盾构接收加固方案

天津地铁2号线9合同段天津站盾构接收

地层加固

施工方案

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中铁三局集团有限公司

二○一○年六月

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目录

1.编制说明 .............................................................................................. 2 1.1编制依据： .................................................................................. 2 1.2工程概况 ...................................................................................... 2 2.施工方案 .............................................................................................. 6 2.1冻结法 .......................................................................................... 6 2.2水平注浆 .................................................................................... 23 3.监测 .................................................................................................... 28 3.1水平注浆阶段监测 .................................................................... 28 3.2冻结阶段监测 ............................................................................ 30 4.安全质量技术措施 ............................................................................. 31 4.1水平注浆 .................................................................................... 31 4.2冻结法 ........................................................................................ 31 5.应急措施 ............................................................................................ 34

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1.编制说明

1.1编制依据：

⑴《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）。 ⑵《煤矿井巷工程质量检验评定标准》（MT5009-94）。 ⑶《钢结构设计规范》》GB50017-2003。 ⑷《地基基础设计规范》GB50007-2002。 ⑸《建筑结构荷载规范》GB50009-2001。 ⑹《建筑抗震设计规范》GB50011-2001。 ⑺《地下铁道设计规范》GB50157-2003。 ⑻《天津轨道交通2号线工程地质勘察报告》。

⑼《旁通道冻结法技术规程》，DG/TJ08-902-2006 J10851-2006。 ⑽井巷工程设计规范及其他相关国家、天津市安全文明施工规范。 1.2工程概况

1.2.1水文地质

天津站盾构进洞时主要的土层主要是粉质粘土。粉土层。隧道轴线距离地面20.27米；粉砂层顶距离地面24米，层厚（设计）5米。地铁工程影响范围内微承压水主要赋存于粉土及粉砂层内，主要接受上层潜水的渗透补给，天然含水量≥20%。（见图12101地质剖面图）

天津站2008年年底发生了漏砂、涌水，其位置正是盾构接收井位置，在处理过程中，局部注浆对该地层土体进行了置换，使土体成分发生了一些变化。

1.2.2地面建筑物

天津站是新开路~天津站盾构区间的盾构接收端，盾构端头井处地面建筑物主要是惠森花园2#（7层）、裕阳花园17#楼（8层）。均为桩基础，天津站去年漏水对已有建筑物也造成了影响。（见图12201平面布置图）

1.2.3地下管线

雨水管线φ800（埋深2.66米）；两根φ400（埋深0.9米）φ600（埋深0.64米）铸铁输配水管线；两根φ400的污水管线；0.38KV供电和

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路灯管线各一根；一根未知管线可能是电缆。（见图12301管线平面图）

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12101地质剖面图

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杂填土粉质粘土杂填土天津站盾构端头井地质剖面图粉土淤泥质粘土粉土粉土深层加固区粉质粘土夹粉土深层加固区粉质粘土粉质粘土夹粉土粉质粘土粉土粉砂层粉质粘土粉砂

12201平面布置图

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12301管线平面图

惠森花园2#楼裕阳花园17#楼2号线9标天津站端头管线平面图2.施工方案

由于接收端隧道埋深比较深（隧道轴线距离地面20.27米），隧道底有一层5米厚的粉砂层，基于对地面建筑物、地下管线和周边环境的保护，端头加固采用冻结法+水平注浆的加固的方案。 2.1冻结法

2.1.1冻结参数

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A.冻土墙厚度h的确定

设冻土墙平均温度为-10℃，冻土抗压强度σ压=3.5MPa，抗拉强度σ拉=1.8MPa，抗剪强度τ剪=1.5MPa。洞口采取板状冻结方式加固。冻结加固体在盾构接收破壁时，起到抵御水土压力、防止土层塌落和泥水涌入工作井的作用。

⑴ 计算水土压力：

洞口的中心埋深为20.27m，当开洞直径为6.7m 时，开洞口的底缘深度为23.28m。

则按重液公式计算得到水土压力为： P=0.013H=0.30MPa

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

K??P?D? 固体的厚度：h?????4??122计算得冻土墙厚度为2.12m。（见表2101）

表1运用日本计算理论的数据及结果

冻土弯拉 强度σ 1.8Mpa 水土压力 P 0.30MPa 加固体开挖内直径D 6.7m 系 数 β 1.2 表2101 安全系数 计算加固体k 厚度 h 2.0 2.12 冻土平均 温度℃ -10 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果见表2102

表2102

水土压力 加固体开挖 P 内直径D 0.30MPa 6.7m 冻土泊松比 μ 0.27 计算加固体 h 2.2m 计算得加固体 最大弯拉应力σmax 0.35MPa σmax<<σ-10℃ 冻土弯拉强度σ-10℃ 1.8MPa 安全系数 k 5.54 ?max3P?D/2??1???12?8h2，计算结

剪切验算加固体厚度：

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沿槽壁开洞口周边验算加固体剪切应力?max?计算结果见表2103

PD

4h。

表2103

水土压力 P 0.30Mpa 加固体开挖内直径D 6.7m 加固体厚度h 2.2 最大剪切应力τ 冻土抗剪强度τ-10 τmax=0.232MPa τmax<<τ-10 τ-10=1.5Mpa 安全系数K 6.46 根据以上计算结果和设计院设计原则，冻土墙厚度h接收洞口冻结壁厚度取2.3m，外圈维护冻结帷幕厚度取1.6 m。

B.冻结范围及冻结孔的布置

鉴于盾构接收对加固体强度及密封性要求很高，以及实际现场施工情况和条件（施工场地的原因），采用水平冻结方案。主要技术参数：冻结体为洞口处冻结板块厚2.30m，直径10m。接收洞门每个冻结孔数：水平冻结孔57个，外圈32个，冻结孔深度为11米，内圈3圈25个，冻结孔深度为2.6米。测温孔9个。冻结管管材选择：选用φ89×8mm20#低碳无缝钢管。

C.主要冻结施工参数的确定 ⑴积极期盐水温度-25~-30℃。 ⑵冻结孔偏斜率β≤1%。

盾构接收加固冻结孔外圈最大终孔间距Lmax=lmax+2βH=1.1m。内圈最大孔间距为1.2m。

⑶盾构始发、接收加固冻土平均发展速度v=28mm/d。 ⑷盾构始发、接收加固冻土墙交圈时间T=Lmax/2v=22天。 ⑸盾构始发、接收加固冻土墙达到设计强度的时间为35天。 ⑹冷凝温度 +35℃。

根据以上参数选定，当冻结孔最大间距处交圈时，冻土墙与槽壁完全胶结。

D.冻结孔施工

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（1）冻结孔布置

盾构接收每个洞圈共布置水平冻结孔57个，内圈25个，外圈32个；冻结孔如下图。（见21101冻结孔布置图）

21101冻结孔布置图

（2）冻结孔施工

①冻结管、测温管和供液管规格

冻结管选用φ89×8mm20#低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接加焊接；测温管采用φ50×3mm无缝钢管（内圈用PVC管）。

②打钻设备选型

水平冻结孔施工，选用MD-60A型钻机进行施工，冻结管连接采用丝扣加焊接方式。钻孔使用灯光测斜，冻结孔终孔偏斜控制在1%以内。

选用BW-250/50型泥浆泵１台，电机功率14.5KW。 ③水平冻结孔施工方法：

水平冻结孔施工较复杂，工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。

具体如下：

a定位开孔及孔口管安装：根据设计在隧道内定好各孔位置。根据孔位在槽壁上定位开孔，首先注意槽壁内主筋干涉时，调整孔位，用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径130㎜，

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C.注意事项

（1）冻结帷幕满足设计要求后，开始破除洞口槽壁0.6米。 （2）破槽壁时必须注意冷冻系统的保护，不得碰或砸冷冻管路及测温系统。

（3）洞圈内冻结孔拔除后盾构始发（接收）不宜超过1天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。

（4）冻结孔拔除的保温工作，采用聚乙烯保温材料对拔除后的冻结进行充填；人工破壁的同时对破壁后的加固体进行保温工作。

（5）抜管所使用的支架与人员工作平台支架必须是各自独立的体系，两个支架间不得有任何连带关系。

（6）盾构接收时推进到冻结区域如果停止推进应每隔10分钟转动刀盘一次，每次转动时间不少于5分钟，防止刀盘被冻住。

2.1.6盾构穿越冻结区主意事项 A.温度控制

为了保证盾构能够推进，因此盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制，冻土温度通过测温孔得到。控制盾构外周的冻土温度不高于－5℃。最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构接收施工

B.打设槽壁探孔

通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，在洞门槽壁上均布的打若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔在两测温孔之间布置，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用开孔钻机打探孔，探孔进入冻土内深度控制在10～15cm，探孔打好后，采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于－4℃。

C.槽壁凿除

当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后，方可拔管，然后将槽壁全部破除， 最后一层破壁时间不宜超过1天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。应采取措施作好保温工作，以确保冻土的低

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温强度。

盾构接收时，最后一层破壁可采用粉碎性破除，如破壁时间来不及的情况下直接用盾构破壁，防止冻结帷幕融化，造成不良后果。

2.1.7冻胀与融沉控制措施 A.冻胀对周围环境的影响及控制

土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的，多数土层结冰时均要产生冻胀，冻胀量的大小与土层力学特性，约束条件，冻结速度，土层含水量及水分迁移的多少有关，水变冰的体积膨胀量约9%，而土体膨胀量一般约为3%-4%，依据施工经验，在浅土层进行冻结时易产生较大的冻胀量，一般取冻土体积的15%。影响范围可能波及到非冻土区1～1.5m，因此，冻结施工前，只要对所有影响范围内的管线采取适当的保护措施；施工过程中，加强检测，冻胀影响完全可以控制。（如采用定向钻孔，局部冻结，热水循环等）

冻土产生的冻胀压力与冻土的平均冻胀率及周围土性的弹性模量、泊松比有关。经实测。由于冻结区域是开放式的，槽壁为C30钢筋砼，因此冻胀力不会对槽壁产生较大影响。

B.融沉控制和环境保护措施

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。根据施工经验和土工试验,冻土融化后，其标高可能略低于原始地层的标高，为减少融沉量，解冻后，可在隧道内进行适当的跟踪注浆，减小冻结对周围环境的影响。在冻结管拔出的同时在孔内灌注水泥––粘土浆或粉煤灰浆，为防止低温对注浆强度的影响，在水泥–粘土浆或粉煤灰浆内掺防冻早强剂氯化钙（2～3%）。

⑴融沉补偿注浆 a注浆管布置

在盾构始发（接收）完成后，利用隧道中管片预留孔进行融沉注浆。注浆孔深度应穿越冻结加固区0.3-0.5米。

b注浆材料：注浆材料采用水泥单液浆或水泥—水玻璃双液浆。

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水泥－水玻璃双液浆比为：水泥浆与水玻璃溶液体积比为1：1。水泥浆水灰比为1：0.8。 注浆压力为0.4~0.5MPA。

c注浆顺序

注浆的顺序是先下部后上部。 d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0.5 m3，最大不超过1m3。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；地层隆起达到3mm时应暂停注浆。具体要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。

⑵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。以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。

⑶融沉注浆结束条件

地层隆起达到3mm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。

C.其他控制技术措施

⑴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。

⑵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。

⑶预计融沉量较大的部位可采取压浆充填,以把融沉造成的危害降低到最低限度。

D.冻结保温措施：

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由于气温较高，为减少冷量损失，冻结器及盐水干管采用绝热材料进行保温，必要时槽壁使用泡沫板覆盖保温，同时做好防雨措施。

E.环境设施保护措施

盾构接收加固施工为防止施工时对周边建筑、地下管线、民用及公共设施带来不良影响，必须制定严格的保护措施。

（1）必须选用无污染、效率高、安装运输方便的螺杆冷冻机组作为制冷系统的主机。防止挥发性气体污染环境。

（2）采取必要的措施，防止打冻结孔时水土流失；在钻孔施工期间加强沉降的监测，发现跑泥漏沙水土流失严重引起的沉降，影响到建筑物和地下管线，应立即停止施工，马上注浆，防止沉降影响周围建筑物和地下管线，到没有沉降为止，待地层较稳定后再施工钻孔

（3）施工之前必须认真查清周遍建筑、地下管线、民用及公共设施的具体情况，针对性制定具体保护措施。

（4）加强冻胀与融沉监测，发现冻胀影响到建筑物和地下管线，通过打设的卸压孔减小冻胀或从冻结孔加热循环，进行解冻；布置注浆孔，进行跟踪注浆，防止融沉影响周围建筑物和地下管线。

（5）施工过程中接收洞口所处的地面沉降和隆起量应控制在规范要求以内。在隧道轴线上，沿中心线每5m布置一沉降测点。每一测量断面以轴线为中心，向两侧2m、4m、6m各布置一沉降测点，共计7点。

（6）接收加固施工全过程中沿隧道方向设立沉降观察标志。测试频率为1次/天；施工结束后15天内对隧道范围1～2次/周。

（7）随时向甲方及监理工程师汇报地面沉降变形测量情况。 2.2水平注浆

水平注浆是注入到地层内的浆液通过物理化学作用，将周围松散的土体胶结成整体，增加围岩的稳定性，同时起到堵水、防水、止水作用；如果在接收过程中出现漏水，也可在一定程度上防止水土流失。

2.2.1注浆孔位及加固长度

受地质、周边环境等条件的影响，本次盾构接收风险非常大（盾

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构接收洞口隧道底0.8米处有5米厚的粉砂层；地面加固区距离惠森花园2#楼；端头有输配水、污水、雨水等14根管线）。

根据有关规定（盾构接收加固长度为盾构自身长度再加上两环管片的长度），本次接收水平注浆11米。每个洞门布设82个注浆孔。见附图一

2.2.2注浆参数

A.配合比：选择双液注浆。水泥选用42.5R的普通硅酸盐水泥；水玻璃选用浓度30～40波美度，模数M=2.8～3.1的水玻璃原液。

水泥浆浓度：水灰比1：1，即15袋水泥搅拌成1m3浆液，用水750升；

水玻璃浆浓度：30—35Be

水泥浆：水玻璃（体积比）C：S=1：0.5

实际注浆过程中根据进浆量变化及压力的变化可适当调浓或调稀一级，以确保施工质量，施工过程中做好施工记录。

B.注浆压力：注浆压力为0.5~1.0MPa,根据监测数据调整注浆压力，加强现场观察，发现地面跑浆或有隆起时，立即停止注浆。

C.进浆流量：控制在15～20升／分。 D.注浆有限扩散半径：R=0.8~1.0m。 E.注浆量：

单孔注浆量：Q=0.49ηπd2L

η——孔隙率 d——孔间中心距 L——注浆孔长度

按单孔每米进浆量预计1.41～2.12m3/m。

F.注浆结束标准：单孔单次注入量及注浆压力均达到设计值时，持续10分钟注浆。

G.封闭死角注浆：在检查探孔不出水后，在洞门底部紧贴地连墙按45°倾角进行死角封闭注浆。

2.2.3水平注浆加固施工

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