上海越江隧道盾构机出洞地层冻结加固技术

第５卷第２期２００８年４月Ｖｏｌ．５Ｎｏ．２Ａｐｒ．２００８现代交通技术ＭｏｄｅｒｎＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ上海地处长江入海口，地质构造为三角洲冲积淤泥地层，建筑物基础或地下构筑物多位于淤泥质软土地层中，其越江隧道、地铁隧道均采用盾构法施工。

盾构机由工作井出洞施工时，为防止洞门开启时洞口土体涌水、涌沙，造成地面沉降、地下管线受损及淹井事故，一般需对洞口附近土体进行加固。

地层冻结工法是２０世纪９０年代开始逐步引入市政工程领域的，由于其形成的冻土墙具有封水性好、强度高等优点，较多地应用加固盾构进、出洞周围土体。

本文结合上海西藏南路越江隧道工程，对国内首次应用地层冻结加固工法加固出洞口地层的加固技术进行介绍，以供类似工程参考。

１工程概况上海西藏南路越江隧道总体走向为浦西西藏南路接浦东滨州路———博文路，采用盾构法施工。

盾构机直径Φ１１．５８ｍ，长１１．２４５ｍ。

在盾构出洞处，洞口中心标高为－１０．６１３ｍ，工作井附近自然地坪标高约为＋３．８ｍ。

为了避免在盾构机出洞时扰动地层，造成涌水、出沙，拟对盾构出洞口附近的地层进行冻结加固。

浦东工作井（ＰＤ０）位于滨州路、连云港路以东８０ｍ处，平面尺寸３７．６ｍ×２１．６ｍ，开挖深度２３．２９８ｍ。

１．１工程地质条件拟建场区地势平坦，地面标高一般为３．６８～４．１５ｍ，高差０．５３ｍ。

根据地勘成果，本地基在６０ｍ深度范围内，按其成因类型、土层结构及其形状特征可分为７层，１１个亚层。

由于受古河道切割影响，⑥层暗绿色硬土缺失，⑤３灰色粉质粘土、⑤４灰绿色粉质粘土在过ＣＫ２１＋６５０处也缺失。

土层特点为高含水量和大孔隙比、高压缩性和低强度的软弱粘性土，具高灵敏度及弱渗透性。

拟建场地地基微承压含水层分布于⑤２砂质粘土层，其顶板埋深１６．５０～１７．９０ｍ，⑤２层水头埋深为４．５４ｍ，⑤２与⑦承压含水层连通。

１．２水文情况本场地浅部地下水为潜水类型，补给来源主要为大气降水与地表径流，水位动态为气象型。

根据工程地质勘察报告，测得地下水位为１．２０ｍ。

２地层冻结加固方案设计２．１出洞主要解决的技术问题在打开预留钢筋混凝土洞门时，应确保迎头稳定，防止涌砂、涌水发生。

出洞时，隧道端部应力复作者简介：盛延仲（１９６３－），男，高级工程师，主要从事冻结工程施工工作。

上海越江隧道盾构机出洞地层冻结加固技术盛延仲（中煤第一建设公司特凿处，河北邯郸０５６００３）摘要：结合上海越江隧道盾构机出洞地层冻结加固工程，介绍出洞地层冻结加固技术与设计方案，阐述冻土墙的计算选型及冻结加固的施工流程，为隧道施工中盾构出洞土体加固提供参考。

关键词：隧道工程；盾构；出洞；冻结加固中图分类号：Ｕ４５５．４５２文献标识码：Ｂ文章编号：１６７２－９８８９（２００８）０２－００５６－０４ＦｒｅｅｚｉｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｆｏｒＳｈｉｅｌｄＬａｕｎｃｈｉｎｇＣｒｏｓｓｉｎｇ－ｒｉｖｅｒＴｕｎｎｅｉｎＳｈａｎｇｈａｉＳｈｅｎｇＹａｎｚｈｏｎｇ（ＳｐｅｃｉａｌＤｒｉｌｌｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＦｉｒｓｔＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｈａｎｄａｎ０５６００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｓｈｉｅｌｄｌａｕｎｃｈｉｎｇｉｎＳｈａｎｇｈａｉｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｆｒｅｅｚｉｎｇｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｏｆｓｈｉｅｌｄｌａｕｎｃｈｉｎｇｓｈａｆｔ，ａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｃｈｏｓｅｎｏｆｆｒｏｚｅｎｇｒｏｕｎｄｗａｌｌａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｆｒｏｚｅｎｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｓｈｉｅｌｄｌａｕｎ－ｃｈｉｎｇｓｈａｆｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｈｉｅｌｄ；ｌａｕｎｃｈｉｎｇｓｈａｆｔ；ｇｒｏｕｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄ第２期杂，易产生大的扰动和地层变位，地层冻结主要提高围岩土层强度和稳定性，确保盾构安全出洞。

２．２出洞冻结方案［１］采用在出洞口周围土层中布置垂直冻结孔冻结的方法，在洞口外侧形成一道与工作井井壁紧贴的冻土墙（如图１所示），其作用是抵抗土层侧压力的作用，防止泥砂和地下水进入盾构出洞口，确保盾构机顺利出洞推进。

图１冻土墙的结构形式该隧道盾构机出洞加固区分３段，第１段是洞门封口段，冻土厚度３．３ｍ。

第２段为出洞土层稳定段，为拱顶部加两侧墙冻结，长度为６．７ｍ，拱顶冻土厚度２．５ｍ，两侧墙冻土墙厚度１．５ｍ。

第３段为前冻墙段，冻土墙厚度１．２ｍ。

隧道纵向加固长度１１．２ｍ。

考虑到本次盾构直径较大，为了确保安全，冻土和地下连续墙保证２ｍ宽的搭接。

冻结孔布置参数见表１，垂直测温孔１２个，其中Ｔ７、Ｔ８为８ｍ；Ｔ１￣Ｔ４为１０．６ｍ；Ｔ９￣Ｔ１２为２３ｍ；Ｔ５、Ｔ６为２５ｍ。

垂直测温孔具体位置见图２。

设地面监测点９个，具体位置见图２。

２．３出洞冻土墙厚度校核［２］冻土墙按周边固定圆板考虑，按下式进行计算：ｈ＝ＫＤ／２・（ＢＰ／σ）１／２（１）式中：Ｋ为安全系数，取１．３；Ｄ为开直径，取１１．５８ｍ；Ｂ为载荷系数，取１．２；Ｐ为荷载，取０．２６９ＭＰａ；σ为冻土抗弯折强度，取１．８ＭＰａ。

计算可得冻土墙厚度为３．２ｍ，冻土墙外侧受土层侧压力作用，按静止侧压力系数计算，取土工资料提供的最大值０．６４；取上覆土层的平均容重为ｒ＝１８．５ｋＮ／ｍ３，超载ｑｎ＝３０ｋＰａ；按洞口下缘埋深Ｈ＝２０．０９ｍ计算得冻土墙所受最大静止土压力为ＰＳ＝０．２６９ＭＰａ。

表１冻结孔布置参数表图２冰冻加固布孔图排序排间距／ｍｍ孔间距／ｍｍ孔数／个深度／ｍＡ４００（距地连墙）１０００／１１３０３５２５．１Ｂ１２００１４００／１１３０３３２５．１Ｃ１２００１４００／１１３０３３２３．１Ｄ１２５０１２００／１３００２６Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４、Ｄ１５、Ｄ２５、Ｄ２６号孔为２３．６ｍ，其余为８．３ｍ。

Ｅ１２５０１２００／１３００２６Ｅ１、Ｅ２、Ｅ１２、Ｅ１３、Ｅ１４、Ｅ１５、Ｅ２５、Ｅ２６号孔为２３．６ｍ，其余为８．３ｍ。

Ｆ１２５０１２００／１３００２６Ｆ１、Ｆ２、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ１４、Ｆ１５、Ｆ２５、Ｆ２６号孔为２３．６ｍ，其余为８．３ｍ。

Ｇ１２５０１２００／１３００２６Ｇ１、Ｇ２、Ｇ１２、Ｇ１３、Ｇ１４、Ｇ１５、Ｇ２５、Ｇ２６号孔为２３．６ｍ，其余为８．３ｍ。

Ｈ１２５０１２００／１３００２６Ｈ１、Ｈ２、Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｈ１５、Ｈ２５、Ｈ２６号孔为２３．６ｍ，其余为８．３ｍ。

Ｉ１２５０１２００／１６００２２２３．６Ｊ９００１２００／１４００２４２３．６合计２７７５２４５．７盛延仲：上海越江隧道盾构机出洞地层冻结加固技术５７・・现代交通技术２００８年根据上述计算并参考工艺要求，取冻土墙有效厚度３．３ｍ，冻土墙的抗剪验算可用下式计算。

τｍａｘ＝ＰＤ／４ｈ（２）式中：τｍａｘ为计算最大剪应力；Ｐ为荷载，取０．２６９ＭＰａ；Ｄ为开孔直径，取１１．５８ｍ；ｈ为冻土墙厚度，取３．３ｍ。

计算可得τｍａｘ＝０．２３６ＭＰａ２．４冻结参数东西线共用一个冻结站，安装ＪＺＫＦ２２０型螺杆冷冻机３台和ＪＺＫＦ２１６型螺杆冷冻机１台（作为备用机）。

冻结管选用Φ１０８×６ｍｍ低碳无缝钢管，设计最低盐水温度－２８～－３０℃，积极冻结期３５ｄ。

主要冻结施工参数见表２。

表２主要冻结施工参数３出洞地层冻结加固施工流程在盾构出洞方向，沿工作井地连墙外侧布置冻结孔，并在冻结孔中循环低温盐水，使冻结孔附近的含水地层结冰，形成强度高、封闭性好的冻土墙，然后在冻土墙的保护下打开盾构出洞口和安装盾构机。

冻结法加固盾构出洞地层的主要施工顺序为：施工准备—冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统—安装冻结盐水系统和检测系统—冻结运转—探孔检验—开洞门和盾构机出洞安装—拔后墙冻结管并局部冻结—推进施工—拔前墙冻结管并充填—停止冻结。

施工流程如图３所示。

图３出洞地层冻结加固施工流程４地层冻结加固效果分析４．１冻结加固效果上海西藏南路越江隧道盾构出洞西线于２００７－０５－２８开始冻结，２００７－０６－２８开始破地连墙，积极冻结３０ｄ。

打开洞门时，显示出地层冻结加固土体良好的均质性、隔水性和强度高的特点，充分保证了盾构机顺利出洞。

由于盾构机自身一些原因，盾构推进于２００７－０７－３０推出加固区，西线停止冻结。

图４为盾构出洞地层冻结施工中４个测温孔在地表以下２０ｍ位置的降温曲线。

分析钻孔成孔及测温数据，其冻结３５ｄ以后已交圈。

经计算外侧冻土发展速度约２３ｍｍ／ｄ。

盾构出洞时冻土墙厚度近３．３２８ｍ，洞口两侧的冻结壁厚度大于２．２ｍ，冻土墙与地连墙胶接良好。

由Ｔ１、Ｔ５、Ｔ１２测温数据分析计算冻土墙平均温度应低于－１０℃，冻结加固达到预期效果。

东线出洞冻结于２００７－０２－０７开始，积极冻结３４ｄ后盾构推进，于２００７－１０－１２停止冻结，冻结效果良好，盾构机顺利出洞。

４．２局部冻结为减少地层冻结的冻胀对地表的影响，增加冻结工法在市区施工应用的广泛性，在西藏南路越江隧道盾构出洞冻结施工中，采用局部冻结措施，减参数名称参数值备注冻结深度／ｍ２５．１１．２２．５１．５３．３冻土墙平均温度／℃－１０从开始冻结到出洞／ｄ４０含拔管５ｄ冻结孔个数／个２７７冻结孔开孔间距／ｍｍ１０００￣１６００冻结孔成孔控制间距／ｍｍ１１００￣１７４０冻结孔与地连墙间距／ｍｍ≤４００第１排冻结孔冻结孔允许偏斜／‰３１２１０钻孔总长度／ｍ５４４６．１其中冻结孔５２４５．７ｍ，测温孔２００．４ｍ冻结需冷量２５．９４单线３１备用机用水量／（ｍ３・ｈ－１）４０新水补充冻土墙设计厚度／ｍ前墙拱顶两帮后墙测温孔／个垂直孔水平孔冷冻机／台ＪＺＫＦ２２０ＪＺＫＦ２１６设计最低盐水温度／℃－２８～－３０冻结７ｄ盐水温度达－１８℃单孔盐水流量／（ｍ３・ｈ－１）６～８冻结管规格／个６低碳钢无缝钢管（Φ１０８）５８・・第２期少低温盐水在地表以下０～５．８ｍ范围的冷量传递，使得该区域在一定的设计时间内成为未冻区，减缓下部冻结区域的土层冻胀对地表的影响。

图４各测温孔２０ｍ位置降温曲线图布置在局部冻结区域内的Ｔ１、Ｔ２、Ｔ７测温孔从上至下的３个观测位置在开冻时的２００７－０５－２９初始温度相差不大，在１８℃左右。

经过一段时间地层冻结后，至２００７－０６－２４，３ｍ位置的温度均比８ｍ位置的温度高约３℃，表明该区域的局部冻结措施起到了预期的效果，应能减缓冻胀对地表的影响。