水平冻结法盾构进出洞风险控制

2021-11-09袁婷婷上海三维工程建设咨询有限公司上海200060

建设监理 2021年7期

关键词：洞门孔口外圈

袁婷婷（上海三维工程建设咨询有限公司，上海 200060）

0 引言

随着我国轨道交通建设突飞猛进，城市地铁建设难度不断加大。当盾构端头井周围地质条件差，存在涌水涌砂风险时，一些采用传统土体加固方法的场合极易发生事故。冻结法进出洞是解决此类问题的手段之一[1]。

采用水平冻结法实施盾构进出洞加固在实际作业中仍存在较大风险，处理不当起不到冻结效果。本文以上海轨道交通某区间隧道水平冻结法盾构进出洞为例，通过对冻结法盾构进出洞地基加固施工风险的分析，提出相应的控制措施，从而有效保证盾构进出洞的顺利进行。

1 工程概况

上海轨道交通某区间采用盾构法施工，始发接收井洞门圈直径 φ7.1 m，洞门中心埋深为 18.7 m。本工程地质情况复杂，洞门处地层自上往下依次为：①1素填土、②1粉质黏土、②3黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、④ 淤泥质黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉质黏土、⑤3-1粉质黏土，盾构进出洞所处的地层主要为：⑤1-1黏土、⑤1-2粉质黏土。本工程附近水系发达，地质变化较大，⑤、⑦ 承压含水层存在连通的可能。申通集团确定该项为致命性风险。

为确保盾构进出洞安全，决定对洞门进行水平冻结加固闭水，防止水泥系加固区与地连墙交界面处缝隙出水。即：在上下行线洞门处垂直地连墙施工水平冻结孔，采用低温盐水冻结加固地层，使地连墙外侧的土体冻结，形成封闭性好且强度较高的冻结壁，接着在其保护下进行洞门凿除及盾构进出洞工作。本工程上下行线的冻结壁均为圆形杯状冻结壁，杯底冻结壁厚度 2 m，杯壁冻结壁厚度1.5 m，杯底冻结壁直径 10.1 m，外圈冻结壁长度 6 m。

2 水平冻结法盾构进出洞主要施工风险因素及相关措施

2.1 地下管路损坏和地层沉降的风险及相关控制措施

盾构进出洞时，由于需要减小盾构推进压力，容易使上方地层沉降，从而诱发地下管路损坏；并且盾构与周围冻土的间隙容易导水，如果洞口密封不佳，也可引起较大地层沉降。

2.1.1 冻结孔施工控制措施

孔位要按冻结半径满足冻结壁交圈，确定数量，并控制施工误差在允许范围内。本工程上下行线洞门都布置有冻结孔 59 个，测温孔 8 个。其中外圈孔 34 个，洞门圈内冻结孔 25 个。外圈孔开孔间距 823 mm，洞门圈内最大开孔间距 1 093 mm。外圈的顶部及底部冻结孔为避开结构梁，略为调整角度采用倾斜布置（冻结孔布置立面图如图 1 所示）。共布置有 8 个水平测温孔，其中洞门圈内 2个测温孔 Cs1～Cs2 (Cx1～Cx2)，洞门圈边界上 2 个测温孔 Cs3～Cs4(Cx3～Cx4)，共 4 个短测温孔，孔深 3 m；冻结壁外侧边缘上 4 个长测温孔 Cs5～Cs8(Cx5～Cx8)，孔深7.6 m。

图1 冻结孔布置立面图

准确定出开孔孔位，并用地连墙上布点，以便于施工中校验、控制冻结孔方向。开孔位置偏差应控制在 50 mm 以内。在进行首个冻结孔施工时，需要分析地层钻进过程中的重要参数变化情况，同时查验工程地质与水文地质情况，一旦出现异常，应立即采取相应措施。孔口段冻结管方位必须准确，从而保证整根冻结管无偏斜。钻机开始钻机时，要反复校验钻杆钻机位置。施工冻结孔时发现局部地连墙厚度大于设计值，相应加大冻结孔深度以保证冻结壁厚度。冻结管安装完毕应及时打压试漏，并且复测冻结孔的深度与偏斜。若不能满足冻土帷幕设计厚度和进度要求，则需要进行打补孔。按冻结孔的质量要求施工测温孔，必要时为了加快冻土帷幕形成，将测温孔改作冻结孔[2]。

2.1.2 冻结系统设计

采用科学合理的冻结系统设计是保证地层冻结有效控制的关键环节之一。其主要包括冻结需冷量计算与冷冻机选型、冷却水系统设计、盐水系统设计。

（1）冻结需冷量计算与冷冻机选型（如表 1 所示）。

表1 制冷量计算与冷冻机选型表

冻结管采用 φ89 mm×8 mm 低碳无缝钢管，冻结管的表面散热系数为 300 kcal/m2·h，冷量损耗系数为 1.3，冻结管长度 326 m。

冻结需冷量：QT=1.3×3.14×300×0.089×326=3.553×104 kcal/h

（2）冷却水用量计算与冷却水循环设备选型（如表 2所示）。

表2 冷却水用量计算与冷却水循环设备选型

①冷凝器采用循环水，所需冷却水循环量

式 1 中，W1为冷凝器所需冷却水循环计算总流量（m/h）；QT为计算制冷能力（kcal/h）；γ为水的密度（t/m），取γ=1.0 t/m；c 为水热容量（kcal/t℃），取c=1 000 kcal/t℃；△t为循环水温差（℃），取 △t＝1.5 ℃。

② 油冷却器所需冷却水循环量

式 2 中，W2为油冷却器所需冷却水循环量（m/h）；取△ty为设计油冷却器进出水的温差（℃），取 △ty＝8℃；Wy为每台油冷却器设计用水量，取Wy=8 m/h。

③ 冷却水总循环量

式 3 中，N 为油冷却器数量。

④ 冷却水理论消耗量（冷却塔蒸发量）

实际最大新水补充量，按冷却水理论消耗量与天气炎热时油冷却器冷却水部分直排考虑。

（3）盐水循环量计算与盐水泵选型（如表 3 所示）。

表3 盐水循环设备选型

计算盐水循环量为

式 5 中，W为盐水循环量（m3/h）；QT为需冷量（kcal/h）；γ为盐水密度（t/m），取γ=1.26 t/m3；c 为盐水热容量（kcal/t℃），取c=653 kcal/t ℃；△t为去回路盐水温差（℃），取 △t＝1.6℃。

2.1.3 地层冻结控制措施

水泥系加固（夹心层）时间短存在水化热，冻结时尽可能降低盐水温度和加大盐水流量，确保此处冻结质量。优化内圈冻结孔的连接方式，内圈冻结管分成两组进行串联连接，同时每组的冻结管总长度必须小于外圈孔分组长度，有利于增加内圈孔的盐水流量，确保冻结管头部的冻结壁厚度，防止拔管后漏泥。必要时在盾构始发接收井的洞门地连墙上敷设保温层，并快速降低盐水温度，以加快冻结速度，减少冻胀量，确保冻结壁交界面不留薄弱环节。冻结孔能循环盐水的长度应达到设计孔深，冻结孔间距超限时打补孔，确保冻结壁能按时交圈并达到设计厚度。对地层冻结进行实时监测，设置自动放空阀定时查看和分析冻结器头部结霜和冻结器运转情况，并安装盐水箱液位自动报警器[3]。

2.1.4 盾构进出洞控制措施

采用大功率电加热装置快速强制解冻、快速拔除洞门内的冻结管。冻结壁拔除时按照从中心向外侧的顺序进行，即先拔除中心孔再拔除内圈孔，最后拔除中圈孔。为防止拔管时发生断管事件，冻结管安装时，洞门圈内的冻结管尽量采用整根非焊接的钢管。在拔除洞门内的冻结管时，维持外圈冻结管冻结，同时调整盐水流量加大外圈孔冷量供应。拔除洞门圈内的冻结管后，如果盾构不能立即进出洞，应立即在洞门上敷设保温板进行保温。

2.1.5 施工监测

本工程施工监测内容包括冻结系统去、回路盐水温度监测（冻结期间和洞门开凿期间均 1 次/d，积极冻结：不高于－28°C）；循环盐水管路流量监测（开冻时检测，不小于 5 m3/h）；冻结期间冻土帷幕温度场监测（冻结期间和洞门开凿期间均 1 次/d，进出洞前冻结壁平均温度：地连墙交界面不高于－10°C，其他地方不大于－8°C）；冷冻机运转参数监测；进出洞后冻结壁表面温度；地面及管线及建构筑物沉降变形监测(包括地面垂直位移、综合管线垂直位移监测；邻近建构筑物沉降监测)。

通过上述五项措施保证了冻结效果和有效降低了进出洞透水风险。

2.2 水土流失引发底层沉降、管线变形损坏的风险及相关控制措施

在冻结孔施工的钻孔过程中易造成水土流失，从而引发地层沉降和上方管线变形损坏。

为了控制此项风险，分别采取了以下的控制措施。

（1）冻结孔开孔时安装防喷装置，防止开孔过程中泥水流失从而引起地层沉降。

（2）先用钻机法钻透水泥系加固区，然后采用夯管法安装冻结管，施工时不易引起水土流失和引起地层沉降，并且可消除冻结管头部的盐水循环盲区，这样有利于防止拔管后冻结孔底部快速融化导水。

（3）采用二次开孔方法开孔。孔口管固定前必须采用拉线法复核方位及倾角。在地连墙上安装 φ121 mm×5 mm 孔口管，孔口管采用 3 根膨胀螺栓与地连墙固定牢固。安装孔口管后应压水检验孔口管与冻结孔之间是否渗漏，如有渗漏塞棉丝和覆双快水泥封堵。冻结孔开孔误差不超过 50 mm，确保符合设计要求。

（4）冻结管孔深或偏斜造成孔间距不符合设计要求时，必须打设补孔；耐压不符合设计要求时在冻结管内下套管冻结。用测杆复核夯入冻结管达到设计深度。然后通过孔口管旁通进行压浆封水，焊接密封冻结管与孔口管的间隙。测斜通过后对冻结管实行打压试漏，其试漏压力应限定在 1.0 MPa～1.2 MPa 范围内，稳固 30 min 不下降，则确定为试漏试验合格。

（5）不得在冻结孔施工过程中因偏斜等原因拔出冻结管。如发生冻结管断裂漏水，立即注浆堵漏。如冻结管已下到设计深度，下内套管处理。施工防止孔口管被松动，如有松动用膨胀螺栓固定。若施工冻结孔时遇大量出水和泥沙，注浆堵水后再恢复冻结孔施工。采取快速冻结，控制冻结时间，减小冻土体积和冻胀量，也有利于减小冻结壁解冻时的融沉。准备木塞、棉纱、双快水泥、注浆材料及机具，用于漏水时应急封堵[4]。