盾構接收凍結加固效果分析

付財

摘 要 以上海地鐵某盾構接收凍結工程為背景，根據現場實測數據，對凍結帷幕厚度和平均溫度等各項凍結參數指標進行了計算分析，并通過探孔進行了檢驗。實踐表明，加固效果滿足設計要求，為類似凍結工程施工提供了參考。

關鍵詞 盾構接收;凍結法;凍結帷幕;平均溫度

Abstract Taking the freezing construction of a shield machine receiving as background， and based on the survey datum， every frozen parameter is analyzed， including the thickness and average temperature of frozen soil wall. Testing holes are also checked. The practice shows that the freezing reinforcement effect meets the design requirement， providing reference for similar freezing engineering construction.

Key words Receiving of shield machine; Freezing method; Frozen soil wall; Average temperature;

1工程簡況

圖1 土層與盾構接收加固區域位置關系圖

上海市軌道交通某區間盾構接收因加固區域上方存在已施工的棧橋板，地連墻與水泥系加固體之間的旋噴加固無法實施，設計首先采用MJS對車站端頭井土層進行加固，而后在夾芯區域采用凍結法輔助止水加固以確保盾構接收期間的工程安全。

盾構區間與車站分界里程為SK19+735.281（XK19+735.483），隧道中心標高上行線隧道中心標高-8.743m（下行線-8.743m），地面標高約+3.10m。區間隧道外徑6600mm，盾構機外徑6760mm，盾構接收處洞門直徑7100mm，地下連續墻厚度1000mm，鋼筋混凝土襯砌厚度600mm。MJS加固區縱向長度6.0m，加固寬度22.3m，加固深度為洞門頂、底邊緣不小于3.0m。

加固區域地面為主干道，交通繁忙[1]，加固范圍內管線已改遷，涉及土層主要為③層灰色淤泥質粉質黏土、④層灰色淤泥質黏土和⑤1-1層灰色黏土，地層具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強度等特性，土層與盾構接收加固區域位置關系圖見圖1。

2凍結施工參數及施工簡況

結合施工現場工況條件及溫度場數值模擬[1-2]，確定凍土帷幕采用I類凍結壁，溫度場數值模擬結果見圖2，設計凍土帷幕厚度及平均溫度等施工參數見表1。

該工程于2019年11月25日開始鉆孔施工，12月1日鉆孔施工完成，共計施工凍結孔64個，測溫孔6個，成孔經測斜、孔深復核、打壓試漏驗收全部合格，成孔質量滿足設計要求。

2019年12月2日轉入積極凍結施工工序，實測單孔鹽水流量約6m3/h，凍結第7天鹽水溫度去路降至-24.5℃，凍結第15天降至-27.5℃，至12月31日積極凍結30天，鹽水去路溫度-28.5℃，回路溫度-27.0℃，去、回路溫差小于2℃[3]，滿足設計和規范要求。

3測溫孔溫度監測及結果

該工程共布置6個測溫孔，其中T1、T2、T3和T4布置在外圈凍結孔外側，T5在中圈凍結孔和內圈凍結孔之間，T6在中心凍結孔和內圈凍結孔之間。T1、T2、T3和T4測溫孔內布設兩個測點，測點位置分別在1700 mm和3400 mm處。T5和T6測溫孔內測點位置分別在1100mm和2800 mm處，測溫孔布置見圖3。

根據勘察資料，原狀土地層原始溫度約18℃，受MJS水泥系加固后水化熱影響，測溫孔實測初始溫度最高處達27℃，降溫速率最慢的測溫孔T4溫度隨時間的發展歷程見圖4。

4凍土帷幕厚度

4.1 凍土帷幕發展速率計算

根據測溫孔各測點到達0℃的時間，可推算其平均發展速率，進而判斷最大孔間距處即凍結薄弱處的交圈時間，也可以作為工程上凍結壁厚度粗略估算的依據。

根據以上6個測溫孔溫度降至0℃的時間可計算得到凍結發展速率，考慮最不利工況，取洞圈外發展速率最慢的T4測溫孔數據為計算依據，計算得出凍土發展速率為25mm/d，而中圈孔與外圈孔之間凍結孔最大終孔間距為1164mm，得出凍結壁交圈時間為23天，可以判斷凍結壁已全部交圈。

4.2 凍土帷幕厚度計算

（1）洞圈內凍結壁厚度

洞圈內凍結帷幕厚度可根據內圈測溫孔溫度降至0℃的時間進行推算。取T5測溫孔數據為計算依據，凍土發展速率為38.1mm/d，凍結30天時，凍土擴展半徑為1143mm，以1143mm為半徑作交圈圖可知內圈凍結壁已完全交圈，由于凍結孔有效深度均超過設計深度，可以判斷內圈凍結壁有效厚度均大于2m，滿足設計要求。

（2）洞圈外凍結壁厚度

1）按擴展速率推算

洞圈外凍結孔凍土發展半徑，按發展速率最慢的T4推算。

根據凍土擴展速率推算，外圈凍結帷幕直徑為10m，滿足9.4m的設計要求。

2）公式法計算[4]

由于凍土溫度瞬時變化較小，可將人工凍土帷幕的溫度變化視為穩態溫度場，其解析解見式（1）。通過測溫孔的溫度可計算出凍土帷幕的厚度的解析解：

式中，-凍土溫度，℃; -凍結管內冷媒劑（鹽水）溫度，℃; -分別為凍結柱內任意點至凍結管中心距離，凍結管外半徑和凍土圓柱的外半徑，。

根據公式法推算，外圈凍結帷幕直徑最小值為9.92m，滿足9.4m的設計要求。由兩種方法計算對比可知，公式法計算結果與推算法較為相近，工程上可按推算法快速估算凍結帷幕實際發展厚度。

5凍土帷幕平均溫度

盾構接收“板塊”型凍結帷幕平均溫度[5]計算采用成冰公式計算較為復雜，采用圖解法求解更為直觀，且準確性較高。根據12月31日測溫數據繪制測溫孔溫度值與凍結管中心線的距離關系圖，為使繪圖更為美觀，橫軸可以mm為單位按1：1繪制，縱軸按溫度數值放大100倍繪制，溫度凍結管處溫度取界面溫度[6]，界面溫度可按式（2）求得。

根據式（2）計算得出界面溫度Tk=-16.8℃，作圖如圖5所示。

按積分面積法求得深孔平均溫度為Tc=S/E=-58905/5550=-10.60℃，低于設計凍土平均溫度指標-10℃，滿足設計要求。

由以上分析可知，鹽水溫度降溫梯度、鹽水去路與回路溫差、凍土帷幕平均溫度、凍土帷幕厚度等各項參數指標均滿足設計要求，凍結效果已達到設計要求。

6探孔情況

2019年12月28日進行了探孔施工，探孔深度均穿透1m厚地下連續墻到達凍土層，共布置9個探孔，呈“米”字形布置，并于12月29日對探孔進行溫度復測，探孔布置圖如圖2所示，探孔情況如表5所示。

根據探孔情況進行檢驗，探孔內干燥無流水，且探孔溫度均低于-5.6℃，表明凍土帷幕與地下連續墻已完全膠結，進一步驗證了凍結效果已達到設計要求。

7盾構接收

凍結效果專家論證通過后，于2020年1月2日開始洞門破除，1月10日拔除盾構推進區域內的凍結管及測溫管，1月11日盾構機順利完成接收。

8結束語

通過對凍結壁厚度及平均溫度的計算分析，并通過探孔現場檢驗，驗證了盾構凍結分析方法的實用性，可以為今后類似凍結工程施工提供了經驗，主要得出以下結論。

（1）根據測溫孔各測點到達0℃的時間和最大終孔間距推算，取其最小發展速率，可推算出凍結帷幕最薄弱處的交圈時間，作為整個凍結帷幕全部交圈的時間。

（2）凍結帷幕厚度的公式法計算結果與推算法較為相近，工程上可按推算法快速估算凍結帷幕實際發展厚度。

（3）“板塊”型凍結帷幕平均溫度計算采用成冰公式計算較為復雜，采用圖解法求解更為直觀，且準確性較高。

參考文獻

[1] 敖松，韓圣銘.淺覆土凍結法加固的凍脹控制技術應用[J].城市軌道交通研究，2015，18（4）：107-110，127.

[2] 丁航，李方政，崔灝.地鐵聯絡通道凍結溫度場三維數值分析[J].建井技術，2018，39（1）：54-57，10.

[3] 敖松.縱向測溫技術在地鐵聯絡通道凍結施工中的應用[J].建井技術，2017，38（3）：54-58.

[4] 陳朝暉，李方政.地鐵隧道聯絡通道凍結帷幕形成分析[J].施工技術，2007（S1）：202-204.

[5] 劉健鵬，沈陽，楊平，等.地連墻影響下多排管凍結壁平均溫度計算方法[J].地下空間與工程學報，2019，15（5）：1425-1433，1450.

[6] 胡向東，劉陽輝，洪澤群，等.直線形單排管凍土帷幕平均溫度計算[J].煤炭學報，2019，44（4）：1092-1097.

作者簡介

付財（1985-），男，河北衡水人;學歷：碩士研究生，職稱：工程師，現就職單位：北京中煤礦山工程有限公司，研究方向：凍結法施工及管理。