竖向冻结在盾构隧道开挖处理中的应用

饶　彪

(佛山市轨道交通发展有限公司， 广东佛山　528000)

冻结法一般采用人工冷液在插入地层中的冻结管中循环，将冻结管周围地层的热量带走，使之不断降温，直到冻结，将土体与土体中的水形成紧密而高强的加固体，达到止水和加固效果。

1　工程概况

广佛线某区间盾构隧道主要在<3-1>、<3-2>、<3-3>号地层中穿过，中底部存在大量<7>、<8>、<9>号地层，具有明显的上软下硬的特点，部分盾构隧道上抬。经专家评审，采用沿盾构线路明挖将上抬段盾构管片拆除，而后施工现浇砼结构的方法进行处理。明挖基坑长47.1 m，宽9.2 m，开挖深度22.3 m，围护结构采用800 mm厚钢筋砼连续墙，东西两侧端头采用吊脚墙，东西两端采用竖向冻结法从地面施工一定数目的冻结孔直至管片顶部，保证管片顶部止水及加固的需要；在管片底部施工环向冻结孔，保证管片底部止水及加固的需要。

2　冻结法施工

2.1　冻结法施工工艺

为防止地下连续墙施工损坏盾构成型管片，管片顶部吊脚墙及两侧地下连续墙与管片外表面有50 cm的空隙，施工时在冻结孔中循环低温制冷剂，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封闭性好的冻结壁(冻土帷幕)。然后在冻结壁的保护下对土体进行开挖和主体结构施工，待主体结构施工完成后，停止冻结，并完成拔管封孔和融沉注浆等后续工作。施工工艺流程如图1所示。

图1　工艺流程

2.2　冻结孔布置

东西两端垂直于盾构线路方向，每端设置两排冻结孔，每端25个孔，具体布置如图2所示。

图2　东(西)端头冻结孔平面布置(单位：mm)

盾构隧道内每端在沿管片环向布置一排冻结孔，每端11个孔，具体布置如图3所示。

图3　环向布置(单位：mm)

2.3　冻结孔施工

冻结钻孔施工设备根据工程量及工期要求，选用SPJ-300型钻机2台和DK-3型钻机1台，同时配用BW250型泥浆泵各1台。该钻机是一种多级转速，可用牙轮钻头、潜孔钻进、人造金刚石复合片等钻进工艺，完全满足本工程钻进的工期及质量需要。隧道内钻孔选用MD-50钻机2台，每个工作面1台，配用BW250型泥浆泵各1台。

冻结孔施工步骤：

①牙轮钻头垂直打到管片顶部；

②下倾斜管测斜；

③下冻结管；

④功能检测验收。

2.4　制冷设备的选择

根据实际情况的需求，采用标准制冷量25×104kcal/h冷冻机组2台，单台功率为110 kW，在地面冷冻孔位施工完成后运转一台机组，当隧道内部的冷冻孔全部完成后，两台冷冻机组全部开启。

2.5　测温孔的布置

东西两端头共布置5个测温孔，其中地面3个孔，隧道内2个孔。各测温孔布置4～8个不等测点，以监测不同深度和不同土层中冻土发展情况。通过连续的监测获得了大量的地层变化数据，通过计算机软件可以绘出各测温孔内测点随时间及深度的变化曲线。

2.6　温度的监测

为了保证施工的安全，及时掌握冻土帷幕发展的范围，必须在整个明挖竖井的施工过程中进行温度的监测，冻土帷幕一些重要状态参数(温度、强度、厚度、冻结壁发展速度等)的实际数值只有依赖监测获得，土方开挖的条件、施工过程中冻结帷幕的安全状态都依照实测的数据决定。只有对冻土帷幕形成过程和施工过程进行严密的监测才能保证工程安全。冻结施工中第三方监测的内容如下。

(1)冻结孔施工监测的内容：钻孔长度、铺设冻结管长度、冻结管偏斜、冻结管密封性、供液管铺设长度。

(2)冻结系统监测内容:冻结器去回路盐水温度、盐水干路循环的回路温度、盐水循环管路的工作压力、盐水流量和水箱中液面变化监测。

(3)冻结壁温度监测内容：冻结壁内外测温孔温度、冻土向内、向外扩散范围、冻土的发展速度、冻结壁的平均温度。

根据监测结果，认为经过20 d的积极冻结后，冻土帷幕的厚度已达到开挖的要求，转入维护冻结和基坑施工阶段。

3　施工总结

根据工期要求，施工方根据实际情况多次调整了冻结施工方案，竖向冻结管由原先设计的φ89改为φ127的无缝钢管。加大了盐水流量，同时缩小孔间距，西端头排距由原方案的700 mm改为400 mm，并采取错位布孔。隧道内采用100槽钢和钢板焊接的冷冻盘板，布置在隧道腰线及以上管片上，以补充、加强隧道顶部和侧面的冻结效果。增加了设备，由单台盐水泵改为两台，地面和隧道同时冷冻，隧道内盐水干管通过透孔的方式进行供冷，减少了管路的铺设距离，可有效减少盐水冷量的损失。

施工过程中严格控制施工机械设备的垂直度和钻孔深度，并根据钻杆的进尺来综合判断钻头是否达到设计深度的要求，并在每根冷冻管施工结束后进行倾斜度的测量和密封性检测，对不合格的冷冻管路拔出进行整改，合格后方可进入下一步的施工。

根据对系统运转、盐水温度、土体温度场、冻胀压力等因素的综合分析，对冻结帷幕效果进行判断，并根据实际情况采用应急措施。由于东端头地下连续墙随着土体的开挖暴露在空气中的面积逐渐加大，使得冻土墙靠近开挖面一度出现温度回升的现象，但回升的温度不大。决定在端头墙上粘贴保温板，使得回升现象得以控制，并缓慢呈现降低趋势。

[1]王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010

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