盾构始发端土体冷冻施工技术

盾构始发端土体冷冻施工技术

摘要：盾构始发是盾构施工过程中关键环节，盾构始发的端土体的稳定性是不容忽视的问题。盾构始发段为基岩孔隙裂隙水赋存于第三系胶结不良的砂岩、砂砾岩中，因粘土岩阻隔作用表现为多层含水层，该含水层水量较丰富，其补给、排泄均为地下径流。始发期间经现场测量，始发段水头维持在23m左右，盾构始发过程中，可能会出现涌水、涌砂的危险情况。为了进一步减少洞门破除过程的高风险，采用局部冻结工艺，预计形成2.0m厚的冻土墙，可以有效封水及对原有加固土体进一步的补强作用。

关键词：盾构；加固区；端土体；冷冻

引言：盾构法施工工序分为：盾构始发，盾构掘进，盾构到达三方面，其中盾构始发和到达是这个施工工法中尤为重要的两个环节。盾构机的正常始发就是能否进行后续工作的关键。**工程采用复合式泥水盾构机进行河底部的穿越工作，下面针对**工程的特例对盾构始发，采用局部冻结法，有效保障盾构始发的情况，浅谈一下盾构始发过程中端土体冷冻法施工。

1、工程概述

1.1**工程简介

**工程主体工程由南北岸渠道，退水洞、进口建筑物、过河隧洞、出口建筑物及防护堤等部分组成。过河隧洞采用泥水盾构法进行施工。总长4250m，包括过河隧洞和**隧洞段两部分组成，双洞并行布置，隧洞轴线间距为28m。

1.2地质情况

河床及漫滩地下水为孔隙水和基岩孔隙裂隙水。基岩孔隙裂隙水赋存于第三系胶结不良的砂岩、砂砾岩中，因粘土岩阻隔作用表现为多层含水层，该含水层水量较丰富，其补给、排泄均为地下径流。

现场进行测量降水井的正常水位为90m高程，盾构机的中心高程为67m，洞门中心的就是有23m的水头,相当是2.3bar多的压力。

1.3盾构端土体的加固及破除情况

盾构始发的前方的加固情况如下：素混凝土墙80cm、高喷加固区11m及高喷加固区外3m处设置灰浆墙作挡水帷幕, 自凝灰浆墙为圆环呈跑道形布置，墙厚80cm（见图1-1）。

盾构机始发要经过，竖井洞门处预埋钢环，80cm竖井内衬（在前期施工中已经破除），150cm地连墙，随后进入加固区。

为确保此次盾构始发的安全，在进行始发前对掌子面进行钻机取芯工作。通过取芯的结果，可以判断高喷加固效果不是很理想，取芯也说明了一个问题，在40米的埋深下，地质情况多为粉细砂，而且含水量比较丰富，在这样高的水头下，盾构始发过程中（在未进行加固和处理的情况下），可能会出现涌水、涌砂的危险情况。为了进一步减少洞门破除过程的高风险，所以对洞门始发前80cm素混凝土墙与竖井洞门混凝土之间进行冷冻法施工，预计形成2.0m厚的冻土墙，进行封水及对原有加固土体进一步的补强作用，同样在盾构始发过程中降低风险，增加始发的安全性。

图1-1：端土体加固区及竖井结构示意图

2、冻结孔施工

2.1垂直冻结孔布置

冻结孔布置设计：根据冻结壁设计原则和冻结壁厚度要求，结合上述几方面因素，设2排垂直冻结孔，排距为 1m，总数41个。其中内排孔布置圈半径11.7m、20个孔、开孔间距0.8m，距素砼挡墙0.4m；外排孔布置圈半径12.7m、19个孔、两端头增加 2个孔,开孔间距0.86m，。内、外两排孔插花均布（梅花型布置）（见图2-1）

图2-1：冻结孔及测温孔平面布置见

2.2管材选择及设备选型

冻结管、测温管和供液管规格：冻结管选用φ159×6mm 20#低碳钢无缝钢管，采用外管箍焊接连接；供液管采用φ60mm×5mm塑料软管；测温管采用φ89×4mm无缝钢管。打钻设备选型：打钻选用XY-200型钻机2台，ZZ-300型钻机1台，选用BW-250/50型泥浆泵3台，电机功率15KW。

2.3冻结孔斜度控制

冻结孔偏值控制要求：冻结段内，内排冻结孔外偏值不大于300mm、相临孔间距不大于1150mm；外排孔内偏值不大于300mm、相临孔间距不大于1200mm。

冻结孔偏斜应同时满足上述两方面要求。

在钻孔初期，采用的是灯光测斜，在纸上面来把相应点位偏离中心线的距离测出来，再利用相似三角形的原理，把纸上面的距离转换到实际的距离。

控制孔斜的方法是在钻机调平的前提下，用加重管进行垂直的控制；后期施工采用比较先进的陀螺仪测斜，可以有效的控制冻结孔的斜度。

实际钻孔过程中冻结孔偏斜率≤10‰。

2.4 冷冻孔施工过程中所出现情况及处理

在实践中发现一个问题，就是XY-200型钻机，虽然成孔率是比较高，不过在扫孔过程中出现了埋钻现象，这对于打冷冻孔十分不利。然而在下放冻结管的过程还会出现塌孔和下放困难的情况。在钻孔初期，成功下放冷冻管的冻结孔都是ZZ-300型钻机所打的冻结孔。

分析出现这种情况的原因是，河床及漫滩地下结构多为砂层和小型钻机的扭矩比较小，进浆管比较小，壁膨润土的流量比较小，在进行泥浆循环的过程中，从泥浆中带出的砂比较少。虽说成孔了，但成孔的质量不高；还有一种可能是出现钻孔倾斜的情况。为了解决这些问题带来冷冻孔进度缓慢的情况，采取了以下措施。

在原有取芯机的基础上，加大了取芯机的开孔直径，由原来215mm调整为现在245mm。又调来一台功率比较大的钻机，同时把部分钻机的钻头调整为215mm，在此基础上把冷冻管的直径由原来的159mm调整为现在133mm。

ZZ-300钻机可以加大旋转的扭矩，泥浆的进浆量也增大了，这样可以对钻孔进行有效的护壁，还可以把冻结孔中泥沙循环到地表，在地表到泥浆池途中增加了振动筛，有效过滤泥浆从钻孔中循环出来的泥沙，这样可以更好的防止塌孔现象，采用先进陀螺仪测斜，则可以更准确的控制钻孔的情况，若出现冷冻孔倾斜的现象及时纠正。

3、冻结方案

冷冻系统是由盐水系统、氟系统，清水系统三个系统构成。其原理是利用是冷却水循环系统对氟系统进行降温，然而氟系统对盐水进行降温，冷盐水对土体进行冻结。

主要技术参数如下：

盐水温度：-28～-30℃；蒸发温度：-33～-35℃；冻结区原始地层温度：≤+22℃。

冷却水温度：＋23℃；冷凝温度：＋35℃。

冻结孔总长度：1968m ,其中冻结长度：738m。测温孔总长度：96m。

冻结需冷量：

①冷量损失系数：1.2；

②总需冷量：Q=k·π·d·H·n·q

式中：k ------冻结站冷量损失系数，取1.2

d------冻结管外直径，米

H------冻结深度，米

n------冻结孔数量，个

q------冻结管散热系数或单位热度量，取300千卡/米2·时

非冻结段冷损按50%计

则：Q=1.2×3.14×0.159×39×(18+30×0.5)×300

=23.2(万大卡/小时)

冷冻机油选用N46冷冻机油；制冷剂选用氟立昂R-22；冷媒剂选用氯化钙溶液。

图3-1：冷冻机联接示意图

4、局部冻结工艺

采用局部冻结工艺可以有效防止冻胀和融沉现象对工程的不利影响、减少制冷量和有效地保护环境，从冷冻工期上可以减少冷冻时间，可以有效地减少直线工期。局部冻结管结构情况（见图4-1）。

冻结体分为冻结区和非冻结，中间用隔板分隔开，管中采用套管进行局部冷冻，冻结板块有效厚度2.0m（加上素砼挡墙厚0.8m，则挡墙总厚度为2.8m），（弧）长15.6m，高18m。冻结孔深度：48m。其中冻结段长度为18m（标高：75.5m～57.5m）。

经过两个月的局部冷冻施工，掌子面处于干燥状态，表面无明显渗水现象，洞门内温度接近零度左右，基本上已经达到破除洞门工作的要求。

去路

图4-1 局部冻结孔结构示意图

5、冻结管起拔方案

在盾构始发之前、洞门破壁后，所有位于盾构推进轮廓内的冻结管需拔除，24个小时可全部完成。

利用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50mm～80mm时，开始拔管。

盐水加热：用一只1m3左右的盐水箱储存盐水，用18组5kw的电热丝进行加热盐水。

盐水循环：利用流量为50m3/h以上盐水泵循环盐水，先用40～50℃的盐水循环10分钟左右，即可进行边循环边试拔。

用两个10吨的千斤顶进行试拔，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。然后用20T吊车快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管。图5-1热盐水循环及吹盐水系统图。

加热器

盐水泵

盐水箱

冻

结

管

空压机

图5-1 热盐水循环及吹盐水系统图

6、结论

随着我国国民经济和城市现代化的不断发展,高度商业化、效率化和功能密集化的现代城市对于工程施工的要求越来越高。

采用盾构法进行暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工；盾构法施工中，就要面临盾构

机的始发和到达两个关键性的问题，采取冷冻法对端土体的加固是盾构法施工中较为科学的施工工艺，也为洞门破除安全性带来保障。