富水复合地层的冻结加固施工方法研究

2023-10-30康健张善马英博林赉贶

中国设备工程 2023年20期

关键词：冻胀力土仓刀盘

康健，张善，马英博，林赉贶

（1.中交天和机械设备制造有限公司，江苏常熟 215500；2.中南大学机电工程学院湖南长沙 410083）

在富水复合地层中常使用冻结加固方法进行施工。通过形成人工低温，冻结地层中底层的水并形成冻结体，撑起地层空隙，极大地提升地层的稳定程度，并创造在冻结壁的保护下进行无水作业的条件。其本质是利用人工制冷技术临时改变岩土的状态以固结地层。

1 工程概况

1.1 设计概况

福州滨海某地铁区间，总长3099.452m。区间隧道线路为东南方向，出滨海西站后沿规划福海路下方敷设接大数据站；沿线为单线单洞盾构区间,设5 处联络通道（4#联络通道兼泵房），区间隧道覆土埋深约8.84 ～27.17m。

图1 盾构施工平面图

图2 隧道穿越地层比例图

1.2 地质概况

地表到隧道底部覆土厚度约为29.8m。自上而下为：杂填土<1-2>、（含泥）粉细砂<2-4-5>、淤泥<2-3>、淤泥质土<2-4-1>、（含泥）粗中砂<3-3>、粉质黏土<3-4-2>、砂土状强风化花岗岩<7-1>、中风化花岗岩<8-1>。

2 冻结加固施工方案

由于地层含水量较大，带压作业方式风险高，且事故发生时作业人员难以自救。为了保证施工安全，拟采用冷冻加固施工方案（即“地面垂直冻结+仓内止水冻结”）加固地层，然后在冻结壁的保护下常压进仓修复刀盘、更换刀具方案。施工示意图如图3 所示。

图3 冻结加固示意图

图4 冷冻加固施工工艺流程图

冻结加固施工总体安排如下：

（1）为实现在土仓内布设冻结管及水平冻结期间避免无法更换其周边滚刀，故提前采用带压作业方式进行刀盘面板上更换滚刀及土仓内冻结管布设。

（2）通过采用地面垂直冻结+土仓内冻结管水平冻结方式进行刀盘前方及周边土体的有效加固，即在盾构机刀盘上部及刀盘前方利用垂直冻结孔冻结加固地层，使盾构机刀盘左右侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“n”状冷冻加固体；在土仓内螺旋机闸门口上方及两侧布设水平冻结管，冻结形成止水帷幕，防止盾体底部地层来水。

（3）为保证盾构加固质量及节约工期，垂直积极冷冻35 天，水平积极冻结较垂直提前15 天左右，对冻结体检查确认满足要求后，进入维护冻结阶段进行刀盘修复、刀箱刀具更换施工作业。

（4）待完成仓内作业，拔出冻结管，封堵冻结孔，而后判断并进行融沉注浆作业。

3 冻结加固技术工艺分析

3.1 冷冻帷幕设计

（1）对于用于封水的盾构机底部冻结壁，设计有效厚度2.0m，保持平均温度≤-5℃；其他位置设计有效冻结壁厚度：盾构顶部3.0m，两侧3.0m，刀盘前方迎土面4.5m，保持平均温度≤-10℃。

（2）对于地面，积极冻结时长一般设计为35 天，对于盾壳内则一般设计为50 天，但形成的冻结壁与原有盾壳胶接贴合牢固的程度会导致实际时长与设计时长相异。由于需要保证盐水流量≥5m3/h/孔；盐水温度随着积极冻结时长增加而逐渐下降，7 天后要求温度＜-20℃；15天后，要求温度＜-25℃；去、回路盐水具有温差，温差值≤2℃；当盐水温度降至＜-28℃后可以常压开仓。另外，要求设计冻结管散热量≥100kcal/h/m。若上述条件没有实现，则不符合要求，应当适当延长积极冻结时间。

（3）在刀盘四周边刀带压进仓更换完成后，带压进仓，在土仓内螺旋机闸门口上方水平和两侧敷设DN40 不锈钢冻结管，冻结管依次平行布置，冻结管进出口通过土仓隔板上预留阀口连接至隧道内冷冻站；积极冻结前，在前盾壳四周采用DN40 软管敷设冷排管，冷排管间距400mm；对盾壳内不能敷设冷排管和无法安装冷排的区域，用厚度40mm 的软质塑料泡沫软板进行保温，敷设范围不小于冻土帷幕边界1.0m 以外；为了防止盾壳内冷量损失，在壳体安装厚的棉布帘，以减少盾壳表面与隧道内空气进行热交换。

（4）进行积极冻结作业时，要确保冻结区中心200m范围无降水，选择位置时也需要注意土层中不得有集中水流流经冻结区。

3.2 冻结加固孔位布置

（1）数量要求：地面垂直冻结孔90 个，盾构机土仓内冻结管37 根，土仓面板布置水平冻结孔2 个；地面垂直测温孔6 个，盾构机土仓内水平测温孔2 个；盾构机土仓内泄压孔2 个。

（2）垂直测温孔布置：垂直测温孔6 个，规格、接头、施工方法与冻结孔一致。

（3）水平测温孔和水平冻结孔：利用土仓面板径向孔施作，要求水平测温孔入土深度不能小于2m。

（4）泄压孔：利用土仓面板径向孔施作，用于释放积极冻结期间盾壳四周产生的冻胀力。每处泄压孔上安装压力表，在冻胀力达到0.4Mpa 开始泄压。

（5）垂直冻结孔：垂直冻结管按照一定的间距进行水平和竖直敷设。其中冻结孔开孔或预埋位置误差≤50mm。地面冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间允许偏斜量≤200mm，土体内冻结管循环盐水段长度被定义为有效深度，要求冻结孔设计深度≤有效深度≤设计冻结深度+0.5m。

3.3 冻结施工注意事项

（1）在冻结前，首先要保护盾构，其重点为主轴承密封、盾尾密封、盾体、铰接密封；然后二次注浆盾尾管片，封堵水源。禁止直接把盐水降到低温进行循环，只能使其按预计降温曲线进行。

（2）对于地面，积极冻结时长一般设计为35 天，对于盾壳内则一般设计为50 天，但形成的冻结壁与原有盾壳胶接贴合牢固的程度会导致实际时间与设计时间相异。由于需要保证盐水流量≥5m3/h/孔；盐水温度随着积极冻结时长增加而逐渐下降，7 天后要求温度＜-20℃；15天后，要求温度＜-25℃；去、回路盐水具有温差，温差值≤2℃；当盐水温度降至＜-28℃后可以常压开仓。另外，要求设计冻结管散热量≥100kcal/h/m。若上述条件没有实现，则不符合要求，应当适当延长积极冻结时间。

（3）积极冻结时冻结壁达到设计强度和厚度与否以及冻土帷幕的形成均可以通过测温所得数据来判断。待均为肯定后，再施工打探孔，待确认冻土帷幕内土层基本无压力，再实施开仓作业。

3.4 冻结施工防冻保护

冻结过程中监测冻结壁温度，刀盘前方土体达到冰点时，打开隔板预留球阀排浆，同时逐渐降低土仓内泥浆液面，保持压力平衡，直至土仓内泥浆排至修复工作平台底部位置。

随着冻结交圈发展情况，分次（按0.2bar/次）逐步降低仓内气压，积极冻结完成时降至常压。

3.5 冻结施工效果检查

（1）为了进仓作业的安全与高效，需并行监测多个数据：冻结体对隧道的胶结贴合程度必须保证冻结体交圈且完全胶结隧道；通过测温来保障冻结体交圈情况良好及其厚度合规，为实现以上要求，相关数据均需要符合设计规范。

（2）设计有效冻结壁厚度：盾构顶部3.0m，底部两侧3.0m，盾构迎土面3.2m，平均温度≤-10℃；盾构底部约2.0m，平均温度≤-5℃。

4 冻结系统监测

4.1 冻结系统监测内容

为了能够及时反馈冻结状态信息，判断冻结壁厚度和强度是否达到施工要求和能够及时地对冻结过程进行有效控制，需要对冻结系统进行监测。

其中，主要对冻结孔施工、冻结壁温度场、冻胀力和隧道沉降等内容进行监测。

4.2 冻结系统监测方法

（1）冻结孔施工监测。由技术人员定时监测冻结孔偏斜，成孔偏斜逢孔必测。先根据测斜成果绘出相邻两孔完成后的偏斜图，再找出最大孔间距。应对超标者采取纠偏措施。冻结管耐压试验时长共30min，要求按规范试压，压力0.8Mpa。

（2）冻结壁温度场监测。①为了掌握各方向温度场变化规律，依据所在地层等实际情况每间隔1 ～3m 设1个测温孔，各内置一串铜——康铜热电偶串，每天测温一次至冻结壁已完全合规。可通过由冻结壁测温计算所得冻土扩展速度以及冻结壁交圈情况来预测冻结壁的厚度和平均温度。②布置测温点。首先将8 个测温孔分别布置在冻结帷幕内外，其次在每孔内隔1 ～3m 布置1 个测温点，且每个测温孔内的测点布置数量均不少于5 个。

（3）冻胀力监测。在土仓面板预留孔上设置2 个冻胀力监测点并安装压力表用于在积极冻结期监测冻胀力。

若冻胀力增加过大且不均匀时，会对设别使用和盾构姿态控制造成影响。故在冻胀力达到0.4Mpa 期间，打开冻胀监测孔上的旁通阀，开始间断泄压，保持冻结区的冻胀力在0.4Mpa 以下。