豎向凍結在盾構隧道開挖處理中的應用

饒　彪

(佛山市軌道交通發展有限公司， 廣東佛山　528000)

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

1　工程概況

廣佛線某區間盾構隧道主要在<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，部分盾構隧道上抬。經專家評審，采用沿盾構線路明挖將上抬段盾構管片拆除，而后施工現澆砼結構的方法進行處理。明挖基坑長47.1 m，寬9.2 m，開挖深度22.3 m，圍護結構采用800 mm厚鋼筋砼連續墻，東西兩側端頭采用吊腳墻，東西兩端采用豎向凍結法從地面施工一定數目的凍結孔直至管片頂部，保證管片頂部止水及加固的需要；在管片底部施工環向凍結孔，保證管片底部止水及加固的需要。

2　凍結法施工

2.1　凍結法施工工藝

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

圖1　工藝流程

2.2　凍結孔布置

東西兩端垂直于盾構線路方向，每端設置兩排凍結孔，每端25個孔，具體布置如圖2所示。

圖2　東(西)端頭凍結孔平面布置(單位：mm)

盾構隧道內每端在沿管片環向布置一排凍結孔，每端11個孔，具體布置如圖3所示。

圖3　環向布置(單位：mm)

2.3　凍結孔施工

凍結鉆孔施工設備根據工程量及工期要求，選用SPJ-300型鉆機2臺和DK-3型鉆機1臺，同時配用BW250型泥漿泵各1臺。該鉆機是一種多級轉速，可用牙輪鉆頭、潛孔鉆進、人造金剛石復合片等鉆進工藝，完全滿足本工程鉆進的工期及質量需要。隧道內鉆孔選用MD-50鉆機2臺，每個工作面1臺，配用BW250型泥漿泵各1臺。

凍結孔施工步驟：

①牙輪鉆頭垂直打到管片頂部；

②下傾斜管測斜；

③下凍結管；

④功能檢測驗收。

2.4　制冷設備的選擇

根據實際情況的需求，采用標準制冷量25×104kcal/h冷凍機組2臺，單臺功率為110 kW，在地面冷凍孔位施工完成后運轉一臺機組，當隧道內部的冷凍孔全部完成后，兩臺冷凍機組全部開啟。

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2個孔。各測溫孔布置4～8個不等測點，以監測不同深度和不同土層中凍土發展情況。通過連續的監測獲得了大量的地層變化數據，通過計算機軟件可以繪出各測溫孔內測點隨時間及深度的變化曲線。

2.6　溫度的監測

為了保證施工的安全，及時掌握凍土帷幕發展的范圍，必須在整個明挖豎井的施工過程中進行溫度的監測，凍土帷幕一些重要狀態參數(溫度、強度、厚度、凍結壁發展速度等)的實際數值只有依賴監測獲得，土方開挖的條件、施工過程中凍結帷幕的安全狀態都依照實測的數據決定。只有對凍土帷幕形成過程和施工過程進行嚴密的監測才能保證工程安全。凍結施工中第三方監測的內容如下。

(1)凍結孔施工監測的內容：鉆孔長度、鋪設凍結管長度、凍結管偏斜、凍結管密封性、供液管鋪設長度。

(2)凍結系統監測內容:凍結器去回路鹽水溫度、鹽水干路循環的回路溫度、鹽水循環管路的工作壓力、鹽水流量和水箱中液面變化監測。

(3)凍結壁溫度監測內容：凍結壁內外測溫孔溫度、凍土向內、向外擴散范圍、凍土的發展速度、凍結壁的平均溫度。

根據監測結果，認為經過20 d的積極凍結后，凍土帷幕的厚度已達到開挖的要求，轉入維護凍結和基坑施工階段。

3　施工總結

根據工期要求，施工方根據實際情況多次調整了凍結施工方案，豎向凍結管由原先設計的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，以補充、加強隧道頂部和側面的凍結效果。增加了設備，由單臺鹽水泵改為兩臺，地面和隧道同時冷凍，隧道內鹽水干管通過透孔的方式進行供冷，減少了管路的鋪設距離，可有效減少鹽水冷量的損失。

施工過程中嚴格控制施工機械設備的垂直度和鉆孔深度，并根據鉆桿的進尺來綜合判斷鉆頭是否達到設計深度的要求，并在每根冷凍管施工結束后進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行整改，合格后方可進入下一步的施工。

根據對系統運轉、鹽水溫度、土體溫度場、凍脹壓力等因素的綜合分析，對凍結帷幕效果進行判斷，并根據實際情況采用應急措施。由于東端頭地下連續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溫度回升的現象，但回升的溫度不大。決定在端頭墻上粘貼保溫板，使得回升現象得以控制，并緩慢呈現降低趨勢。

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