水平冻结加固土体中盾构始发技术

刘典基

(中铁隧道股份有限公司,河南新乡

453000)

摘要:结合上海某工程施工实例,简单介绍盾构始发端头水平冻结技术参数和方法,以及施工中特别注意的一些事项;详细叙述土压平衡盾构在水平冻结土体中始发时应采用的工艺流程,介绍始发过程中防止刀盘冻牢以及防止洞口涌水涌砂而应采取的方法和特殊措施,从监测结果分析冻胀和融沉的影响程度,采用特殊管片、车站结构预埋注浆管、跟踪注浆等措施有效的防止了冻胀和融沉对环境的影响,保证了始发施工和地表环境的安全。关键词:水平冻结;盾构始发;冻胀融沉;特殊措施中图分类号:U455.4

文献标志码:B

文章编号:1672-741X (2008)05-0580-06

Launchi n g Technology of Shi eld Machi n e i n Soil

Consoli dated by Hor i zont al Freezi n g M ethod

L I U D ianji

(Ch ina R ail w ay Tunnel S tock Co .,L td .,X inxiang 453000,Henan,China )

Abstract:Taking a p r oject in Shanghai as exa mp le,this paper briefly intr oduces the para meters and methods of horiz on 2tal freezing technol ogy at the shield machine launching shaft and s ome s pecial notice ite m s in constructi on .The p r ocess fl o wchart of EP B shield boring in horiz ontal freezing s oil and the methods and s pecial measures t o p revent freezing of cut 2ter head and water and sand gushing at the portal are p resented in detail .The influence degree of fr ost 2heave and tha 2wing 2subsidence is analyzed on basis of the monit oring data .Measures such as s pecial seg ments,e mbedded injecti on p i pes in stati on structure and tracing gr outing are taken t o avoid the influence of fr ost 2heave and tha wing 2subsidence on the envir on ment .Thus the safety of shield machine launching and gr ound surface envir onment is ensured .Key words:horiz ontal freezing;shield machine launching;fr ost heave and tha wing subsidence;s pecial measures

0引言

土压平衡盾构始发端头加固常用的方法有搅拌桩

法、旋喷法、S MW 工法、垂直冻结法等[1-6]

。但这些传统工法遇到以下情况时局限较大甚至无法实施:始发端头建筑物、管线密集,搬迁难度很大或费用很高,无法提供地面加固的场地;始发井深度超过30m 或更深时,加固桩位垂直度无法保证、容易形成加固盲区或渗漏通道,特别在粉细砂层中更容易造成灾难性的事故(如南京二号线上海十号线就发生过因为端头加固质量不好造成盾构机被掩埋的事故)。水平冻结加固技术在地铁联络通道加固和盾构到达端头加固中因其冻结体强度高,防水性能好的优点而被广泛应用。近期因水平冻结不用占用地面场地这一优点,逐渐地被应用到盾构的始发端头加固中。某地铁隧道工程在上海土压平衡盾构始发时第一次采用了水平冻结法,在始

发时优化掘进参数和工序防止盾构机刀盘被冻牢、确保连续施工。在解冻过程中采用多个化冻临界面均匀注浆的方法控制融沉,保证地面管线、建筑物的安全。

1工程概况

上海地铁某区间隧道采用2台小松土压平衡盾构同向推进,采用延长管线始发,见图1(a )。盾构外径6.34m ,管片外径6.2m ,内径5.5m ,环宽1.2m ,通缝

拼装。盾构始发端头环境复杂,下行线始发约3m 处即为前的1层或2层的老式住户区;始发约0.5～2m 处有2根<150上水管和1根<900污水管,见图1(b )。

盾构始发段隧道线路位于350m 的圆曲线上,此处隧道顶埋深约14.5m 。隧道上部地层自上而下依次为①1杂填土、①2浜填土、②1粉质黏土、③1淤泥质粉质黏土、④淤泥质黏土,隧道穿越地层为⑤1-1黏土、

收稿日期:2008-05-15;修回日期:2008-09-16

作者简介:刘典基(1976—),男,甘肃人,1999年毕业于西安矿业学院测量工程专业,本科,工程师,从事地下工程施工与管理。

第28卷　第5期2008年10月

隧道建设

Tunnel C onstruction

　　　　　　　　　　　　　　Vol .28　No .5

Oct .　2008

⑤1-2粉质黏土之中,隧道下伏土层⑤1-2粉质黏土,

见图1(c )

。

图1始发端头环境及地质断面图

Fig .1　Surr ounding envir on ment and geol ogical p r ofile of launching shaft

2

水平冻结施工

2.1

冻结孔布置

因考虑现场端头为房屋和管线,采用水平冻结的施工工艺。设计冻土帷幕为1个水平放置的开口向掘

进方向的杯体[7]

,杯底厚度3m 、杯壁厚度2m 、杯长7m ,见图2。冻土平均温度-10℃,共布置水平冻结孔

4圈共计54个,其中外圈(杯壁)冻结孔深度7m ,孔距0.784m ,冻结孔数30个,圈径7.5m;内部3圈(杯底)

冻结孔深度3m ,第1圈孔数15个,孔间距1.06m ,圈径5.1m ,第2圈孔数8个,孔间距1.033m ,圈径2.7m ,第3圈在圆心1个,内圈冻结孔数共计24个,梅花

形布置。测温孔9个,外圈布置3

个,内圈布置6个。

图2冻结孔布置图(单位:mm )

Fig .2　Layout of freezing boreholes (di m ensi ons in “mm ”

)2.2

冻结技术参数

选用2套YS LGF300螺杆机组(其中1套备用),每套标准制冷量286k W 。积极冻结盐水温度为-25～-30℃,积极冻结时间为14～20d;维护冻结盐水温度为-23～-28℃,维护冻结时间为14d;冻结总时间为35d,冻结帷幕平均温度-10℃。冻结后加固区瞬时极限抗压强度为5.4MPa 。2.3冻结施工特别注意事项

1)如果始发段线路处于曲线上或者下坡位置,盾

构在始发基座上不易调向,此时冻结孔的方向应该和盾构掘进方向平行,而不是简单和车站内衬墙面垂直。

2)位于车站结构上的冻结孔(图2中外圈孔)应在车站施工时提前预埋,并对预埋管四周钢筋做补强处理,避免结构完成后开孔影响车站结构强度。

3)在内圈冻结管连接前将帘布橡胶板上部先固定,悬挂在洞口,避免以后安装时拆除冻结管耽误时间。

1

85　第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘典基:　水平冻结加固土体中盾构始发技术　

3.1始发前准备

1)盾构安装并调试完毕。

2)盾构测量系统已建立并测量了初始值,确保盾构姿态正确。

3)盾壳两侧防扭装置焊接牢固。

4)各项物资、应急物资(液氮、聚氨酯等)已经到位。

5)反力架安装并加固结实。

6)负环管片已安装,保证再推进一环刀盘可顺利贯入掌子面。

7)冻结效果已经达到设计要求:一是冻结时间已达到设计要求;二是通过测温孔温度和去回路盐水温度变化分析判断冻结帷幕厚度和冻土温度达到设计要求;三是通过在洞口均匀布设9个2m深探孔测温检查加固效果。

3.2盾构始发

始发的工作流程为,凿除洞门混凝土→安装导轨→拔除内圈冻结管→盾构推进贯入掌子面→穿越加固区。

3.2.1洞门混凝土凿除

采用粉碎性凿除的方法,因冻结管较为密集,在冻结管打管结束、冻结系统连接前,将上部混凝土凿除约40cm厚,高度约1m的区域,以便以后凿除时留有一定的作业空间。

剩余部分待在冻结30d后开始,先凿除钢筋保护层混凝土,割除外排钢筋,然后自上而下凿至第2排钢筋,保留内排钢筋及内侧保护层。待始发各项准备工作就绪,拔管前割除内排钢筋、凿除剩余混凝土。凿除过程中冻结管继续维持冻结,如有损坏管路应及时连接。

3.2.2安装导轨

洞门圈混凝土凿除后,始发架和掌子面之间约有1.6m的间距,为防止盾构在贯入掌子面前刀盘叩头,在洞门钢环上焊接2只约70c m长的43kg钢轨作为盾构导向和支撑的轨道,轨面标高的方向和始发架一致,前后位置应留出刀盘旋转的空间(离掌子面约80

c m)。

3.2.3安装密封装置

安装72个双头螺栓,悬挂在洞口的帘布橡胶板穿入螺栓,然后依次安装环形压板、焊接合页压板、垫板(垫圈),拧紧螺帽。

3.2.4　拔除内圈冻结管

1)拔管前准备

①在刀盘前要搭好脚手架,并铺好木板。

②盐水加热箱、管钳、刀链、砂浆圆柱、木楔、液氮等机具材料准备就位。

③停止内圈的冻结,外圈继续维持冻结。

2)管壁局部解冻

利用热盐水在冻结器里循环,使冻结管周围的冻土融化达到30～60mm时,开始拔管。

①盐水加热用1只1m3左右的盐水箱储存盐水,用45～90k W的电热丝加热盐水。

②盐水循环利用流量为8m3/h水泵循环盐水,先用30～40℃的盐水循环5m in左右,然后用60～80℃的盐水循环达15m in左右,当回路盐水温度上升到25～30℃时,即可进行边循环边试拔。

3)拔管

①拔管顺序洞口内的3圈孔按自下而上的顺序分6组拔出,每组4个。

②拔管方法用热盐水循环解冻5～8m in后,利用48#大管钳转动冻结管,用3t手拉刀链拔出冻结管(连同孔口管一起拔除)。手拉刀链固定在搭设的脚手架上,冻结管范围内的脚手架须特殊加固使其与槽壁紧密连接便于力的传递。拔管注意冻结管与挂钩要成一线,冻结管不能蹩劲,拔管时要常转动冻结管,冻结管不能硬拔,如拔不动时,要继续循环热盐水解冻,直至拔起冻结管。冻结管拔除考虑盾构前端与冻结加固体的空间距离短,只有2.2m,所以对每个冻结管分2次拔除并割断;割断冻结管时割要距离冻结帷幕0.5m外进行,保证割的高温不融化冻结帷幕。

4)冻结孔洞回填

冻结管拔除后,马上塞入<105的水泥沙浆柱对拔除的冻结洞进行回填,并采用双快水泥封堵洞口,让冻土回冻水泥沙浆柱,达到冻结帷幕的完好性。

5)断管的处理

如有冻结管断在土体中,应迅速在断管口用风镐凿开约60c m的圆洞(如图3),找出断管头部,固定刀链,用长的割点火反复烘烤冻结管内壁4～6m in,直到拔出冻结管,用砂浆圆柱堆砌快硬水泥粘结封堵空洞

。

图3断管口处理

Fig.3　D is posal of br oken p i pe

6)拔管时间

285　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷　拔管时间控制在20h以内,避免冻土融化而造成土体坍塌的危险。

3.2.5　盾构推进

1)前期准备

①确保各类设备、物资(如盾构机、盐水、油脂等)准备到位、保持状态良好。

②解除盾构安全连锁,保证刀盘在管片安装模式也可以转动。

2)掘进

冻结管拔除后,清理干净钢环内的硬物,迅速安装管片、将刀盘抵拢掌子面。

①盾构机进入加固体时,以低速度、低推力贯入作业面,盾构机司机在此过程应密切注意刀盘马达的动力变化,如出现异常及时汇报以采取针对措施,如果刀盘油压上升较快,宜降低刀盘转速,不断正反转几分钟,防止刀盘卡死。

②盾构进入加固区后,掘进速度宜控制在1c m/ m in左右,刀盘转速不宜过快,推力不宜过大(控制在200t以内),以较为均匀的速度推进,土压力设定值应控制在0.05MPa内(土仓冻土尽可能出空)。在刀盘进入加固区2.8m(主加固区)时逐渐建立土仓中心土压至0.22bar(理论值)。

③盾构在穿越冻结区时,刀盘停转(必须保证集中润滑油充足,以避免刀盘不能正常运转)时间不能超过7m in;拼装时间宜控制在20m in之内,如大于20 m in,应停止安装,正反转螺旋机5m in,避免螺旋输送机冻牢。

④穿越加固体时,刀盘超挖刀伸出约5c m(如盾构为外置注浆孔,则应超挖10c m),保证盾构顺利通过冻结段,防止盾壳卡死而造成意外停机。

3)注浆

在掘进+3环时开始进行同步注浆。同步注浆与掘进同步,第3环、第4环注浆量控制在5m3/环左右,从第5环开始控制在3m3/环左右,并根据监测结果适当调整。同步注浆的浆液采用可硬性浆液,始发段前15环每方参考配比为(kg),水泥ν粉煤灰ν膨润土ν砂ν水=165ν320ν70ν800ν420。

在掘进+5环前,用水泥水玻璃双液浆封堵第1、第2环管片背部和车站结构之间的建筑空隙,使浆液在此位置形成一个很好的密封环。避免土体解冻后水土压力恢复造成洞口漏泥、漏浆。

3.2.6刀盘被冻牢的处理

在以往上海垂直冰冻法加固的地层盾构始发、到达时,因操作不当或盾构设备故障,约有40%的盾构在施工中刀盘曾被冻牢,处理较快的2d、处理较慢的要15d。因此,在掘进时要严格按3.2.5条要求施工。如刀盘被冻牢,可采用如下方法进行脱困。

1)在盾构重心靠近刀盘约50c m,高度在底部上1 m的左右两侧位置焊接反力装置。

　　2)在反力装置和内衬墙之间安放200t液压千斤顶(用托架支撑),并连接好液压管路(见图4)。

3)加好盾尾间隙的垫木,然后盾构推进千斤顶收缩20c m,开启液压油泵、两侧反力千斤顶同时加力,使盾构后退15c m左右。

4)刀盘试运装,如能正常转,则转动刀盘10m in,再逐渐伸出推进千斤顶,进入正常推进状态

。

图4反力装置示意图

Fig.4　Sketch of counterf orce device

5)如3)、4)无法实现脱困,向土仓内循环蒸汽,进行解冻,在循环蒸汽每4h试验后退盾构机或试转刀盘,直至脱困。

3.2.7其他

外圈冻结管在盾构抵拢掌子面后停止冻结,保留冻结系统,在穿越加固体过程中有漏水等异常时开启冻结系统积极冻结。在盾构掘进15环后拆除冻结系统。

4冻胀、融沉的控制

4.1冻结泄压

土体冻结过程中,可能产生一定的冻胀压力,为减小冻结施工对已建工作井及周围环境的影响,在冻结土体上部0.5m处布设一排冻结泄压孔(见图5),共9个(5个6.5m,4个2.5m),间隔布置,以使部分冻胀力得到释放。

4.2融沉控制

融沉主要是冻土融化时排水固结引起的,滞后于冻土的融化,冻土融化时的沉降量与融层厚度、融层土的特性有关。文献[8-11]解冻时采用在多个化冻临界面及时补偿注浆的方法控制地面沉降。

1)注浆管布置

①在冻结拔管施工时,进行注浆孔预埋注浆管规格为<3.81c m钢管(注浆管为花管),孔深度为冻结孔的设计深度;注浆孔布置根据冻结孔位置采用间隔布置,即外圈冻结孔拔除时每隔3个孔预埋一个注浆孔。

385

　第5期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　刘典基:　水平冻结加固土体中盾构始发技术　

图5泄压孔、注浆孔布置图

Fig .5　Layout of p ressure releasing holes and gr outing holes

②通过管片预留注浆孔注浆为消除融沉对环境

的影响,将洞口12环(约15m )管片每环增加10个注浆孔(共15个/环),见图6,保证在解冻时均匀的压注。

③在冻结区和房屋基础之间布置注浆孔(注浆管为花管),注浆孔间距1m 。布置方式见图5。2)注浆材料

注浆材料前期采用粉煤灰和膨润土惰性液浆。注浆压力为0.4～0.5MPa 。后期沉降趋于稳定时采用水泥-水玻璃双液浆封孔,水泥浆与水玻璃溶液体积比为1ν1,水泥浆水灰比为1ν0.8。

3)注浆顺序

根据解冻情况,先从管片预留注浆孔和在冻结区和房屋基础之间布置注浆孔进行注浆,而后通过冻结拔管施工时预埋注浆孔孔注浆。

图6管片注浆孔分布图

Fig .6　Layout of gr outing holes on seg ments

4)注浆原则及方法

注浆遵循多次少量均匀的原则。单孔一次注浆量

为0.3～0.5m 3,最大不超过1m 3

。注浆压力按设计要求为静水压力的2倍,压力小于0.5MPa 。一天地层沉降大于0.5mm ,或累计地层沉降大于3mm 时应进行融沉补偿注浆;地层累计隆起达到1.5mm 时应暂停注浆。具体根据地面变形监测情况做适当调整。以少量多次为原则,按融化冻土体积15%控制注浆量;注浆范围为整个冻结区域。

5)注浆施工过程的监测

控制地面沉降变形是注浆的目的。因此,解冻过程中,要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。监测数据是注浆参数调整的依据。

6)融沉注浆结束条件地层隆起达到1.5mm 时应暂停注浆。具体要根据地面变形监测情况做适当调整。融沉注浆的结束是以地面沉降变形稳定为依据。若冻结壁已全部融化,且不注浆的情况下实测地层沉降持续一个月,每半个月不大于0.5mm ,累计沉降量小于1mm ,即可停止融沉注浆。

7)其他控制技术措施

①为了预防冻胀和融沉,设计选用标准制冷量较大的冷冻机组,在短时间内把盐水温度降到设计值,以加快冻土发展,提高冻土强度,减少冻胀和融沉量。②掌握和调整盐水温度和盐水流量,必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量,以减少冻胀和融沉。4.3融沉控制效果　　冻结期间,采用卸压孔进行卸压控制冻胀,解冻过

程中根据监测结果,通过3处预留注浆孔控制融沉。图7(a )是上行线离洞口4m 处的一个测点的时间位移曲线,图7(b )是上行线几个轴线点冻胀和融沉阶段的累计沉降曲线。从沉降曲线可以看出,打孔阶段表现为微量沉降,冻胀阶段为隆起,沉降主要发生在解冻

4

85　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第

28卷　

期间,最大沉降为6.8mm ,对周围环境是安全的,也说

明采取的措施是有效的

。

图7沉降曲线

Fig .7　Curves of settle ment

5结论和建议

水平冰冻土体中盾构始发在本工程中取得了成功,可以在软土地层类似施工条件的盾构始发中推广和应用。在以后的应用中,建议在没有承压水影响的地层加固中,适当缩短外圈冻结孔的长度,在保证盾构始发安全的前提下,较小冻结的区域,从而较小冻胀和融沉对周围环境的影响,减低施工成本。

参考文献:

[1]王灵敏,王文升.局部冻结法加固土体在大直径盾构出

洞中应用[J ].地下工程与隧道,2006(1):11-12.

[2]马四新.冻结法在盾构始发和到达工程中的应用[J ].山

西建筑,2005(14):21-22.

[3]杨太华,陈细华.越江隧道大型泥水盾构进出洞冻结加

固施工技术[J ].浙江交通职业技术学院学报,2005

(1):12-13.

[4]李为强.液氮冻结在盾构出洞施工中的应用[J ].安徽

建筑,2006(6):17-18.

[5]杨太华.越江隧道工程大型泥水盾构进出洞施工关键技

术[J ].现代隧道技术,2005(2):6-7.

[6]杨永新,王保文,岳丰田,等.大直径盾构出洞冻结法技

术研究[J ].施工技术,2006(11):17-18.

[7]英旭,蒋岳成,李曦.杯型水平冻结工法在盾构进洞施工

中的应用[J ].中国市政工程,2006(2):15-18.

[8]杨国涛,肖广良.南京地铁盾构区间联通道水平冻结施

工技术[J ].现代隧道技术,2004(11):34-35.

[9]武亚军,潘涛,唐军武.人工冻结技术在上海地下工程中

的应用[J ].探矿工程-岩土钻掘工程,2006(6):13-14.

[10]李月辉.地层冻结技术在地铁工程中的应用[J ].西部

探矿工程,2006(z1):23-24.

[11]徐晶.冻结法在上海地铁联络通道施工中的应用[J ].

中国市政工程,2004(5):21-22.

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