盾构始发端头水平冻结加固方案设计研究

樊文虎，杨 平，姚梦威

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

盾构始发端头水平冻结加固方案设计研究

樊文虎，杨 平，姚梦威

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

以南京地铁四号线锁金村站右线盾构始发端头加固为例，经多种加固方案比选确定了水平冻结加固法。通过实测杯型冻结壁温度场，分析了干管、分支回路盐水温度变化规律，以及不同深度、不同冻结加固区和不同土质的土体温度变化特征。结果表明:分支回路中盐水温度均匀，其变化与干管盐水温度变化一致;在整个冻结期间，任意时刻冻结壁杯体加固区温度始终高于冻结壁杯底加固区;同一测温孔中，冻结前期距地连墙水平距离越远温度越高，冻结后期距地连墙水平距离越远温度越低;在相同冻结能量和冻结时间内，淤泥质粉质黏土比混合土温度高。

水平冻结 盾构始发端头 土体加固 温度

盾构始发与接收是盾构施工中风险最大的环节。在开凿洞门阶段，加固体不连续、强度不够和节点处理不好等极易引发坍塌、涌砂涌水［1］。人工冻结法因其安全可靠、适用范围广、灵活性好、可控性好和环保等优点在盾构始发和接收过程中具有广阔的发展前景［2-5］。但在施工中需要控制土体的冻胀融沉，国内学者对此展开了一系列的研究［6-9］。

本文结合南京地铁四号线锁金村站右线盾构始发端头水平冻结加固工程，通过实测数据分析软弱土层条件下土体温度场的发展规律，以期为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

南京地铁四号线锁金村站—花园路站区间，设计起点里程 CK19+374.099，设计终点里程 CK20+ 829.200，区间长度1 455.101 m。该区间沿板仓街道路下铺设。

锁金村站位于龙蟠路与板仓街交叉口，为交通繁忙地段，周边存在大量多层敏感性建筑，右线盾构始发端头中心标高 +1.216 m，地面标高约为 +14.90 m。洞口为圆形，开口净直径6.7 m，底部埋深17.03 m。板仓街下管线密集，埋深较浅。盾构机主要穿越②-3b3淤泥质粉质黏土和③-4e2混合土，混合土中含水丰富。地下水类型主要为潜水、弱承压水及基岩裂隙水。稳定水位平均埋深3.52 m，场地地下水变化幅度0.5～1.0 m。

2 加固方案比选

盾构始发端头加固常用方法有降水法、高压旋喷法、注浆法、深层搅拌法、SMW工法和冻结法等。

降水法施工速度快，费用低，能够改善土体的性能，但本工程周边存在建筑物，采用降水法对周边影响大，因此不宜采用。

深层搅拌法及高压旋喷法对淤泥、粉土、砂土等软弱地基处理有良好的效果，加固土体强度高，在桩身搭接较好的前提下抗渗性能较好，但本工程因地面场地为繁忙的交通要道，不具备搅拌及高压旋喷加固条件，因此不宜采用。

本工程土体经压密注浆检测加固效果不太明显，有些土质吃浆量低，加固质量不可靠，因此不宜采用注浆法。

SMW工法由于缺少丰富的工程经验作为指导，设计和施工处理往往不够细致，在盾构始发和接收过程中容易出现险情，并且拔出型钢时会造成土体的扰动，可能会导致SMW工法桩身出现裂隙，且因地面场地为繁忙的交通要道不具备施工条件，因此不宜采用。

冻结法能够适应复杂的地质条件，止水性好，形成的冻土墙具有足够的强度，是一种安全可靠的工法，随着工程规模加大，经济上有一定竞争力［2］。结合本工程处于交通繁忙路段的交叉口，为了确保盾构始发安全，选用水平杯型冻结法进行加固。

3 冻结设计与工艺

3.1 冻结方案与冻结参数

针对本工程特点，采用水平杯型冻结方案，由于端头未经水泥土加固，水平冻结形成的杯型冻结壁应具备承载及止水的双重功能，因此为实现纵向止水要求，冻结壁杯体长度应超过盾构机体1～2 m，取为9 m。为承载地压经数值分析冻结壁杯底厚度取3.5 m，冻结壁杯体厚度取1.6 m。

设计最低盐水温度 －28～－30℃，冻结壁杯体设计平均温度≤ －10℃，冻结壁杯底设计平均温度≤－12℃，积极冻结期30 d。根据冻结帷幕设计，冻结孔56个，均采用φ89 mm×8 mm的低碳无缝钢管，其中洞圈外侧沿开洞口φ8.0 m圆形布置32个冻结孔，开孔间距为0.785 m(弧长)，冻结孔深度为10.6 m (含1 600 mm内衬墙及地连墙);中圈沿开洞口 φ5.4 m圆形布置15个冻结孔，开孔间距为 1.130 m(弧长);内圈沿开洞口φ2.7 m圆形布置8个冻结孔，开孔间距为1.059 m(弧长)，中心布设1个冻结孔，冻结孔深度均为4.3 m(含800 mm地连墙)。共布置6个测温孔，其中内圈以内1个，内圈和中圈之间1个，中圈和外圈之间1个，外圈以外3个，上部1个(因冻结加固区上方土层较好)，下部2个。具体冻结孔及测温孔布置见图1。

洞门槽壁破除前应满足以下要求:

1)盐水去回路温差≤1.5℃;

2)冻结壁杯体厚度≥1.6 m，冻结壁杯底厚度≥3.5 m;

3)洞门内施打探孔，探孔穿透槽壁进入土中5～10 cm，并且冻结壁与连续墙交界处温度≤－5℃;

4)冻结壁杯体设计平均温度≤－10℃，冻结壁杯底设计平均温度≤－12℃;

5)积极冻结达到30 d。

3.2 施工工艺

水平杯型冻结工艺流程:施工准备→水平冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统→安装冻结盐水系统和监测系统→冻结运转→积极冻结→测温并分析冻结壁发展情况→探孔检验→各项温度及冻结壁设计参数满足要求→凿除洞门→停止内圈冻结，拔内圈冻结管，外圈保持积极冻结→盾构推进→封堵洞门圈→停止外圈冻结，拔外圈冻结管，封堵冻结孔。

4 冻结温度场实测与分析

4.1 测温点布置

水平冻结区内共设置6个测温孔，均选用φ60 mm×3 mm的测温管，在外圈冻结管外侧布设3个测温孔(C1，C2，C3)，深度为10.0 m，外圈和中圈之间布设1个测温孔C4，孔深为4.0 m，用于冻结壁杯体的温度监测;其余2个测温孔(C5，C6)均布置在中圈之内，孔深为4.0 m，用于冻结壁杯底的温度监测。测温孔 C1，C2，C3均设置4个测点，分别位于内衬墙外侧1，4，7，10 m;测温孔C3，C4，C5均设置3个测点，分别位于内衬墙外侧1，2.5，4 m。测点编号依次为Ci－j(i表示测温孔编号，j表示测温孔不同深度编号)。各测温孔方位偏差见表1，测温点沿测温孔分布见图2。

图1 右线水平冻结孔及测温孔布置示意(单位:mm)

表1 测温孔方位偏差

图2 测温点沿测温孔布置示意(单位:mm)

去回路盐水温度监测，包括干管去回路盐水和各串联冻结管的回路盐水温度监测。设置10个分支回路盐水温度监测点，冻结管串联情况见表2。

表2 各分支回路冻结管串联情况

为了进一步判断洞门开凿条件，在断面开“米”字形探孔，探孔深度为1.0 m左右，监测冻土与地下连续墙胶结面处温度，探孔编号Ti(i表示测点编号)，断面布设参见图1。

4.2 冻结情况

右线端头冻结加固工程自2014年10月27日开始冻结，11月29日开始洞门凿除，12月17日拔内圈和中圈冻结管，外圈冻结管不拔除并处于冻结状态，至12月29日冻结停止，整个过程历时64 d。其中，凿洞门5 d，拔管1 d。12月19日正式始发，盾构刀盘全部离开冻结板块，并顺利完成始发，共用时10 d。

4.3 干管盐水测温分析

干管去回路温差是综合反映冷媒吸热量及冻结效果的重要指标。图3是开机冻结64 d干管去路和回路盐水温度随冻结时间变化曲线。

图3 干管盐水温度随冻结时间变化曲线

开机冻结7 d后干管的盐水去路温度－20.8℃，回路温度－19.0℃，温差1.8℃。这是因为冻结开始时热交换量大，所以去回路温差大，此后随着冻结时间的延长，盐水温差持续减小。到冻结第15 d时，盐水去路温度下降到 －25.0℃，冻结28 d达到设计温度－28.0℃。从冻结第17 d开始，去路盐水温差呈缓慢下降趋势，这是由于此时各测温孔温度均处在0℃以下，热交换量逐渐减少。积极冻结期间盐水去回路平均温差较大，进入维护冻结期间热交换量较小，最终趋于稳定。

4.4 分支回路盐水测温分析

分支回路温度反映各串联冻结管回路中的盐水温度。分支回路盐水温度随冻结时间变化曲线见图4。可知，10个分支回路中盐水温度下降过程相同。开机冻结后，温度迅速下降，17 d后各分支回路温度趋于稳定。这是由于此时各测温孔温度均处于0℃以下，热交换量减少。开凿洞门期间，各分支回路盐水温度均略有回升，随后缓慢下降，最终趋于稳定。由此得出，分支回路中盐水温度比较均匀，说明盐水循环一直处于正常状态。

图4 分支回路盐水温度随冻结时间变化曲线

4.5 测温孔测温分析

根据测温孔测温数据对处于不同深度、不同冻结区域和不同土质土体的冻结效果进行评价。本次实测研究从大量的监测数据中，抽取积极冻结期间部分有代表性的测点降温过程进行分析。

1)不同阶段及深度土体温度变化分析

选取板块内测温孔C5的降温情况进行分析，获得了不同深度土体温度随冻结时间变化曲线见图5。

图5 C5测温孔不同深度土体温度随时间变化曲线

由图5可知，整个冻结过程分为3个阶段:

第1阶段(0～7 d):土体最高温度20.3℃，最低温度3.8℃，平均每天下降2.15～2.2℃。由于地热，测温点越深温度越高，但是各个测点的最高温差仅有0.8℃。

第2阶段(8～17 d):土体最高温度4.4℃，最低温度－2.5℃，这一阶段是土体释放潜热的过程，温度下降较缓慢，平均每天下降0.6～0.7℃。

第3阶段(18～32 d):潜热释放完毕，冻结管与其周围土体进行剧烈的热量交换，冻结圆柱半径迅速扩大，冻结壁厚度及温度接近设计值。土体温度从－2.5℃开始迅速下降，平均每天下降1.0～1.4℃。不同深度的温度逐渐出现差别，最大温差为6.3℃。测温点越深温度越低，这是因为较浅的土体与地下连续墙进行热量交换，使得较浅土体温度损失。

2)不同冻结加固区温度变化分析

选用布置于相同深度、相同土质、不同冻结加固区中的测温孔，对其降温情况进行分析，获得不同冻结加固区温度变化曲线，见图6。其中，测温点C3-1，C5-1都在相同的混合土中，距离最近冻结管的距离均为758 mm，C3-1处于冻结壁杯体加固区，C5-1处于冻结壁杯底加固区。

由图6可知，在整个冻结期间，任意时刻冻结壁杯体加固区温度始终高于冻结壁杯底加固区。这是因为冻结开始后冻结壁杯体外圈冻结孔与加固区外围土体相接触，二者之间温差较大，外圈冻结孔冻结能量不断向周围土体流失，冻结壁杯体能量损失较多，同时冻结壁杯底加固区在外圈冻结管的保护下阻挡了与外界热源的交换。此结论与王杰等［10］通过实测研究得出的结论是一致的。

图6 测温点C3-1和C5-1温度随时间变化曲线

3)不同土质土层温度分析

选取布置于相同冻结加固区、不同土质土层中测温孔在相同深度的降温情况进行分析，获得了不同土质土层温度的变化曲线，见图7。测温孔C1，C2都处于冻结壁杯体加固区，其中C1处于淤泥质粉质黏土中，C2处于混合土中。由图7可知，虽然土质不同，但是降温过程仍然具有一定的相似性。测得的相同深度不同土质土层的原始地温比较接近，但是当降温曲线趋于稳定后，冻结混合土温度较低，冻结淤泥质粉质黏土温度较高。这是因为淤泥质粉质黏土中的结合水较多，且冻结时水分迁移量大，容积热容量也较大，淤泥质粉质黏土较难冻结。

图7 测温点C1-1和C2-1温度随时间变化曲线

4.6 冻结效果检验及洞门槽壁破除条件

冻结28 d时，在洞门上呈米字形布置和打设探孔T1～T9，测得其温度分别为 －11.5，－11.9，－13.9，－13.8，－13.2，－11.7，－11.6，－11.3，－12.2℃，未见流水流砂，探孔温度均低于－5.0℃，可推断冻结效果良好。

冻结30 d后，根据最不利原则，以各测温点温度最高值(测温点C1-4的温度最高，为－4.1℃)进行计算，得出最小的冻结圆柱半径为0.93 m，水平冻结外圈冻结壁厚度为1.73 m，达到设计冻结壁厚度1.6 m。

根据成冰公式［11］计算冻土壁的平均温度。由于测温孔C4，C5，C6布设在洞门内侧，根据最不利原则，计算得出冻结壁平均温度为－14.3℃，已经达到冻结壁设计平均温度 －10.0℃要求。并且探孔打设过程中未见流砂，探孔温度均低于－5.0℃。

综合分析，冻结30 d后，冻结壁杯体厚度、冻结壁与连续墙交界处温度、冻结壁杯体平均温度、积极冻结天数均满足了洞门槽壁破除及盾构始发条件。可见对盾构隧道端头采用水平人工冻结法进行加固切实可行。

5 结论

1)因受地面加固条件限制，软弱地层可采用杯型水平冻结法加固，该工程的加固范围、参数及工艺可在类似工程中推广应用。

2)分支回路中盐水温度基本均匀，其变化与干管盐水温度变化一致。

3)冻结壁温度随时间的变化可分成3个阶段，前两个阶段不同深度处温差较小，后一阶段因冻结壁潜热释放完毕，不同深度处温差逐渐变大。同一测温孔中，冻结前期距地下连续墙水平距离越远温度越高;而冻结后期距地下连续墙水平距离越远温度越低。

4)在整个冻结期间，冻结壁杯体加固区温度始终高于冻结壁杯底加固区。

5)在相同冻结能量和冻结时间内，淤泥质粉质黏土温度比混合土要高。

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Research on horizontal freezing reinforcement and scheme design of shield launching end wall

FAN Wenhu，YANG Ping，YAO Mengwei
(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing Jiangsu 210037，China)

T aking the shield launching end wall reinforcement project located at the right lane of Suojincun in Nanjing metro station No．4 as an example，the horizontal freezing reinforcement method was determined by comparing and selecting several reinforcement schemes，the brine temperature change rules of main pipe and each duplexure was analyzed through actual measurement of the cup-shaped freezing soil wall temperature field，and the temperature change characteristics of soil in different depth，freezing reinforcement regions and different soil texture were discussed．T he results showed that the brine temperature in duplexure is even，change of which is consistent with main pipe，the reinforcement region temperature in cup body of freezing wall is always higher than temperature at cup bottom at any time during the whole freezing period，the farther the horizontal distance to underground diaphragm wall，the higher the temperature is at the early stage of freezing and the lower the temperature is at the end stage of freezing in the same thermometer hole，and the temperature of muddy silty clay is higher than the mixed soil if the freezing energy and freezing time is same．

Horizontal freezing;Shield launching end wall;Soil reinforcement;T emperature

U455.43

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．12

(责任审编 葛全红)

2015-03-10;

:2015-06-24

住房和城乡建设部科学技术项目(2014-k3-029)

樊文虎(1992— )，男，安徽桐城人，硕士研究生。

1003-1995(2015)08-0039-05