地层冻结法在盾构开仓作业的应用

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510000）

盾构法施工中，当盾构刀具磨损，会出现结泥饼、刀盘转矩过大等导致无法继续掘进的情况，必须进行开仓换刀。此时首先根据情况考虑选取换刀方法，除常压开仓和加压开仓方式外，可考虑地层冻结加固技术。地层冻结技术经过多年发展，已广泛应用于矿井建设、隧道施工、盾构始发及接收端头加固、地铁联络通道施工、水利工程等。实践表明，冻结加固体强度高，均匀性好，隔水效果好，对环境影响小，能有效解决富水砂砾层盾构开仓难的问题。

1 开仓换刀方法讨论

1）常压开仓换刀 隧道区间内设计有联络通道，以往施工方法是在联络通道四周施工地下连续墙，将该区域密闭予以阻隔地下水，再对内部的地层进行旋喷桩、袖阀管注浆、三轴搅拌桩等方式加固，以便盾构开仓与联络通道开挖，盾构常压开仓换刀也常在此部位进行；如果不得已在其他部位进行开仓换刀，也须在稳定地层中并进行过注浆加固后进行。

2）加压开仓换刀 在无法常压开仓的情况下，立足于对地层进行加固后，对盾构土仓内充填浓泥浆并保持一定压力，以使浓泥浆渗入土仓外部的土体后形成泥膜，形成泥膜后再做压气试验，确保泥膜稳定且无漏气的情况下，再安排作业人员进入加压的土仓内进行换刀作业。

3）地层冻结开仓换刀 此方法主要是替换常规注浆加固方式，采用地层冻结技术对地层冻结加固后进行的常压开仓换刀。

表1为几种开仓换刀方法的比较。

表1 几种开仓换刀方法比较

2 地层冻结技术原理

地层冻结技术是利用人工制冷技术(一般多采用盐水冻结技术) ,首先在需加固的地层中钻孔铺设冻结管,在地面安装冻结站,通过制冷压缩机提供的制冷量,利用低温盐水在冻结管中循环,带走地层热量,使地层中的水结冰,将地下水土变成冻土,形成完整性好、强度高、不透水的临时加固体,达到加固地层、隔绝地下水与地下工程联系的目的。

3 工程应用实例

南宁地铁1号线动物园站～鲁班路站区间盾构左线隧道推进到2#联络通道处盾构需要换刀，由于盾构右线在通过联络通道时，对联络通道的地下连续墙造成了扰动，且联络通道所在区域地层不稳定，含水量高，经过多种方案的论证与比较后，采用对地层进行冻结加固，再进行常压开仓的方案。

联络通道所处土层为⑤1-1卵石，⑤1-2圆砾，且深层具有承压水。地下水主要赋存于圆砾、卵石及小部分砂土层中，属松散岩类孔隙水，具承压性，水量丰富，由于邕江防洪堤的建设，该层地下水与邕江水力的联系趋弱。水位埋深在2.80～10.90m，标高在60.26～67.78m之间，稳定水位埋深在2.80～12.30m，标高在63.35～68.36m。承压水头0.10～5.10m。

3.1 冻结帷幕设计

1）冻结帷幕厚度1.0 m。

2）设计冻结壁平均温度不高于-9℃。

冻结帷幕设计如图1所示。

图1 冻结帷幕设计图

3.2 冻结孔、测温孔布置

3.2.1 冻结孔布置

冻结帷幕单排孔孔间距为0.85～1m，内部孔间距1.2m，冻结孔深为15.7～32.9m，冻结孔为73个，其中外围孔38个，内围孔(盾壳顶部)27个。冻结管材选用∅133×6.0mm 20#低碳钢无缝钢管。有关技术参数：①冻结孔的开孔位置误差不大于100mm，冻结孔最大允许偏斜不大于250mm；②冻结管耐压不低于0.8MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍；③冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度，不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

3.2.2 测温孔布置

冻结帷幕不同区域共布置5个测温孔，深度为16.08～32.29m，根据钻孔的偏斜情况确定测温孔的位置，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。测温孔管材选用∅89×6.0mm20#低碳钢无缝钢管，管前端焊接密封，确保管内不得渗水。

3.2.3 冻结施工设计其他参数（表2）

表2 冻结技术参数表

3.3 主要施工内容及施工流程

冻结加固施工可分为冻结孔施工、冻结站安装施工、冻结施工等5个主要部分，施工完成后，还要及时进行地层充填和融沉控制的注浆工作。具体的施工流程如图2所示。

图2 冻结加固施工流程图

在冻结过程中，要根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻结帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度，可进入维护冻结阶段。维护冻结期盐水温度为不高于-25℃，去回路温差控制2℃之间。在维护冻结期间进行常压开仓换刀。

3.4 日常监测

1）每天定时监测盐水温度、冷却水温度、地层冻结温度，每天及时记录并形成日报表。

2）通过实测测温孔内温度，计算冻结帷幕厚度和平均温度、强度。

3）当冻结达到设计要求后，开仓前要在盾构内底部进行降水测试，利用新施工降水井进行降水测试，地下水位需降至隧道底以下0.5m，降水孔总水流量不超过1m3/h。

4）开仓过程中，每天多频次对冻结系统、冻结帷幕变化情况进行监测，并跟踪收集开仓现场的漏水、仓内温度等信息，及时分析和沟通信息，做好预警工作和处理措施工作。

3.5 冻结效果

通过冻结，将盾构土仓周围的含水土层变成不透水的冻结加固层，冻结帷幕强度达到作业安全要求，在开仓换刀过程无渗漏水，仅经过连续3天的开仓作业，刀具更换完成，使得盾构开仓换刀安全顺利进行。

4 结 语

采用地层冻结技术在盾构开仓的应用是成功的，与其他加固方法相比，封水和地层加固效果很好，开仓作业过程相比普通常压开仓和加压开仓更安全。

目前国内已有企业成功研发盾构冷冻刀盘技术，将盾构设备与地层冻结技术相结合，设计出盾构冷冻刀盘，通过盾构上的设备技术即可将刀盘周围的墙体形成冻结圆盘，充分隔绝了地下水，在此环境下进行开仓换刀。此技术比常规的地层冻结技术更加快速有效，与加压开仓、常压开仓相比，有明显的安全可靠性和更广泛的适应性、更高的工作效率，符合经济节约、工期保障等要求。

在城市轨道交通的快速发展中,作者认为地层冻结技术在此方面具有广阔前景。若能在建设设计阶段就将人工地层冻结技术作为地层处理加固方案考虑进去,而不是在其它工法无法解决问题时才考虑采用地层冻结技术,会使城市轨道交通建设更为安全、经济合理。

[参考文献]

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[2]刘宇亭，唐益群，周 洁，等．地铁隧道工程人工冻结法研究进展[J]．低温建筑技术，2011，(9)：83-84.