冻结法在盾构进出洞工程中选择应用研究

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  摘要:盾构进出洞是盾构法隧道施工的关键工序,冻结法是盾构进出洞加固中常用的加固方法,本文阐明了盾构进出洞土体加固的功能要求,指出了冻结法的适用条件,归纳了不同冻结加固形式的选择应用条件。
  关键词;冻结法;盾构进出洞;地铁
  Abstract:Shieldsˊlaunching and arriving is the key to shield tunnel construction,Freezing method is a common method of reinforcement for shieldsˊlaunching and arriving,The paper clarifies the functional requirements of soil reinforcement for shieldsˊlaunching and arriving.The applicable conditions of freezing method are pointed out,The selection and application conditions of different freezing reinforcement forms are summarized.
  Key words:freezing method;shieldsˊlaunching and arriving;aisle;subway
  盾構进洞(接受)、出洞(始发)(下文同)阶段是盾构法隧道施工风险积聚阶段,是盾构隧道施工的关键。
  在软土地区,当遇到砂性土层与承压水地层时,盾构进出洞过程中,特别是进洞过程中风险控制难度较大,存在的问题逐步显现,因盾构进出洞失误导致隧道坍塌、端头井回填的事故也不止一例,造成了很大的经济损失。
  盾构进出洞是一个复杂的工艺过程,在软土地区,端头井外土体加固是盾构进出洞过程的重要环节,地层加固的方法很多,冻结法是复杂工况条件下盾构进出洞土体加固的常用措施,在特定复杂工况条件下,盾构进出洞工艺、加固形式的选择直接决定工程实施的风险程度或成败。本文围绕盾构进出洞地层加固的功能要求、选用冻结法的适用条件、常用冻结加固形式的选用等三个方面展开论述,对今后盾构进出洞工程设计与施工具有重要指导意义。
  1.盾构进出洞加固体功能要求
  在软土或砂性土层中,盾构进、出洞前,需预先对盾构工作井围护结构外侧一定范围内的地层进行加固,使之具有一定的强度和封水性,凿除洞门圈内围护结构之后,可起到临时替代围护结构封水挡土的功能[2],如图1所示,加固土体将承受外侧荷载P(土压Pa和水压Pw的共同作用下)。
  当采用冻结法加固时,工程中将冻结壁简化为厚度为h的弹性圆板、周边按照简支或固支进行处理,计算冻结板块中心处的最大弯曲应力、支座处的最大剪应力[1]。目前,针对盾构进出洞冻结加固体的设计计算理论的研究较少,也缺乏针对性的标准性文件,对于安全系数取值系数的取值通常参照地区工程经验取值,加固体的极限抗拉强度安全系数K0取1.5~2.0,抗剪强度安全系数取2.0。
  当采用复合加固工法(水泥系+冻结法)时,冻结以封水为主,鉴于水泥系加固体的不均匀程度差异较大,冻结壁(复合加固体)所承受的荷载宜根据水泥系加固效果酌情减小,但不应小于水压。目前,水泥系加固后的冻结土体力学性能缺乏基础试验参数,其强度指标(抗压、抗拉、抗剪)宜按原状土取值,对工程偏于安全。
  当处于砂性土层与承压水地层时,需结合盾构进洞、出洞的工艺流程采取封水措施,根据水的来源不同,通常可概括为三种情况:一、洞门圈范围内加固体涌水,来源于加固体与围护结构交界面、或加固体内部(迎面),导致洞门圈范围内围护结构无法凿除;二、当盾构进洞时,沿盾构机壳体从盾尾方向来水,风险较大;三、当围护结构在洞门圈内存在接头时,沿围护结构接头竖向导水,工程中已遇到该工况,但案例极少。
  在软土或砂性土层中,“承载”与“封水”是盾构进出洞土体加固的两大基本功能要求,冻结法在安全性和可靠性方面满足两大功能要求具有明显优势,冻结法的适用条件和选用何种冻结加固形式是特定工程必须面对的问题。
  2. 冻结法土体加固适用条件
  在软土地区,常见的盾构进出洞地层加固方式有:水泥土深层搅拌桩、水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩、冻结法、水泥土深层搅拌桩+高压旋喷桩+冻结法,当处于砂性土层与承压水地层时,冻结法是盾构进出洞工程中最主要的地层加固方法。冻结法是岩土工程中特殊加固方法之一,对于具体工程,选用冻结法需考虑其工程适用性。
  (1)当受周围环境(如地下管线、施工围挡、换乘站的既有结构等)影响,或隧道埋藏深度较大时,采用水平冻结加固。
  (2)当处于砂性土层与承压水地层时,盾构进出洞工程宜采用冻结加固或复合加固(冻结加固+水泥系加固),冻结法加固达到封水或辅助封水的目的。当采用复合加固时,冻结加固应滞后水泥系加固适当时间,避免水化热对冻结的影响。
  (3)当工程风险较大(富水地层、周边环境复杂或埋深较大等)时,除采用冻结法加固措施外,宜辅助其它技术手段,如水/土中进洞、钢套筒、泡沫混凝土、降水等)综合考虑。
  (4)当采用冻结法时,应充分考虑冻结加固与边界条件的相互影响。应避免降水作业、供电等因素对冻结的影响,另外,应减小冻胀与融沉对周围环境的影响。
  3.不同冻结加固形式的选择应用
  盾构进出洞冻结法加固形式灵活、多样,基本上可以归纳为三类:水平冻结、垂直局部冻结、垂直局部冻结+水平冻结,具体冻结形式的选择需结合盾构进出洞施工筹划、工程地质条件及周围环境等综合确定。
  3.1水平冻结
  3.1.1外圈水平冻结   在洞门圈外设置水平冻结孔,形成圆筒形冻结壁,实际工程中也存在冻结上半圈或下半圈的局部冻结形式。如图2所示。冻土帷幕厚度根据冻结管布置圈径确定,满足冻土帷幕与盾构机交界面的温度-3℃~-5℃,冻土帷幕平均温度≤-8℃。
  软土地层中,适用于洞门圈上部或下部一定范围内存在承压或微承压含水层,进出洞范围内的土体已经采用水泥系加固,洞门圈范围内围护结构凿除后土体可以自稳,但地下连续墙与水泥系加固体的交界面往往是导水通道,因此,采用外圈冻结封水。
  冻结加固的目的为“封水”,对于盾构出洞,冻结管的入土长度≥1.5m;对于盾构进洞,冻结管的入土长度取决于盾构进洞工艺。
  3.1.2短孔水平冻结
  在洞门圈外和洞门圈内均布置冻结孔,如图3所示,洞门圈外冻结管比洞门圈内冻结管入土长度大1.0m~1.5m。
  适用于盾构进洞和出洞工程,当用于盾构进洞时,可辅助“水/土中进洞、钢套筒、泡沫混凝土”技术措施。
  对于盾构出洞,适应于所有可冻结地层,当存在承压或微承压含水层时,存在一定风险,洞门圈内冻结管拔出后留下的空洞及时回填,需加强工序衔接控制;对于盾构进洞,当无其他辅助进洞措施时,适用于不含水地层,通常适用于受周围环境条件限制,无法采用其它加固方法的工程;对于盾构进洞,当存在承压或微承压含水层时,宜辅助“水/土中进洞、钢套筒、泡沫混凝土”技术措施。
  冻结加固的主要目的为“承载”,冻结壁厚度依据承载力计算确定;冻结板块为群孔冻结,冻土平均温度远低于-10℃,考虑最不利工况及洞门圈内冻结管拔出时加热化冻影响,计算冻结壁厚度时,冻结壁仍按-10℃冻土强度参数取值。
  3.1.3长孔水平冻结
  所谓的“长孔”是指能够满足盾构进洞过程中注浆“打环箍”要求的冻结孔长度,通常约5m~10m,如图4所示,形成近似于“杯筒状”冻结壁,冻结管入土长度能够覆盖盾构机应急注浆孔或包裹住“盾构机+1环管片”。外圈冻土帷幕(“杯桶”)和冻结板块(“杯底”)的冻结参数应区别对待,可参照单圈冻结和短孔水平冻结取值。
  适用于盾构进洞工程,施工过程需加强质量管理,避免外圈冻结管发生断裂现象,进洞过程应采取加盐等“防冻”措施,防止盾构机被冻住。
  冻结加固的目的为“承载”+辅助“封水”,外圈的“杯桶”形冻结壁并不能阻止盾尾纵向来水,需要在“杯桶”内“打环箍”达到封水效果,“杯桶”的存在保障了“环箍”的有效可靠性。
  3.2垂直局部冻结
  垂直冻结即在地下连续墙外侧布置若干排与盾构推进方向垂直的冻结孔,当盾构进洞或出洞时洞门圈范围内的冻结孔需拔除,加固范围为洞门圈外上下左右各约3.0m,如图5所示。
  垂直冻结需要占用端头井外一定场地,一般布置2排或3排,排间距0.8m~1.3m,每排孔间距0.8m。
  对于盾构出洞,适用于洞门圈底部冻结加固范围内无承压或微承压含水层的工程;对于盾构进洞,当存在承压或微承压含水层时,宜辅助“水/土中进洞、钢套筒、泡沫混凝土”技术措施。
  冻结加固的主要目的为“承载”,通常将冻结壁简化为简支弹性圆板、依据所受水土荷载计算所需冻结壁厚度;同水平冻结一样,计算冻结壁厚度时,冻结壁仍按-10℃冻土强度参数取值。
  3.3垂直局部冻结+水平冻结
  在洞门圈底部布置了水平冻结孔,适用于洞门圈底部冻结加固范围内存在承压或微承压含水层的情况,水平冻结孔可以布置成弧形,如图6(a)所示,与垂直冻结孔交错布置,防止承压水沿洞门圈内垂直冻结管上拔后的空洞上涌;水平冻结孔也可以布置成一排,如图6(b)所示,垂直冻结与水平冻结相互搭接,共同形成完整冻结壁。
  冻结加固的主要目的为“承载”,适用于盾构出洞冻结加固工程;当洞门圈底部承压或微承压含水层距离较远(>2m)、可以排除盾尾纵向来水时,可用于盾构进洞冻结加固工程。
  4.结语
  盾构进出洞加固方案的选择应结合工程地质条件、周围环境条件、盾构进出洞施工筹划等综合考虑,确保安全可靠,又兼顾经济合理性。
  (1)盾构进出洞工法多、加固形式多样,但其核心是满足两大功能要求:承载、封水,对于特定工程需根据功能需要确定加固方式;
  (2)冻结法是富水软土地层中盾构进出洞的主要加固方法,采用冻结法前要考虑冻结法的适用性;
  (3)冻结法加固形式多样,各种加固形式适用于不同的工况条件(地层条件、工艺条件等),对于特定工程,要进行技术、经济比较选用合适的冻结加固形式。
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  作者简介:
  李文勇,男,1974年9月生于湖南省沅江市,同济大学岩土工程专业硕士,高级工程师,现任上海轨道交通十八号线发展有限公司付总经理兼总工程师
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