冷冻法端头加固盾构水土环境中到达施工工法

冷冻法端头加固盾构水土环境中到达施工工法

中铁二局股份有限公司城通公司

1.前言

目前，地铁建设的土压平衡软土盾构隧道进洞中有较多种方案可供选择，主要是采取土体改良方式满足洞门凿除的条件，再辅以井点降水、止水帷幕等其他措施防止盾构机在进洞过程中出现漏水漏砂，同时在洞门圈周边以弧形钢板、喷射混凝土、充气气囊等方式进行封堵洞门圈与盾壳和管片之间的间隙，实现盾构进洞。常规盾构进洞方案，主要思路为采用适合的洞门区域加固方式，保证洞门凿除的安全需要和盾构进洞过程中周边间隙封堵的有效性。

杭州地铁1号线富春路站站至秋涛路站区间富春路站段头井周边环境复杂，且受承压水影响，传统盾构进洞方法无法满足加固范围需要，采取端头井垂直冷冻加固+端头井水土回填方式进洞取得了较好的技术、社会及经济效应。

2.工法特点

2.1 施工安全性高，采用冻结法保证洞门凿除时不产生水土流失，在洞门凿除后利用工作井内回填水土使洞门内外介质一致，控制了盾构进洞安全风险。

2.2 针对受承压水影响地层，较好的平衡了洞门内外水压。

2.3在全砂性地层冷冻加固均匀性优于普通水泥加固方式。

3.适用范围

本工法适用于易出现涌水涌砂风险高的软土地层的盾构进洞。

4.工艺原理

冷冻法水土进洞包含3个方面，一是垂直冷冻加固、二是水土回填、三是盾构进洞。

图4-1 盾构水土进洞示意图

垂直冷冻加固+水土回填即：在工作井外利用冻结孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻结帷幕。利用冻结帷幕的自稳性进行洞门凿除，之后端头井内水土回填，使连续墙内外水土平衡，盾构土中进洞。进洞完成后于连续墙及内衬墙范围内的管片上通过双液注浆机反复压注水泥浆封堵管片与连续墙、内衬墙之间的流水通道，使管片和端头井结构行成整体，注浆完成后进行端头井内水土挖除、盾构外运。

5.施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺流程

施工准备→平台搭设→测量定位→冷冻法施工→洞门复测及盾构姿态优化→接收基座施工→洞门探孔检查→洞门凿除→水土回填→提升冻结管→盾构进洞→水土挖除→洞门封堵→盾构解体。

图5.1-1 施工工艺流程图

5.2 操作要点 5.2.1场地布置

冻结站布置在进洞口地面，占地约160平方米，共使用两台机组进行冷冻施工，两台机组并联安装，万一一台冷冻机出现故障，可启用备用冷冻机供冷应急，如下图所示。

清水箱

冷冻机 ②控制柜②

冷冻机 ①

控制柜①

电箱位置 （3只）

冷却塔

冷却塔

盐水箱

盐水泵

图5.2.1-1 冷冻机组平面布置图

5.2.2冷冻施工

冻结孔施工完成后，统一加压测试，所有管道合格方可进行冷冻施工，具体冻结参数如

下：

（1）冻结7天盐水温度降至-20℃以下，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃。

（2）维护冻结期温度为-25℃～-28℃；

（3）外围冻结孔终孔间距Lmax≤1200mm，冻结帷幕交圈时间为20天，达到设计厚度时间为35天。

（4）积极冻结时间为35天。

（5）冻结孔布置45个，冻结管总长度为1193.625（1292.140）m。

（6）测温孔布置3个，深度为26.0～27.0m。

洞门凿除时冷冻须达到的指标为：

表5.2.2-1 冷冻加固洞门凿除参数表

5.2.3洞门复测及盾构姿态优化

盾构水土进洞时，如果由于盾构姿态的偏差而是盾构卡在洞门处，盾构将无法进洞；因此对洞门进行复测及盾构姿态进行优化是必须要做的一件事情。

在洞门复测完成后，使盾构尽量向洞门中心线拟合，确保盾构顺利进洞。

5.2.4接收基座施工

由于盾构进洞采用水土回填作为安全保障措施，盾构进洞后需继续推进。为防止盾构进

洞后刀盘与接收架钢轨接触后发生固死，盾构接收井基座改用现浇早强C15素砼平台做为盾构进洞接收基座。素砼接收平台采用U型结构，顶标高与洞门钢环持平。在洞门凿除前，进行接收基座素砼浇注。

5.2.5探孔检查

为检查冻结效果，在洞门凿除之前，在洞门连续墙上钻若干探孔以检查积极冻结效果。采用高精度的温度计或测温仪进行量测，要求各探孔实测温度必须低于-5℃。当通过探孔实测温度与水平测温孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁，探孔深度1.04m（打穿连续墙，深入土体4-5cm），探孔平面布置图如下图所示：

图5.2.5-1 井内洞门冷冻探孔布置图

5.2.6洞门凿除

通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，分两层破除井内洞门连续墙。

5.2.7水土回填

待洞门凿除完成后，立即对端头井进行水土回填，回填深度按照场地最高潜水水位计算。填土通过挖机将其放至端头井内；水直接接驳富春路站的水源。在水土回填之前，先向端头井内回灌深度为3m的水，防止在填土时冲击力过大。挖机采用普通PC200型挖机。

填料采用和端头井外原状土类似的粉土粉砂土。

5.2.8提升冻结管

在盾构距离洞门8环处，开始提升洞门范围内冻结管（冷冻管已提前6小时进行热水循环解冻），冻结管只需提升至洞门圈以上20cm即可。

5.2.9盾构进洞

进洞前对盾构机进行一次检修，并安装蒸汽发生系统，之后洞门范围内冷冻管提升，盾构开始推进，在盾构机推进到冻土区需注意以下几个要点：

1、冷却系统：直接接入Φ50的PVC管，从而可以根据水温情况向冷却水箱内添加或换水，或采用土箱储水。

2、加泥系统：利用加泥泵进行向前舱加水流量调节，根据需要进行加水。

3、刀盘系统：拼装过程中，仍然继续旋转，若有必要要停，每次刀盘停止不能超过2分钟，若遇到刀盘扭矩等原因而停止转动，必须在3分钟内解决问题。

4、螺旋机：采用间隙性反转，每次间隙不超过3分钟

5、拼装机：主要检查油压，油管备件。

6、其他系统：进洞前，彻底保养一次，并添加液压油（视需要适量添加）。

7、后配套设备

全部彻底保养一次，对运输系统的所有刹车性能进行调整。运浆系统的密封进行更换。

在盾构过完冻土后开始在端头井内推进，由于事先在端头井及洞门圈范围内施作了砂浆垫层，故盾构机不会发生磕头现象。

在盾构进洞过程中，主要有如下几个步骤。

1、步骤一：盾构在进入加固土体前进行机械全面检修，在盾构进入冷冻体之前必须完成盾构机的检修，并安装蒸汽发生系统。

2、步骤二：盾构刚进入加固区推进