水去回路温度及温差图

4.2 测温孔温度分析

图4表示1号和4号测温孔自2010年12月20号至2011年1月17号冻土体的温度变化情况。随着盐水温度的不断降低和冻结时间的延续，冻结区土体的温度也随之下降，冻土埋深较深的地方冻结效果更好。由于槽壁与外界空气有热交换作用，故测点较浅处的冻土温度下降相对较慢。

4.3 冻结壁厚度验算

根据测温孔资料，1号测温孔1月11日全部降到0℃以下，此时冻结27d。该测温孔距冻结孔最近距离800mm，则冻结发展速度为29.62mm／d。当冷冻进行到1月17号时，所有测点最高温度为－6℃，最低温度为－15.4℃；盐水去路温度为－30℃。本工程采用冷冻孔间最大间距为1.2m，冷冻结管内径为44.5mm。冻土柱半径r2和冻结壁平均温度采用《建井工程手册》的公式进行计算，然后根据冻土柱半径和冻结管间距换算出冻结壁厚度［4］。

图4 冻土温度随时间变化图

式中：

T1——回路盐水温度；

r——测温孔距冻结管的距离；

r1——冻结管内半径；

T——测温孔温度；

Toc——按零度边界线计算的冻结壁平均温度；

Tc——冻结壁平均温度；

Tb——盐水温度，－29℃；

l——冻结孔最大间距1.2m；

E——外圈冻结壁厚度；

Tn——井帮冻结帷幕温度，－5.2℃。

将实测结果和设计参数代入式（1）、（2）、（3），计算结果见表1。结果表明，冻结到1月17号时，冻土平均温度和冻土墙厚度已经达到设计要求，具备了盾构进洞施工的要求。

表1 冻结参数实际值与设计值比较

4.4 现场探孔情况

根据冻土监测情况，冻结温度已达到设计温度。按规范进行钻芯取样，并对接收洞门进行水平探孔（长2m以上且上、中、下部均有探孔）检测。探孔后洞门无漏水现象，说明整体冻结效果较好，达到了预期的效果。

4.5 盾构进洞情况

施工过程中为安全起见，延长积极冻结一周后才正式开始盾构进洞。为保证盾构进洞时的安全和冻结加固不因时间暴露过长而融化，冷冻施工与盾构进洞施工相互协调配合，冻结区推进过程中应严格控制推进速度和压力。在盾构进洞过程中洞门四周基本处于干燥状态，无漏水现象发生（如图5），说明冻结起到了良好的效果。

图5 盾构进洞效果图

5 结语

针对天津地区土体含水量高、地层软弱等特点，采用盐水冻结加固技术能降低盾构进洞的风险，为施工安全提供了保障。在冷冻施工过程中应注意以下问题：

1）在破洞门第一层钢筋混凝土时，冷冻管还在积极冻结阶段，在破壁过程中要精心施工，不能损坏冷冻管、影响冻结施工。

2）由于洞门破壁时间较长，而且在拔冷冻管过程中使用热水循环，可能出现化冻现象，故应加强维持冻结，同时用PEF保温板做好洞门破壁面的保温工作。

3）盾构机在工作过程要产生大量的热量，并扩散到周边土体，使冻土融化、土体承载力下降，容易造成盾构机下沉。因此，盾构在进入杯状冻结体后，应尽快将盾构机推出，以减少盾构机在冻结体中的停留时间。

［1］郭瑞平.冻结法在地下工程施工中的应用［J］.采矿技术，2007，7（2）：47.

［2］李宏安，何满潮，雷军，等.液氮冻结法在盾构始发地层加固工程中的应用［J］.市政技术，2008，26（6）：539.

［3］周晓敏，苏立凡，贺长俊，等.北京地铁隧道水平冻结法施工［J］.岩土工程学报，1999，21（3）：319.

［4］覃伟，杨平，金明，等.地铁超长联络通道人工冻结法应用与实测研究［J］.地下空间与工程学报，2010，6（5）：1065.