研究水平冻结加固土体中盾构始发技术

韩统杰

摘要：在盾构始发施工过程中，由于土体一般不符合施工要求，所以需要对土体进行改良，水平冰冻法地基加固处理是施工处理中非常重要的环节。水平冰冻法经过大量的施工证明，其加固效果很好。

关键字：水平冻结，土体加固，盾构，始发

在盾构隧道施工中，盾构进出洞事故频发的阶段，施工风险较大。在盾构始发施工中，对隧道端头土体进行加固是非常重要的，因此，对端头土体加固方式的正确选择是顺利施工的保证。

一、盾构加固概述

对盾构隧道端头进行加固的主要方式有两种：化学加固方式（如深层搅拌法、素混凝土灌注桩法、高压喷射注浆法等）以及物理加固方式（如降水法以及人共冻结法法等）。由于物理加工方式对土壤性质的影响小于化學加固法，所以根据土壤以及施工条件优先考虑物理方式。

所谓人工冻结技术，就是指人工向含有一定水量和地下水流速的软弱地层输送冷媒，从而冻结地层土壤颗粒和水，使其变成具有高强度、高抗渗性以及大弹性模量的冻土壁。而水平冻结法就是采用水平圆筒的加固方式。

二、水平冻结法以及其优势

人工冻结法根据冷却位置的不同包括垂直冻结和水平冻结。水平冻结，即在盾构进出洞的工作井内，布置在洞口的周围布置一定数量的水平冻结孔，冻结后，洞内就形成了封闭的冻土帷幕。当盾构破壁时，冻土帷幕能够抵御水土压力以防止土层坍塌、地表沉陷。

根据施工的情况，洞口冻结孔有圆形也有方形，为了保证冻土帷幕厚度和强度对冻结孔的排孔方式进行选择，一般包括：单排孔、双排孔或多排孔冻结。

冻结法与其他地层加固方法相比，主要优势：

1、该方法仅受冻结孔的布置位置以及冻结时间的影响，周围结构对其影响较小，易于在多种环境结构下使用，且构成的冻土壁的形状以及均匀性良好。

2、有较好的隔水性。

3、不改变地层成分，污染较小。

三、工程地质和水文地质

本文以某隧道施工为例。在该项目施工中，采用延长管线始发，2台小松土压平衡盾构同时推进。

具体参数如下：盾构外径6.34米，管片外径6.2米，管片内径5.5米，环宽1.2米。盾构始发端头的环境较为复杂，下行线始发约3米处是老式住户区，如图1所示，并且始发1～2米处有一根Φ900的污水管以及两根Φ50的水管。

盾构始发的隧道线路位置处于半径为350m的圆曲线上，且隧道顶埋深约14.5米。隧道上层的土质自上而下为：杂填土 、浜填土、粉质粘土、灰色淤泥质粉质粘土、夹砂质粉土、灰色淤泥质粘土。其中隧道穿越地层为灰色粘性土、隧道下伏土层粉质粘土。

四、水平冻结在盾构始发的施工方案

1.冻结孔布置

由于现场的端头是房屋以及管线，所以本工程采用水平冻结工艺。

在该项目中，将冻土帷幕设计为一个水平放置的开口方向与掘进方向相同的杯体，总长7米，底部厚度为3米，杯壁厚度2米。冻土平均在-10摄氏度左右。共设置54个水平冻结孔4圈：杯壁冻结孔深7米，共30个，圈径孔距为0.78米；杯底冻结孔深3米，冻结孔24个，共三圈，第一圈15个，圈径5.1米，孔距为1.05米，第二圈8个，圈径2.7米，孔距1.03米，第三圈在圆心一个孔。

2.相关冻结技术参数

螺杆机组选择用型号为：YSLGF300（备用一台），标准制冷量为286kw。冻结总时间在35天左右，冻结帷幕温度平均-10℃左右。盐水积极冻结温度：-25～30℃，时间14～20天；盐水维护冻结温度：-23～28℃，时间14天。

3.冻结施工要点

（1）、冻结孔方向要与盾构掘进方向一致。

（2）、在施工时提前预埋冻结孔。

（3）、在内圈冻结管连接前提前固定帘布橡胶板上部。

五、盾构始发

盾构始发的工作顺序为：洞门砼凿除、导轨的安装、密封装置的安装、内圈冻结管的拔除以及盾构推进。

1.洞门砼凿除

洞门砼凿除采用粉碎性凿除的方法。

2.导轨的安装

洞门砼凿除后，在洞门钢环上焊接两只长约70cm，重约43kg的轨道，为盾构提供导向以及支撑。

3.密封装置的安装

安装72双头螺栓，帘布橡胶板穿入螺栓，然后依次安装环形压板、垫片最后拧紧螺帽。

4.内圈冻结管的去除

在拔管前要准备手脚架的搭建、以及各种机具材料的准备；使用热盐水在冻结器里循环解冻冻土每当冻土融化达到30～60mm时可以开始拔管。按照一定的顺序拔管后要立马回填冻结洞。拔管时间要尽量控制在20小时内。

5.盾构推进

首先要保证前期工作准备到位，并使物资状态保持良好。

掘进工序中，冻结管拔除后要对钢环内的硬物进行清理，并立刻安装管片，将刀盘抵拢掌子面。

注浆与+3环掘进同步进行，第3、4环的注浆量控制在约5m/环，第5环开始减少到3m/环。

6.对冻住刀盘的处理

根据施工的不完全统计，盾构施工中各类原因在成的刀盘被冻住的情况约40%，并且较难处理。而处理时间一般在2-15天。一般可以通过反力装置的安装进行处理。

六、结语

水平冻结法在基地加固施工中的应用非常广泛，是盾构机始发的保障，但是地质不同、周边环境不同时，仍要具体情况具体分析。所以不管是设备企业还是施工企业都要作出更多努力，使水平冻结技术在盾构始发中得到更好的应用。

参考文献：

[1] 苏红云.我国城市轨道交通建设迅猛发展[J]. 建设机械技术与管理 2010，（4）：46-47.

[2] 何川，曾东洋.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[3] 胡俊，杨平，董朝文，马天文，张婷 .盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究[J].铁道建筑2010，（2）： 47-51.