浅谈超长水平冻结技术在盾构进洞工程中的应用

高梅　王灵敏

摘 要：目前，天津站区间盾构进洞采用超长水平冻结加固工艺取得预期成效，拟通过本文总结超长水平冻结工艺应注意事项，为以后类似工程施工提供借鉴经验，并在具体实施中得到改善和加强。

关键词：超长水平冻结；盾构进洞；冻胀；融沉

引言

随着我国城市地下建筑业的兴起 ，在市政工程中，煤炭行业冻结凿井法作为一种有效的处理松软地层的特殊技术，越来越显示出其优越性。在北京、上海、广州等地的地铁建设中 ，冻结技术的应用已取得了很好的效果。目前，天津市市政工程即将进入建设高峰期，冻结技术也已作为一种较成熟的施工工艺应用到现场施工中，主要工程有盾构进出洞及旁通道、泵站施工。

冻结法加固土体作为一种较成熟的工艺已经广泛应用与各类工程中，市场开发前景广阔，在进洞工程中，冻结法施工所形成的冻结帷幕具有均匀性好、强度高、隔水性好等优点，再结合洞圈钢板加焊盾尾刷、降水井等措施可有效地降低盾构进洞的风险。由于冻结法施工工期较长，难度和风险较大，所以目前工程中使用的设计方法大多偏于保守，即加大冻结壁厚度或降低冻结温度，而且一般多采用短距离水平冻结加固土体实施盾构进洞工程，超长水平冻结技术应用较少，结合天津站站地质条件复杂，地面建筑物分布密集，地理位置极其重要及施工限制条件多的特点，首次尝试超长水平冻结并取得圆满成功。

该工程特点：

（1）地质条件复杂，该进洞区域下部位于含承压水砂层中，水头压力达3.5bar，所处地层水中具有一定的含盐量，含盐量对冻结土层温度和强度都有一定影响。

（20盾构进洞是隧道施工过程中重大风险点，尤其该进洞工程处于天津站下方，距离进洞口位置旁侧约14米是京津城际列车，地面建筑分布密集。

1 工程概况

天津市区至滨海新区快速轨道交通工程中山门西段工程天津站站～七经路站区间隧道左线和右线均从七经站出发，推进至天津站站，盾构直径φ6340mm，洞门直径φ6700mm，洞门中心标高-17.70米，自然地面标高+2.88米，盾构在天津站接收，洞口形状为圆形，洞口开口净直徑为6.7m。加固区域上部土层厚度近18m，加固地层为⑤1灰色粉质粘土、⑥1粉质粘土、⑥2粉土、⑦1粉质粘土、⑦4粉砂。

2 方案设计

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φ7.5m圆形布置，开孔间距为0.76m（弧长），冻结孔数31个，冻结孔A1#～A31#长度为13.2m。

板块冻结孔沿开洞口φ5.1m、φ2.7m圆形布置，开孔间距为1.14m～1.21m（弧长），冻结孔数21个，冻结孔B1#～B14#，以及冻结孔C1#～C7#.冻结孔长度为4.2m；开洞口中心布设1个，冻结孔D1#，冻结孔长度为4.2m。

3 关键技术要点

超长水平冻结技术应用于盾构进洞施工中的实例并不多见，在一定范围内及地质条件下值得推广，与一般水平冻结相比，超长水平冻结在盾构进洞工程中，仍然面临很多施工难点和风险：

（1）超长水平冻结形成的冻结帷幕狭长，将盾构包裹于冻土中，可以有效减少涌水，涌沙事故的发生，但外圈整体刚度较大，受到的摩擦力也较大，盾构在进入接收井之前，推进过程中盾构机长距离长时间位于高强度冻土中刀盘极易被冻牢，影响整个盾构推进的进程并关系到盾构能否顺利进入工作井。

（2）冻结施工后期融沉和冻胀影响较大，超长水平冻结外圈由于冻结的范围较大，最终通过融沉注浆，稳定下来需要的时间相对较长；必须采取切实有效的措施保证地面建筑物和管线的沉降量。

（3）在冰冻法钻孔的时候，外圈的长度越长，外圈冷冻孔的垂直度要求就越高，每根冷冻管都要用仪器测斜，必须要达到设计单位的要求，测斜工作量较大。

针对以上三个问题，本工程采取以下关键措施控制并加以解决：

（1）为减少后期的冻胀融沉量，钻孔施工前，先水平注浆改良 土体。

（2）利用管片上预留的注浆孔进行跟踪注浆（接收区域的管片增加注浆孔），减少融沉.

（3）利用卸压孔进行融沉注浆。

（4）采用间歇式冻结方式控制冻胀融沉。

（5）加强施工监测，及时跟踪注浆，将对地面建筑物的影响降低到最小程度。

（6）对比短距离水平冻结，融沉和冻胀影响范围大，时间长，因此后期加强巡视并有必要重复前期施工过程和技术依托。

（7）冻结管拔除后 ，清理干净钢环内的硬物 ，迅速安装管片、将刀盘抵拢掌子面。

（8）刀盘被冻牢的处理.在以往加固的地层盾构始发、到达时 ，因操作不当或盾构设备故障 ，约有 40%的盾构在施工中刀盘曾被冻牢 ，处理较快的 2 d、处理较慢的要 15d。超长水平冻结因冻结范围更长，更容易发生推进过程中刀盘被冻牢的状况，因此 ，在掘进时要严格按照要求施工，减少此类事故的发生，并促使盾构顺利进入接收井。

（9）如刀盘被冻牢 ，可采用如下方法进行脱困：1） 在盾构重心靠近刀盘约 50cm，高度在底部上 1m的左右两侧位置焊接反力装置。2） 在反力装置和内衬墙之间安放 200 t液压千斤顶用托架支撑 ，并连接好液压管路。3） 加好盾尾间隙的垫木 ，然后盾构推进千斤顶收缩 20cm，开启液压油泵、两侧反力千斤顶同时加力 ，使盾构后退 15cm左右。4）刀盘试运装 ，如能正常转 ，则转动刀盘 10min，再逐渐伸出推进千斤顶 ，进入正常推进状态。

4 应用概况

人工水平冻结方案施工富含水软土隧道 ，可有效止水、加固土层 ，确保施工安全。但是 ，由于人工冻结过程中 ，因冻结土体原孔隙水和水分迁移产生的土体冻胀对周围环境的影响 ，往往在一定程度上制约该工法的使用。

目前国内应用超长水平冻结设计和实施盾构进洞工程的实例很少，导致这种现象的原因是多方面的，例如冻土地层结构的复杂程度，冻土的流变性，冻结壁的变形缺乏规律，冻结温度场的不稳定性和复杂的边界条件等，超长水平冻结仍需要解决超长冻土帷幕对盾构推进的影响和后期冻胀融沉效应等问题。

5 结论

实践证明：超长水平冻结技术大大提高了盾构进洞的安全性，解决常规短距离水平冻结所无法解决的问题，施工质量高，安全有保障，能够有效减少涌砂涌水事故引起的地面建筑物沉降，同时盾构在温度低、强度高、长距离的冻土中推进要防止盾构机刀盘被冻住的危险以及后期融沉对施工区域上部构筑物的影响，从而保证盾构进洞的稳定性和安全性，推动工程施工水平的提高，因此，该工法具有广阔的应用前景，值得推广。