昆明富水地层冻结法接收井施工技术研究

蒋应省

(中铁十九局集团有限公司 北京 100176)

1 引言

昆明地铁5号线采用盾构法施工，穿越范围内土层赋存水量高，含承压水，土质软弱，围岩稳定性差，在盾构接收破除门洞阶段，极易引起洞门土体坍塌，涌水、涌砂等工程问题，影响后续盾构正常推进，危及地表周边建(构)筑物的安全。

冻结法作为一种环境适用性好、止水强、强度高、绿色无污染的地层加固方法[1-4]，近20年来发展迅速。而钢套筒接收技术一直是盾构掘进结束时的关键施工环节。吉武军[5]依托苏州地铁5号线，通过工程实例证实了盾构的冷冻法联合钢套筒接收技术的可行性；岳红波等[6]详细分析了冻结法与钢套筒结合技术对盾构隧道的影响，以及施工过程中的重难点；丁国胜[7]根据福州地铁1号线现场情况，研究了水平冻结法搭配钢套筒的辅助盾构进洞技术；赵亮等[8]总结了在软弱富水地层中钢套筒盾构接收井施工技术的特点和难点。目前，关于人工冻结法的研究已基本形成体系[9-10]，但各方面的优化改进仍在进行。竖向冻结、水平冻结、管幕冻结、半封闭冻结等多种冻结方式都有其独特的优点[11-14]，其中多圈水平型冻结以其施工作业简单、监测检测方便、冻结效果优良、施工场地要求小等特点[15]，越来越广泛地应用于具有富水、承压水等软弱地层加固措施中。

本文在前人研究基础上，利用多圈水平型冻结法结合钢套筒盾构接收技术来解决实际工程富水地层盾构接收问题，达到了保护地下水资源、加固地层、避免管线移改并顺利完成五弥区间盾构接收等目标。对冻结法进行优化，使地层加固效果更加优良，对地表变形控制效果更好，并将盾构接收涌水涌砂的风险降至最低。

2 工程概况

地铁线路穿越五一路道路，区间平面如图1所示。区间隧道埋深为19.7～28.8 m。盾构端头位于十字路口，地面加固方案受限于场地交通条件过于复杂而无法实施，且地下管线错综复杂，诸多因素导致无法采用常规加固方案，同时控制性建(构)筑物较多，接收端侧穿省美术馆，下穿地铁3号线；地下管线主要为电信、给水、排水、燃气、有线电视、交通信号、供电等，埋深均在5 m以内。设计采用多圈水平冻结法加固，确保盾构机顺利出洞。接收端地下水位埋深3 m左右，工程影响范围内场地地下水主要有上层滞水、孔隙潜水和微承压水三类。盾构区间接收端头地层主要为圆砾土、粉质黏土、粉砂层。

图1 区间平面

3 冻结法与钢套筒结合技术

3.1 冷冻孔施工

本工程采用水平长臂杯型冻结方案，区别于郑州地铁、苏州地铁等盾构工程，工法进行如下改进:调整盐水冻结降温计划、优化孔位布置和钢套筒设计以提高效率，缩短冻结工期，节约冻量、确保施工安全，改进参数见表1，冻结孔位布置见表2、图2。

表1 盐水降温计划改进前后施工参数对照

表2 冻结孔布置参数(单洞)

图2 洞门冻结孔立面

3.2 钢套筒施工

(1)钢套筒主体结构

钢套筒钢板材质为Q235B，内腔板厚16 mm，筋板板厚20 mm，连接法兰板厚60 mm，连接螺栓为M24(8.8级)。钢套筒拼装完成后筒体长度为10 900 mm，标准段内径为6 900 mm。钢套筒筒体由A、B、C、D 四种模块组成，A 块为下部块共34块，单块长度3 300 mm，三块拼装总长9 900 mm；B块为上部块共3块；C块为加强环(两个半圆)，单块长度500 mm；D块为过渡环(两个半圆)，长度500 mm。后端盖选用平面盖，用30 mm厚Q235A钢板作为材料，分成上下两个半圆部分，把上下两部分用两块30 mm厚钢板做连接板拼成一个整圆。平面环板采用“井”字型工字钢焊接在后端盖上。

(2)钢套筒后支撑体系

后支撑体系由6根φ530钢筒斜撑与4根φ530钢筒组成，钢套筒两侧各采用3根双拼 20a加固工字钢从基座抵撑至结构墙及底板上，双拼加固工字钢、530钢筒斜撑及直撑长度和角度如图3所示。钢筒支撑一端满焊至后盖端表面，另一端满焊至底板结构主筋并利用钢棒固定；工字钢一端满焊至钢套筒基座表面，另一端满焊底板结构主筋或抵撑至侧墙。

图3 后支撑体系加固(单位:mm)

(3)钢套筒填料

根据盾构出洞姿态，钢套筒内先回填C20素砼至刀盘底标高，作为盾构接收基座，再充分填充同步砂浆。同时在地面设置一个漏斗，并引一条输送管道至钢套筒预留灌料口处，将填充材料从漏斗输送至钢套筒内。为了保证填料分配均匀，填料过程中要在每个填料孔交替进行，使钢套筒内填料饱满、密实、均匀。

4 数值模拟分析

4.1 有限元模型的建立

利用有限元软件FLAC3D对水平长臂杯型冻结法施工进行模拟。FLAC3D可进行非线性分析，能够很好仿真模拟实际复杂工程问题，并且前处理与后处理功能较为完善。在进行热力耦合分析时，FLAC3D具备热力学场赋予功能，结构受力通过编写软件内部fish语言进行施加，模型通过Rhino进行建立嵌入。经过预设时间步计算，通过FLAC3D自带的后处理功能输出观测点的位移响应数据。数值模型如图4、图5所示。

图4 冻结法模型

图5 整体模型

4.2 分析对比

4.2.1 温度场变化规律

提取冻结法施工时土体的温度场云图数据发现:冻结管在初期温度基本为-25℃，认为土体冻结所需的温度阈值为-20℃，在此温度下土体的力学强度符合要求。所有工况均为温度逐渐向中心过渡，直至产生冻结壁，也说明此时土体强度达到设计值。

通过比对发现，垂直冻结法一般设置冻结持续时间为10 d，此工况特征为初步交圈相对较薄，约为0.6～0.8 m；将冻结时间增加至20 d时，方可形成符合设计要求的冻结壁，厚度约1 m。当采用水平长臂杯型冻结法时，5 d左右冻结帷幕即可交圈，15 d左右冻结帷幕可达到预设要求。当采用全断面冻结法时，冻结壁厚度约为0.4 m，交圈虽为10 d，但远未达到设计强度要求；冻结时间设置为20 d，厚度约0.9 m。研究表明冻结时间为30 d时冻结壁厚度方可基本达到设计要求。三种冻结法温度的传递扩散趋势均一致，而达到符合设计要求的冻结壁厚度所需时间存有显著差异。

通过对比，发现水平冻结法在冻结时间为3 d时冻结壁厚度可达0.3 m，8 d左右厚度达0.6 m，30 d厚度达0.9 m。当采用垂直冻结法时，一般需要5 d方可形成0.4 m的冻结壁，仅略高于水平冻结法3 d所形成的冻结壁，将冻结时间设置为15 d方可形成具有一定规模的冻结壁，50 d达1.6 m。采用全断面冻结法时，冻结壁的变化趋势与垂直冻结法类似。综合判断，水平冻结法的制冷效率更高。

4.2.2 位移场分析

图6为采用水平冻结法时，洞门附近竖向位移及地表水平方向的竖向位移曲线。从图6 a可以看出，随着与地表距离增大，土体竖向位移呈明显减小趋势，位移值最大约为5.126 mm。当与地表距离40 m时，位移变化逐渐趋于平稳，达到位移最小值-0.050 m。冻结法有明显改善土体变形的作用，曲线斜率在冻结区域有变缓趋势，说明冻结力引起的土体膨胀力可对原本不稳定状态进行有效补偿，使得土体强度达到设计值，确保围岩的应力平衡，避免了结构损伤或破坏。

图6 水平冻结法地表位移曲线

由图6b可以发现，在距离洞门中心较远位置，水平走向位移值较小，最大位移点在洞门附近。距离冻结壁越近，冻结壁对土体强度的提高效应越显著，表现为水平走向位移值更小。洞门附近为位移峰值出现的区域范围，最大值可达4.736 mm。

图7与图6对比可发现，两种方法冻结规律基本一致。其中位移最大值与最小的位置分别在地表位置与距离地表位置的最远端，位移最大值为5.102 mm，最小值为-0.700 mm。垂直冻结法土体变形比水平冻结法大，最大值比水平冻结法大2.9%左右，表明变形效应对周围环境的影响更大，地面将出现隆起变形，威胁到既有建筑物的安全。垂直冻结法土体水平走向位移变化规律也与水平冻结法保持一致，距离洞门中心水平距离越远，则位移值越小，最小值出现在远端，为4.860 mm，最大值为4.876 mm。

图7 垂直冻结法位移曲线

从图8可以看出，全断面冻结法冻结规律与其他两种冻结法类似，隧道中线处的竖向位移最大为4.735 mm，最小位移出现在距离洞门的最远端。对比水平冻结法数据可以发现，全断面冻结法的最大冻胀位移略大，表明其冻胀效果要大于水平冻结法。

图8 全断面冻结法位移曲线

5 实际工程效果对比

以昆明地铁5号线弥勒寺-五一路区间工程为依托，配合水平多圈杯型冻结接收作业，设计专项监测方案，分析现场实测温度数据，明确反映冻结过程，监测管路盐水温度及循环盐水温差来综合反映冷媒吸热量及冻结效果，以此论证本冻结技术的有效性与实用性。现场测温孔布置如图9所示，冻结发展指标见表3。

图9 现场测温孔

表3 冻结发展指标改进前后对照

由表3可知，改进后冻结发展速度均快于改进前的预测速度，交圈时间在改进后也全面优于改进前的预测时间。冻结发展速度加快、交圈时间减少，为工期缩减提供了有利条件。改进后实测冻结壁厚度在1.6～5 m之间，大于改进前冻结壁厚度的1～3 m，说明改进后的工艺措施对富水地层加固效果更加明显，进而加强了对地表沉降变形的控制效果，同时也避免了管线移改作业。总体上，改进后的冻结法施工效果完全满足昆明轨道交通5号线五一路站-弥勒寺站盾构工程要求。

6 结论

(1)本文提出钢套筒+水平多圈杯型冻结加固相结合的盾构机接收技术，代替传统的盾构端头土体加固技术，并成功应用于昆明轨道交通5号线五一路站至弥勒寺站盾构区间富水地层，提高了工程质量，大幅度降低了涌水涌砂施工风险。

(2)钢套筒+水平多圈杯型冻结加固相结合的盾构机接收技术包括钢套筒主体结构和钢套筒后支撑体系设计、钢套筒填料施工优化参数，及冷冻孔施工、钢套管施工、盾构接收施工及洞门密封施工工艺。该技术具有场地要求低、止水效果好、钻孔难度低、能量利用率高、适用性广、绿色环保、利于控制土体变形的优点。

(3)根据数值模拟结果，水平冻结法、垂直冻结法和全断面冻结法三种冻结法温度发展规律类似，只是形成冻结壁的时间不同。水平冻结法比垂直冻结法制冷效果好，冻结壁形成时间相对较短。在沉降方面，靠近地表范围的土体在冻结作用影响下变形响应明显，当土体处于冻结区域时，其位移不受埋深影响，冻结效应为主导因素；沿水平走向位移变化规律表明，距离洞门越远，土体膨胀所产生的地表变形越小，洞门中心处地表竖向变形最大。

(4)根据现场监测数据获取冻结指标，明确了冻结过程，直观展现了改进后冻结法吸热效应及冻结效果，为类似工程积累了宝贵经验。