地層凍結法在盾構開倉作業的應用

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盾構法施工中，當盾構刀具磨損，會出現結泥餅、刀盤轉矩過大等導致無法繼續掘進的情況，必須進行開倉換刀。此時首先根據情況考慮選取換刀方法，除常壓開倉和加壓開倉方式外，可考慮地層凍結加固技術。地層凍結技術經過多年發展，已廣泛應用于礦井建設、隧道施工、盾構始發及接收端頭加固、地鐵聯絡通道施工、水利工程等。實踐表明，凍結加固體強度高，均勻性好，隔水效果好，對環境影響小，能有效解決富水砂礫層盾構開倉難的問題。

1 開倉換刀方法討論

1）常壓開倉換刀 隧道區間內設計有聯絡通道，以往施工方法是在聯絡通道四周施工地下連續墻，將該區域密閉予以阻隔地下水，再對內部的地層進行旋噴樁、袖閥管注漿、三軸攪拌樁等方式加固，以便盾構開倉與聯絡通道開挖，盾構常壓開倉換刀也常在此部位進行；如果不得已在其他部位進行開倉換刀，也須在穩定地層中并進行過注漿加固后進行。

2）加壓開倉換刀 在無法常壓開倉的情況下，立足于對地層進行加固后，對盾構土倉內充填濃泥漿并保持一定壓力，以使濃泥漿滲入土倉外部的土體后形成泥膜，形成泥膜后再做壓氣試驗，確保泥膜穩定且無漏氣的情況下，再安排作業人員進入加壓的土倉內進行換刀作業。

3）地層凍結開倉換刀 此方法主要是替換常規注漿加固方式，采用地層凍結技術對地層凍結加固后進行的常壓開倉換刀。

表1為幾種開倉換刀方法的比較。

表1 幾種開倉換刀方法比較

2 地層凍結技術原理

地層凍結技術是利用人工制冷技術(一般多采用鹽水凍結技術) ,首先在需加固的地層中鉆孔鋪設凍結管,在地面安裝凍結站,通過制冷壓縮機提供的制冷量,利用低溫鹽水在凍結管中循環,帶走地層熱量,使地層中的水結冰,將地下水土變成凍土,形成完整性好、強度高、不透水的臨時加固體,達到加固地層、隔絕地下水與地下工程聯系的目的。

3 工程應用實例

南寧地鐵1號線動物園站～魯班路站區間盾構左線隧道推進到2#聯絡通道處盾構需要換刀，由于盾構右線在通過聯絡通道時，對聯絡通道的地下連續墻造成了擾動，且聯絡通道所在區域地層不穩定，含水量高，經過多種方案的論證與比較后，采用對地層進行凍結加固，再進行常壓開倉的方案。

聯絡通道所處土層為⑤1-1卵石，⑤1-2圓礫，且深層具有承壓水。地下水主要賦存于圓礫、卵石及小部分砂土層中，屬松散巖類孔隙水，具承壓性，水量豐富，由于邕江防洪堤的建設，該層地下水與邕江水力的聯系趨弱。水位埋深在2.80～10.90m，標高在60.26～67.78m之間，穩定水位埋深在2.80～12.30m，標高在63.35～68.36m。承壓水頭0.10～5.10m。

3.1 凍結帷幕設計

1）凍結帷幕厚度1.0 m。

2）設計凍結壁平均溫度不高于-9℃。

凍結帷幕設計如圖1所示。

圖1 凍結帷幕設計圖

3.2 凍結孔、測溫孔布置

3.2.1 凍結孔布置

凍結帷幕單排孔孔間距為0.85～1m，內部孔間距1.2m，凍結孔深為15.7～32.9m，凍結孔為73個，其中外圍孔38個，內圍孔(盾殼頂部)27個。凍結管材選用?133×6.0mm 20#低碳鋼無縫鋼管。有關技術參數：①凍結孔的開孔位置誤差不大于100mm，凍結孔最大允許偏斜不大于250mm；②凍結管耐壓不低于0.8MPa，并且不低于凍結工作面鹽水壓力的1.5倍；③凍結孔有效深度不小于凍結孔設計深度，不能循環鹽水的管頭長度不得大于150mm。

3.2.2 測溫孔布置

凍結帷幕不同區域共布置5個測溫孔，深度為16.08～32.29m，根據鉆孔的偏斜情況確定測溫孔的位置，目的主要是測量凍結帷幕范圍不同部位的溫度發展狀況，以便綜合采用相應控制措施，確保施工的安全。測溫孔管材選用?89×6.0mm20#低碳鋼無縫鋼管，管前端焊接密封，確保管內不得滲水。

3.2.3 凍結施工設計其他參數（表2）

表2 凍結技術參數表

3.3 主要施工內容及施工流程

凍結加固施工可分為凍結孔施工、凍結站安裝施工、凍結施工等5個主要部分，施工完成后，還要及時進行地層充填和融沉控制的注漿工作。具體的施工流程如圖2所示。

圖2 凍結加固施工流程圖

在凍結過程中，要根據實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈和達到設計厚度，同時要監測凍結帷幕與隧道的膠結情況，測溫判斷凍結帷幕交圈并達到設計厚度，可進入維護凍結階段。維護凍結期鹽水溫度為不高于-25℃，去回路溫差控制2℃之間。在維護凍結期間進行常壓開倉換刀。

3.4 日常監測

1）每天定時監測鹽水溫度、冷卻水溫度、地層凍結溫度，每天及時記錄并形成日報表。

2）通過實測測溫孔內溫度，計算凍結帷幕厚度和平均溫度、強度。

3）當凍結達到設計要求后，開倉前要在盾構內底部進行降水測試，利用新施工降水井進行降水測試，地下水位需降至隧道底以下0.5m，降水孔總水流量不超過1m3/h。

4）開倉過程中，每天多頻次對凍結系統、凍結帷幕變化情況進行監測，并跟蹤收集開倉現場的漏水、倉內溫度等信息，及時分析和溝通信息，做好預警工作和處理措施工作。

3.5 凍結效果

通過凍結，將盾構土倉周圍的含水土層變成不透水的凍結加固層，凍結帷幕強度達到作業安全要求，在開倉換刀過程無滲漏水，僅經過連續3天的開倉作業，刀具更換完成，使得盾構開倉換刀安全順利進行。

4 結 語

采用地層凍結技術在盾構開倉的應用是成功的，與其他加固方法相比，封水和地層加固效果很好，開倉作業過程相比普通常壓開倉和加壓開倉更安全。

目前國內已有企業成功研發盾構冷凍刀盤技術，將盾構設備與地層凍結技術相結合，設計出盾構冷凍刀盤，通過盾構上的設備技術即可將刀盤周圍的墻體形成凍結圓盤，充分隔絕了地下水，在此環境下進行開倉換刀。此技術比常規的地層凍結技術更加快速有效，與加壓開倉、常壓開倉相比，有明顯的安全可靠性和更廣泛的適應性、更高的工作效率，符合經濟節約、工期保障等要求。

在城市軌道交通的快速發展中,作者認為地層凍結技術在此方面具有廣闊前景。若能在建設設計階段就將人工地層凍結技術作為地層處理加固方案考慮進去,而不是在其它工法無法解決問題時才考慮采用地層凍結技術,會使城市軌道交通建設更為安全、經濟合理。

[參考文獻]

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