盾构进洞盐水冻结加固施工技术

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盾构进洞盐水冻结加固施工技术

殷波童刚强

（天津地铁建设发展有限公司，３０００５１，天津∥第一作者，高级工程师）

摘要介绍了天津地铁２号线东南角站一建国道站区间盾构进洞采用的盐水冻结法加固技术。该加固技术取得了非常理想的效果。结合工程实际对冻土帷幕和冻结效果进行的验算分析表明，采用盐水冻结加固技术降低了盾构进洞过程中出现漏水、涌沙的可能性。施工中在破洞门钢筋混凝土时要精细施工，注意防止破坏冻结管，减少盾构机在冷冻体的停留时间，并做好保温措施。

关键词地铁；盾构进洞；冷冻加固；施工技术中国分类号Ｕ

４５５．４９

ＢｒｉｎｅＦｒｅｅｚｉｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔＴｅｃｌｍｏｌｏｇｙｉｎＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ

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盾构出洞和进洞是地铁盾构施工的两个关键环节，同时也是盾构施工的重要风险源。如果处理不当。则容易出现漏水、涌砂、塌方等工程事故。当端

头井周边地层条件较差时，需要对端头井土体的整

体或局部进行加固处理。常用的土体加固技术有：冻结法、注浆法、高压旋喷桩、深层搅拌桩等。加固后的土体必须满足强度、变形可控性、稳定性和抗渗等方面的要求。

万方数据

目前，冻结法在地铁盾构端头井加固、联络通道条件下，将土体的温度降到０℃以下，使土体中的水分和土颗粒冻结形成具有较高强度与承载力的“冻两种‘２｜。

１工程概况

天津地铁２号线东南角站——建国道站区间的

粉质黏土层。地层从上到下依次为：淤泥（厚

２．７ｍ）、粉土（厚１．２ｍ）、粉砂（厚２ｍ）、粉土（厚

１．８

ｍ）、粉砂（厚３．３ｍ）、粉质黏土（厚３．８ｍ）。隧

表下１．１～３．６ｍ，主要靠大气降水及附近地表水补给，属孔隙潜水，随季节变化幅度为ｏ．５～１．０

ｍ。

场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层及其以下粉土、粉细砂层中的地下水具承压性，为微承压水。

建国道站端头井位置的地层地质条件复杂，盾构进洞过程中存在涌砂、涌水的风险。为保证盾构机进洞安全，防止泥砂及地下水涌人工作井，盾构进洞加固采用盐水冻结加固技术。

设计冻土墙平均温度为一１０℃。冻土的容许抗

压强度口压＝３．５ＭＰａ，容许抗拉强度口拉＝

１．８

ＭＰａ，容许抗剪强度ｒ＝１．５ＭＰａ。洞口采取板

状冻结方式加固。冻结加固体在盾构迸洞破壁时，

起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌人工作

井的作用。

９３

施工以及地下连续墙接缝加固中得到了广泛的应用。冻结法具有封水性、复原性、绕障性、适应性强，

及强度高、施工方便、环保无公害等特点，是一种技

术可靠、工艺成熟的方法Ｌ１］。冻结法是在人工制冷结帷幕”。冻结法有液氮低温液化气式和盐水式进洞场地的主要土层为淤泥质土、粉土、粉砂、黏土、道掌子面土层主要是粉土和粉砂层。水位标高在地２冷冻方案与冻结参数

２．１冻土墙厚度ｈ的确定

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２．１．１水土压力计算

洞口的中心埋深为１５．５７３ｍ，当开洞直径为

６．７

ｍ时，开洞口的底缘深度为１８．９２３ｍ。则按重

液公式计算得到的洞口中心水土压力为：

Ｐ＝０．０１３Ｈ＝０．２ＭＰａ

式中：

Ｐ——洞口中心处的水土压力；Ｈ——洞口中心的埋深。

２．１．２加固体厚度计算

１）假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度ｈ为：

凡一ｌ—Ｆｊ

，

ｒ即 Ｐ Ｄ２］吉

式中：

Ｄ——加固体开挖内直径，６．７

ｍｌ

Ｊ９——系数，１．２；Ｋ——安全系数，２．０。

则可计算得到冻土墙厚度＾＝１．７３

ｍ。

２）运用我国建筑结构静力计算理论公式进行

验算，圆板中心所受最大弯曲应力计算公式为：

ｄ一２—Ｆ‘１＋∥）一ｄ一＝半（…）土ｈ２

式中：

户——冻土泊松比，Ｐ＝０．２７。

将ｈ＝１．７３ｍ代入可得ｄ。＝０．３５７

ＭＰａ

＜１．８ＭＰａ。

３）沿槽壁开洞口周边验算加固体剪切应力：

ｒｍｘ：等＝０．１９４ＭＰａ＜１．５

ＭＰａ

根据以上计算结果并结合以往的施工经验，盾构始发洞口冻结壁厚度取ｈ为３ｍ，外圈维护冻结帷幕厚度取１．２

ｍ。

２．２冻结范围及冻结孔的布设

综合考虑施工场地以及洞１３埋深的影响，采用

盐水冻结加固的方法（见图１）。设置冻结孔共５３

个：外圈３１个冻结孔深度为１２．８ｍ，进入土层

１１ｍ；内圈冻结孔２２个，深度为４．２ｍ，进入土层３．４

ｍ。设置测温孔９个：洞门外圈２个，每个孔内

布置５个测温点，测点深度分别为０

ｍ、５ｍ、４ｍ、

３ｍ、２

ｍ；其余７个在洞门内圈，每个孔内布置３个

测点，测点深度分别为３ｎｌ、２

Ｉｎ和１ｍ。另外设置

泄压孔２个。冻结孔、测温孔、泄压孔立面布置如图

２所示。

９４

万方数据

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图１冻结加固体剖面图

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。冻结孔。测温孔。泄压孔

图２冻结孔、测温孔、泄压孔立面布置图

积极冻结期间盐水去路温度由一１５℃逐步下

降至一３０℃，为了保证盐水的顺利流通，本工程盐ｍ，内圈最大孔间距为

１．２ｍ。根据工程经验，冻土平均发展速度ｖ＝

２８ｍｍ／ｄ，则加固冻土墙交圈时间ｆ＝Ｌ一／２ｖ＝

ｄ，预计冻土墙达到设计强度的时间为３５ｄ。

冻结孔施工的关键，一是要控制冻结钻孔的偏

斜，二要确保冻结器安装的密封性能达到质量要

求［３］。冻结孔施工较为复杂，其基本工序为：定位开孔及孔口管安装一孔口装置安装一钻孔一测量一封闭孔底部一打压试验。钻机选用ＭＤ一６０Ａ型锚杆

钻机，钻机扭矩为３０００

Ｎ ｍ，推力２５ｋＮ。冻结套管选用≯８９

ｍｍｘ８ｍｉｌｌ

２０８低碳无缝钢管，采用丝扣

连接加焊接；测温管采用拳６３ｍｍｘ３ｍｍ无缝钢管。

２．３主要冻结施工参数

水采用ＣａＣｌ：水溶液，含盐量控制在２０％左右。冻结孑Ｌ偏斜率ａ≤１％，则可得盾构进洞加固外圈冻结

孔最大间距Ｌ。＝１．１２２

３冻结孔施工

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４实测冷冻效果分析

４．１总去回路温度分析

冻结加固于２０１０年１０月２３日开钻。１２月１５日正式开机冻结运转。温度监测于１２月２０日开始，至１２月２６日盐水温度降到一２０℃，至２０１１年１月６日盐水温度降到一２５℃以下。图３表示的是冻结去路、回路温度变化以及去回路温度差曲线。冻结的前１４天，温差维持在２℃，从第１０天开始温差变为１℃左右。说明开始阶段土体温度较高，温度扩散较快，然后温差逐步减小到最后稳定，总体来

４．２测温孔温度分析

图４表示１号和４号测温孔自２０１０年１２月２０号至２０１１年１月１７号冻土体的温度变化情况。随着盐水温度的不断降低和冻结时间的延

续，冻结区土体的温度也随之下降，冻土埋深较深

的地方冻结效果更好。由于槽壁与外界空气有热交换作用，故测点较浅处的冻土温度下降相对较慢。

４．３冻结壁厚度验算

根据测温孔资料，１号测温孔１月１１ｌａ全部降到０℃以下，此时冻结２７ｄ。该测温孔距冻结孔最近距离８００ｍｍ，则冻结发展速度为２９．６２ｍｍ／ｄ。当冷冻进行到１月１７号时，所有测点最高温度为一６℃，最低温度为一１５．４℃；盐水去路温度为一３０℃。本工程采用冷冻孑Ｌ间最大间距为１．２ｍ，冷冻结管内径为４Ｊ４．５ｍｍ。冻土柱半径ｒ：和冻结壁平均温度采用《建井工程手册》的公式进行计算，然后根据冻土柱半径和冻结管间距换算出冻结壁厚度‘“。

说，冷冻管和土体之间进行正常的热交换。

０

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图３盐水去回路温度及温差图

”唧（等）

７：２

图４冻土温度随时问变化图

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㈨ｕ，

瓦——冻结壁平均温度；丁ｂ——盐水温度，一２９℃；

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１．１３５－０．３５２以－Ｏ．８７５嘉＋

。．２铂√吾）－０．４６６

Ｌ＝Ｔ。＋０．２５Ｔ。

卜一冻结孔最大间距１．２

Ｅ——外圈冻结壁厚度；

ｃ２，（３）

ｍ；

丁。——井帮冻结帷幕温度，一５．２℃。

将实测结果和设计参数代入式（１）、（２）、（３），计

算结果见表１。结果表明，冻结到１月１７号时，冻

式中：

土平均温度和冻土墙厚度已经达到设计要求，具备

ｒ，——回路盐水温度；

了盾构进洞施工的要求。

表ｌ冻结参数实际值与设计值比较

，——测温孔距冻结管的距离’，。——冻结管内半径；

卜测温孔温度；

徽豁虢黼虢嚣黼芋

设计值一２５～一３０实际值

一２９

２８．ｏ２９．６

１．２２．４

—１０—１０．２３

２３２２

７ｋ——按零度边界线计算的冻结壁平均温度’

９５

万方数据

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４．４现场探孔情况

根据冻土监测情况，冻结温度已达到设计温度。按规范进行钻芯取样，并对接收洞门进行水平探孑Ｌ（长２ｍ以上且上、中、下部均有探孔）检测。探孔

２０１２－帮ｆ｜ｊ＋

施工过程中为安全起见，延长积极冻结一周后

才正式开始盾构进洞。为保证盾构进洞时的安全和

冻结加固不因时间暴露过长而融化，冷冻施工与盾构进洞施工相互协调配合，冻结区推进过程中应严格控制推进速度和压力。在盾构进洞过程中洞门四周基本处于干燥状态，无漏水现象发生（如图５），说明冻结缸到了良好的效果。

后洞门无漏水现象，说明整体冻结效果较好，达到了

预期的效果。４．５盾构进洞情况

图５盾构进洞效果图

５结语

针对天津地区土体含水量高、地层软弱等特点，采用盐水冻结加固技术能降低盾构进洞的风险，为

散到周边土体，使冻土融化、土体承载力下降，容易

造成盾构机下沉。因此，盾构在进入杯状冻结体后，

应尽快将盾构机推出，以减少盾构机在冻结体中的停留时间。

施工安全提供了保障。在冷冻施工过程中应注意以

下问题：

１）在破洞门第一层钢筋混凝土时，冷冻管还在积极冻结阶段，在破壁过程中要精心施工，不能损坏冷冻管、影响冻结施工。

２）由于洞门破壁时间较长，而且在拔冷冻管过程中使用热水循环，可能出现化冻现象，故应加强维持冻结，同时用ＰＥＦ保温板做好洞门破壁面的保温工作。

３）盾构机在工作过程要产生大量的热量，并扩

参考文献

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７（２）：４７．

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［３］周晓敏，苏立凡．贺长俊，等．北京地铁隧道水平冻结法施工

［Ｊ］．岩土工程学报，１９９９，２１（３）：３１９．

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测研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１０，６（５）：１０６５．

（收稿日期：２０１１—０３—１０）

交通运输部表彰７１名青年科技英才

本刊讯经基层单位推荐，交通运输部组织专家评审，决定授予薛忠军等７１位同志“２（）１（）一２０１１年度交通青年科技英才”荣誉称号。名单已于５月４日公布。

近年来，交通运输行业深入实施“人才强交”战略，积极引导和鼓励青年成长成才，培养造就了一大批优秀人才，为交通运输行业快速发展提供了强有力的人才保障。受到表彰的同志是新时期交通运输行业青年专业技术人才的优秀代表，集中展现了交通运输行业广大青年专业技术人才锐意进取的精神风貌和ｒ作业绩。交通运输部希望交通运输行业广大青年专业技术人员向受到表彰的同志学习，立足本职岗位，服务行业发展，为加快转变发展方式、大力发展现代交通运输业作出新的更大贡献。上海申通地铁集团有限公司技术中心刘加华副总经理、同济大学道路与机场工程专业赵鸿铎副教授等榜上有名。

９６。

万方数据

盾构进洞盐水冻结加固施工技术

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

殷波， 童刚强， Yin Bo， Tong Gangqiang天津地铁建设发展有限公司,300051,天津城市轨道交通研究Urban Mass Transit2012,15(6)

参考文献(4条)

1.郭瑞平 冻结法在地下工程施工中的应用[期刊论文]-采矿技术 2007(02)

2.李宏安;何满潮;雷军 液氮冻结法在盾构始发地层加固工程中的应用[期刊论文]-市政技术 2008(06)3.周晓敏;苏立凡;贺长俊 北京地铁隧道水平冻结法施工[期刊论文]-岩土工程学报 1999(03)

4.覃伟;杨平;金明 地铁超长联络通道人工冻结法应用与实测研究[期刊论文]-地下空间与工程学报 2010(05)

本文链接：/Periodical_csgdjtyj201206025.aspx

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