豎向凍結(jié)在盾構(gòu)隧道開挖處理中的應(yīng)用

饒　彪

(佛山市軌道交通發(fā)展有限公司， 廣東佛山　528000)

凍結(jié)法一般采用人工冷液在插入地層中的凍結(jié)管中循環(huán)，將凍結(jié)管周圍地層的熱量帶走，使之不斷降溫，直到凍結(jié)，將土體與土體中的水形成緊密而高強(qiáng)的加固體，達(dá)到止水和加固效果。

1　工程概況

廣佛線某區(qū)間盾構(gòu)隧道主要在<3-1>、<3-2>、<3-3>號地層中穿過，中底部存在大量<7>、<8>、<9>號地層，具有明顯的上軟下硬的特點，部分盾構(gòu)隧道上抬。經(jīng)專家評審，采用沿盾構(gòu)線路明挖將上抬段盾構(gòu)管片拆除，而后施工現(xiàn)澆砼結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行處理。明挖基坑長47.1 m，寬9.2 m，開挖深度22.3 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚鋼筋砼連續(xù)墻，東西兩側(cè)端頭采用吊腳墻，東西兩端采用豎向凍結(jié)法從地面施工一定數(shù)目的凍結(jié)孔直至管片頂部，保證管片頂部止水及加固的需要；在管片底部施工環(huán)向凍結(jié)孔，保證管片底部止水及加固的需要。

2　凍結(jié)法施工

2.1　凍結(jié)法施工工藝

為防止地下連續(xù)墻施工損壞盾構(gòu)成型管片，管片頂部吊腳墻及兩側(cè)地下連續(xù)墻與管片外表面有50 cm的空隙，施工時在凍結(jié)孔中循環(huán)低溫制冷劑，使凍結(jié)孔附近的含水地層結(jié)冰，形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍結(jié)壁(凍土帷幕)。然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下對土體進(jìn)行開挖和主體結(jié)構(gòu)施工，待主體結(jié)構(gòu)施工完成后，停止凍結(jié)，并完成拔管封孔和融沉注漿等后續(xù)工作。施工工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程

2.2　凍結(jié)孔布置

東西兩端垂直于盾構(gòu)線路方向，每端設(shè)置兩排凍結(jié)孔，每端25個孔，具體布置如圖2所示。

圖2　東(西)端頭凍結(jié)孔平面布置(單位：mm)

盾構(gòu)隧道內(nèi)每端在沿管片環(huán)向布置一排凍結(jié)孔，每端11個孔，具體布置如圖3所示。

圖3　環(huán)向布置(單位：mm)

2.3　凍結(jié)孔施工

凍結(jié)鉆孔施工設(shè)備根據(jù)工程量及工期要求，選用SPJ-300型鉆機(jī)2臺和DK-3型鉆機(jī)1臺，同時配用BW250型泥漿泵各1臺。該鉆機(jī)是一種多級轉(zhuǎn)速，可用牙輪鉆頭、潛孔鉆進(jìn)、人造金剛石復(fù)合片等鉆進(jìn)工藝，完全滿足本工程鉆進(jìn)的工期及質(zhì)量需要。隧道內(nèi)鉆孔選用MD-50鉆機(jī)2臺，每個工作面1臺，配用BW250型泥漿泵各1臺。

凍結(jié)孔施工步驟：

①牙輪鉆頭垂直打到管片頂部；

②下傾斜管測斜；

③下凍結(jié)管；

④功能檢測驗收。

2.4　制冷設(shè)備的選擇

根據(jù)實際情況的需求，采用標(biāo)準(zhǔn)制冷量25×104kcal/h冷凍機(jī)組2臺，單臺功率為110 kW，在地面冷凍孔位施工完成后運轉(zhuǎn)一臺機(jī)組，當(dāng)隧道內(nèi)部的冷凍孔全部完成后，兩臺冷凍機(jī)組全部開啟。

2.5　測溫孔的布置

東西兩端頭共布置5個測溫孔，其中地面3個孔，隧道內(nèi)2個孔。各測溫孔布置4～8個不等測點，以監(jiān)測不同深度和不同土層中凍土發(fā)展情況。通過連續(xù)的監(jiān)測獲得了大量的地層變化數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)軟件可以繪出各測溫孔內(nèi)測點隨時間及深度的變化曲線。

2.6　溫度的監(jiān)測

為了保證施工的安全，及時掌握凍土帷幕發(fā)展的范圍，必須在整個明挖豎井的施工過程中進(jìn)行溫度的監(jiān)測，凍土帷幕一些重要狀態(tài)參數(shù)(溫度、強(qiáng)度、厚度、凍結(jié)壁發(fā)展速度等)的實際數(shù)值只有依賴監(jiān)測獲得，土方開挖的條件、施工過程中凍結(jié)帷幕的安全狀態(tài)都依照實測的數(shù)據(jù)決定。只有對凍土帷幕形成過程和施工過程進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)測才能保證工程安全。凍結(jié)施工中第三方監(jiān)測的內(nèi)容如下。

(1)凍結(jié)孔施工監(jiān)測的內(nèi)容：鉆孔長度、鋪設(shè)凍結(jié)管長度、凍結(jié)管偏斜、凍結(jié)管密封性、供液管鋪設(shè)長度。

(2)凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容:凍結(jié)器去回路鹽水溫度、鹽水干路循環(huán)的回路溫度、鹽水循環(huán)管路的工作壓力、鹽水流量和水箱中液面變化監(jiān)測。

(3)凍結(jié)壁溫度監(jiān)測內(nèi)容：凍結(jié)壁內(nèi)外測溫孔溫度、凍土向內(nèi)、向外擴(kuò)散范圍、凍土的發(fā)展速度、凍結(jié)壁的平均溫度。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，認(rèn)為經(jīng)過20 d的積極凍結(jié)后，凍土帷幕的厚度已達(dá)到開挖的要求，轉(zhuǎn)入維護(hù)凍結(jié)和基坑施工階段。

3　施工總結(jié)

根據(jù)工期要求，施工方根據(jù)實際情況多次調(diào)整了凍結(jié)施工方案，豎向凍結(jié)管由原先設(shè)計的φ89改為φ127的無縫鋼管。加大了鹽水流量，同時縮小孔間距，西端頭排距由原方案的700 mm改為400 mm，并采取錯位布孔。隧道內(nèi)采用100槽鋼和鋼板焊接的冷凍盤板，布置在隧道腰線及以上管片上，以補(bǔ)充、加強(qiáng)隧道頂部和側(cè)面的凍結(jié)效果。增加了設(shè)備，由單臺鹽水泵改為兩臺，地面和隧道同時冷凍，隧道內(nèi)鹽水干管通過透孔的方式進(jìn)行供冷，減少了管路的鋪設(shè)距離，可有效減少鹽水冷量的損失。

施工過程中嚴(yán)格控制施工機(jī)械設(shè)備的垂直度和鉆孔深度，并根據(jù)鉆桿的進(jìn)尺來綜合判斷鉆頭是否達(dá)到設(shè)計深度的要求，并在每根冷凍管施工結(jié)束后進(jìn)行傾斜度的測量和密封性檢測，對不合格的冷凍管路拔出進(jìn)行整改，合格后方可進(jìn)入下一步的施工。

根據(jù)對系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、鹽水溫度、土體溫度場、凍脹壓力等因素的綜合分析，對凍結(jié)帷幕效果進(jìn)行判斷，并根據(jù)實際情況采用應(yīng)急措施。由于東端頭地下連續(xù)墻隨著土體的開挖暴露在空氣中的面積逐漸加大，使得凍土墻靠近開挖面一度出現(xiàn)溫度回升的現(xiàn)象，但回升的溫度不大。決定在端頭墻上粘貼保溫板，使得回升現(xiàn)象得以控制，并緩慢呈現(xiàn)降低趨勢。

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