昆明富水地層凍結法接收井施工技術研究

蔣應省

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100176)

1 引言

昆明地鐵5號線采用盾構法施工，穿越范圍內土層賦存水量高，含承壓水，土質軟弱，圍巖穩定性差，在盾構接收破除門洞階段，極易引起洞門土體坍塌，涌水、涌砂等工程問題，影響后續盾構正常推進，危及地表周邊建(構)筑物的安全。

凍結法作為一種環境適用性好、止水強、強度高、綠色無污染的地層加固方法[1-4]，近20年來發展迅速。而鋼套筒接收技術一直是盾構掘進結束時的關鍵施工環節。吉武軍[5]依托蘇州地鐵5號線，通過工程實例證實了盾構的冷凍法聯合鋼套筒接收技術的可行性；岳紅波等[6]詳細分析了凍結法與鋼套筒結合技術對盾構隧道的影響，以及施工過程中的重難點；丁國勝[7]根據福州地鐵1號線現場情況，研究了水平凍結法搭配鋼套筒的輔助盾構進洞技術；趙亮等[8]總結了在軟弱富水地層中鋼套筒盾構接收井施工技術的特點和難點。目前，關于人工凍結法的研究已基本形成體系[9-10]，但各方面的優化改進仍在進行。豎向凍結、水平凍結、管幕凍結、半封閉凍結等多種凍結方式都有其獨特的優點[11-14]，其中多圈水平型凍結以其施工作業簡單、監測檢測方便、凍結效果優良、施工場地要求小等特點[15]，越來越廣泛地應用于具有富水、承壓水等軟弱地層加固措施中。

本文在前人研究基礎上，利用多圈水平型凍結法結合鋼套筒盾構接收技術來解決實際工程富水地層盾構接收問題，達到了保護地下水資源、加固地層、避免管線移改并順利完成五彌區間盾構接收等目標。對凍結法進行優化，使地層加固效果更加優良，對地表變形控制效果更好，并將盾構接收涌水涌砂的風險降至最低。

2 工程概況

地鐵線路穿越五一路道路，區間平面如圖1所示。區間隧道埋深為19.7～28.8 m。盾構端頭位于十字路口，地面加固方案受限于場地交通條件過于復雜而無法實施，且地下管線錯綜復雜，諸多因素導致無法采用常規加固方案，同時控制性建(構)筑物較多，接收端側穿省美術館，下穿地鐵3號線；地下管線主要為電信、給水、排水、燃氣、有線電視、交通信號、供電等，埋深均在5 m以內。設計采用多圈水平凍結法加固，確保盾構機順利出洞。接收端地下水位埋深3 m左右，工程影響范圍內場地地下水主要有上層滯水、孔隙潛水和微承壓水三類。盾構區間接收端頭地層主要為圓礫土、粉質黏土、粉砂層。

圖1 區間平面

3 凍結法與鋼套筒結合技術

3.1 冷凍孔施工

本工程采用水平長臂杯型凍結方案，區別于鄭州地鐵、蘇州地鐵等盾構工程，工法進行如下改進:調整鹽水凍結降溫計劃、優化孔位布置和鋼套筒設計以提高效率，縮短凍結工期，節約凍量、確保施工安全，改進參數見表1，凍結孔位布置見表2、圖2。

表1 鹽水降溫計劃改進前后施工參數對照

表2 凍結孔布置參數(單洞)

圖2 洞門凍結孔立面

3.2 鋼套筒施工

(1)鋼套筒主體結構

鋼套筒鋼板材質為Q235B，內腔板厚16 mm，筋板板厚20 mm，連接法蘭板厚60 mm，連接螺栓為M24(8.8級)。鋼套筒拼裝完成后筒體長度為10 900 mm，標準段內徑為6 900 mm。鋼套筒筒體由A、B、C、D 四種模塊組成，A 塊為下部塊共34塊，單塊長度3 300 mm，三塊拼裝總長9 900 mm；B塊為上部塊共3塊；C塊為加強環(兩個半圓)，單塊長度500 mm；D塊為過渡環(兩個半圓)，長度500 mm。后端蓋選用平面蓋，用30 mm厚Q235A鋼板作為材料，分成上下兩個半圓部分，把上下兩部分用兩塊30 mm厚鋼板做連接板拼成一個整圓。平面環板采用“井”字型工字鋼焊接在后端蓋上。

(2)鋼套筒后支撐體系

后支撐體系由6根φ530鋼筒斜撐與4根φ530鋼筒組成，鋼套筒兩側各采用3根雙拼 20a加固工字鋼從基座抵撐至結構墻及底板上，雙拼加固工字鋼、530鋼筒斜撐及直撐長度和角度如圖3所示。鋼筒支撐一端滿焊至后蓋端表面，另一端滿焊至底板結構主筋并利用鋼棒固定；工字鋼一端滿焊至鋼套筒基座表面，另一端滿焊底板結構主筋或抵撐至側墻。

圖3 后支撐體系加固(單位:mm)

(3)鋼套筒填料

根據盾構出洞姿態，鋼套筒內先回填C20素砼至刀盤底標高，作為盾構接收基座，再充分填充同步砂漿。同時在地面設置一個漏斗，并引一條輸送管道至鋼套筒預留灌料口處，將填充材料從漏斗輸送至鋼套筒內。為了保證填料分配均勻，填料過程中要在每個填料孔交替進行，使鋼套筒內填料飽滿、密實、均勻。

4 數值模擬分析

4.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件FLAC3D對水平長臂杯型凍結法施工進行模擬。FLAC3D可進行非線性分析，能夠很好仿真模擬實際復雜工程問題，并且前處理與后處理功能較為完善。在進行熱力耦合分析時，FLAC3D具備熱力學場賦予功能，結構受力通過編寫軟件內部fish語言進行施加，模型通過Rhino進行建立嵌入。經過預設時間步計算，通過FLAC3D自帶的后處理功能輸出觀測點的位移響應數據。數值模型如圖4、圖5所示。

圖4 凍結法模型

圖5 整體模型

4.2 分析對比

4.2.1 溫度場變化規律

提取凍結法施工時土體的溫度場云圖數據發現:凍結管在初期溫度基本為-25℃，認為土體凍結所需的溫度閾值為-20℃，在此溫度下土體的力學強度符合要求。所有工況均為溫度逐漸向中心過渡，直至產生凍結壁，也說明此時土體強度達到設計值。

通過比對發現，垂直凍結法一般設置凍結持續時間為10 d，此工況特征為初步交圈相對較薄，約為0.6～0.8 m；將凍結時間增加至20 d時，方可形成符合設計要求的凍結壁，厚度約1 m。當采用水平長臂杯型凍結法時，5 d左右凍結帷幕即可交圈，15 d左右凍結帷幕可達到預設要求。當采用全斷面凍結法時，凍結壁厚度約為0.4 m，交圈雖為10 d，但遠未達到設計強度要求；凍結時間設置為20 d，厚度約0.9 m。研究表明凍結時間為30 d時凍結壁厚度方可基本達到設計要求。三種凍結法溫度的傳遞擴散趨勢均一致，而達到符合設計要求的凍結壁厚度所需時間存有顯著差異。

通過對比，發現水平凍結法在凍結時間為3 d時凍結壁厚度可達0.3 m，8 d左右厚度達0.6 m，30 d厚度達0.9 m。當采用垂直凍結法時，一般需要5 d方可形成0.4 m的凍結壁，僅略高于水平凍結法3 d所形成的凍結壁，將凍結時間設置為15 d方可形成具有一定規模的凍結壁，50 d達1.6 m。采用全斷面凍結法時，凍結壁的變化趨勢與垂直凍結法類似。綜合判斷，水平凍結法的制冷效率更高。

4.2.2 位移場分析

圖6為采用水平凍結法時，洞門附近豎向位移及地表水平方向的豎向位移曲線。從圖6 a可以看出，隨著與地表距離增大，土體豎向位移呈明顯減小趨勢，位移值最大約為5.126 mm。當與地表距離40 m時，位移變化逐漸趨于平穩，達到位移最小值-0.050 m。凍結法有明顯改善土體變形的作用，曲線斜率在凍結區域有變緩趨勢，說明凍結力引起的土體膨脹力可對原本不穩定狀態進行有效補償，使得土體強度達到設計值，確保圍巖的應力平衡，避免了結構損傷或破壞。

圖6 水平凍結法地表位移曲線

由圖6b可以發現，在距離洞門中心較遠位置，水平走向位移值較小，最大位移點在洞門附近。距離凍結壁越近，凍結壁對土體強度的提高效應越顯著，表現為水平走向位移值更小。洞門附近為位移峰值出現的區域范圍，最大值可達4.736 mm。

圖7與圖6對比可發現，兩種方法凍結規律基本一致。其中位移最大值與最小的位置分別在地表位置與距離地表位置的最遠端，位移最大值為5.102 mm，最小值為-0.700 mm。垂直凍結法土體變形比水平凍結法大，最大值比水平凍結法大2.9%左右，表明變形效應對周圍環境的影響更大，地面將出現隆起變形，威脅到既有建筑物的安全。垂直凍結法土體水平走向位移變化規律也與水平凍結法保持一致，距離洞門中心水平距離越遠，則位移值越小，最小值出現在遠端，為4.860 mm，最大值為4.876 mm。

圖7 垂直凍結法位移曲線

從圖8可以看出，全斷面凍結法凍結規律與其他兩種凍結法類似，隧道中線處的豎向位移最大為4.735 mm，最小位移出現在距離洞門的最遠端。對比水平凍結法數據可以發現，全斷面凍結法的最大凍脹位移略大，表明其凍脹效果要大于水平凍結法。

圖8 全斷面凍結法位移曲線

5 實際工程效果對比

以昆明地鐵5號線彌勒寺-五一路區間工程為依托，配合水平多圈杯型凍結接收作業，設計專項監測方案，分析現場實測溫度數據，明確反映凍結過程，監測管路鹽水溫度及循環鹽水溫差來綜合反映冷媒吸熱量及凍結效果，以此論證本凍結技術的有效性與實用性?，F場測溫孔布置如圖9所示，凍結發展指標見表3。

圖9 現場測溫孔

表3 凍結發展指標改進前后對照

由表3可知，改進后凍結發展速度均快于改進前的預測速度，交圈時間在改進后也全面優于改進前的預測時間。凍結發展速度加快、交圈時間減少，為工期縮減提供了有利條件。改進后實測凍結壁厚度在1.6～5 m之間，大于改進前凍結壁厚度的1～3 m，說明改進后的工藝措施對富水地層加固效果更加明顯，進而加強了對地表沉降變形的控制效果，同時也避免了管線移改作業。總體上，改進后的凍結法施工效果完全滿足昆明軌道交通5號線五一路站-彌勒寺站盾構工程要求。

6 結論

(1)本文提出鋼套筒+水平多圈杯型凍結加固相結合的盾構機接收技術，代替傳統的盾構端頭土體加固技術，并成功應用于昆明軌道交通5號線五一路站至彌勒寺站盾構區間富水地層，提高了工程質量，大幅度降低了涌水涌砂施工風險。

(2)鋼套筒+水平多圈杯型凍結加固相結合的盾構機接收技術包括鋼套筒主體結構和鋼套筒后支撐體系設計、鋼套筒填料施工優化參數，及冷凍孔施工、鋼套管施工、盾構接收施工及洞門密封施工工藝。該技術具有場地要求低、止水效果好、鉆孔難度低、能量利用率高、適用性廣、綠色環保、利于控制土體變形的優點。

(3)根據數值模擬結果，水平凍結法、垂直凍結法和全斷面凍結法三種凍結法溫度發展規律類似，只是形成凍結壁的時間不同。水平凍結法比垂直凍結法制冷效果好，凍結壁形成時間相對較短。在沉降方面，靠近地表范圍的土體在凍結作用影響下變形響應明顯，當土體處于凍結區域時，其位移不受埋深影響，凍結效應為主導因素；沿水平走向位移變化規律表明，距離洞門越遠，土體膨脹所產生的地表變形越小，洞門中心處地表豎向變形最大。

(4)根據現場監測數據獲取凍結指標，明確了凍結過程，直觀展現了改進后凍結法吸熱效應及凍結效果，為類似工程積累了寶貴經驗。