水平冻结法在城市危楼环境下盾构进出洞施工中的应用

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摘要：冻结法作为地基加固的一种措施，已被广泛应用于复杂地质条件下的市政隧道工程建设。本文结合无锡地铁隧道盾构进出洞在复杂地质条件和危险建筑物下的水平冻结加固施工，介绍水平冻结地基加固的施工背景、技术要点、施工方法、流程及在冻结施工前期的地层扰动处理、冻融后的地层融沉处理等，为同类工程施工提供参考。

关键词：水平冻结城市危楼下盾构施工施工技术地层扰动及融沉处理

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

1 工程概况

1.1 工程简介

无锡地铁1号线08标工程包含【无锡火车站站～胜利门站】盾构区间和【胜利门站～三阳广场站】2个盾构区间，其中：【胜利门站～三阳广场站】盾构区间主要在中心老城区穿行，出胜利门站后下穿新雅都大酒店、中山北路改造5号房、侧穿中山北路4号房转向中山路，之后沿中山路一路直行向南进入位于市区的三阳广场站，区间隧道工程包括胜利门站进出洞地基加固，进出洞均采用水平冻结加固。

1.2 地质描述

1.2.1 地基土的构成与特征

胜利门站南端头盾构隧道埋深7.4m,隧道上部地质情况从上到下依次为(1)1杂填土、(3)1粘土，隧道穿越地层为(3)2粉质粘土、(3)3-1粉质粘土和(3)3粉土夹粉质粘土，隧道底部地层为(5)粉质粘土。

1.2.2水平冻结周边施工环境

胜利门站南端盾构进出洞加固区域右线上方现状为绿洲商场（地上3～8层，地下1层、柱下独立基础，框架结构、柱基与地下室底板同时浇筑，结构基础底与隧道结构顶垂直高差3.706m）、左线上方现状为新雅都大酒店（建于1993年，地上“4+1+1”共6层分三次加盖、无地下室、柱下独立基础、结构基础底与隧道结构顶垂直高差约4.21m）。

图1-1新雅都大酒店实景图 图1-2绿洲商场实景图

2 施工方案选取

根据本工程地质特征、盾构施工周边环境及其他施工条件，采用“工作井内水平钻孔冻结加固”的施工方案，即：在工作井内利用水平冻结加固地层，使盾构机及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好、圆柱加板块的冻结帷幕，保障盾构进洞的安全。同时为了减少冻结、盾构施工过程中产生的沉降对地表建筑物的影响问题，在洞圈上方布置了泄压孔和管棚桩。

2.1 盾构进（出）洞冻结加固技术要点

根据以往地铁隧道盾构进（出）洞工程水平冻结加固施工的经验，提出以下技术要点：

㈠ 所有冻结孔、测温孔、泄压孔在施工时需要有可靠的孔口防喷装置（球阀及密封装置）或者改进钻孔施工方式,确保施工安全及减少地层水土流失。

㈡ 为保证盾构进（出）洞的安全、可靠，应预先开始冻结孔的施工及施工洞门的积极冻结。通过检测土体温度、计算土体的平均温度和冻结壁厚度等达到设计要求，再进行槽壁破除和盾构进洞施工。

㈢利用泄压孔和管片上注浆孔进行后期融沉和跟踪注浆（进、出洞区域的管片可考虑增加注浆孔），减少融沉。

㈣ 采用间歇式冻结方式控制冻胀融沉。

2.2 水平冻结的冻土墙形式

根据盾构进出洞冻结的要求，采用从端头井的洞圈内、外布置水平冻结孔冻结土体，以使洞圈外侧及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好、圆柱加板块的冻结帷幕（见图2-1）。

图2-1水平地层加固冻土墙

2.3 冻结孔布置

根据冻结帷幕设计，左右线冻结孔按冻结设计图布置，冻结孔数56个，实际孔位布置见下图。

图2-2冻结孔位实际布置图

圆柱体冻结孔沿开洞口φ8.0m圆形布置。外圈孔开孔间距为0.78m，冻结孔数33个，并在外圈冻结孔上部布设10个泄压孔。板块冻结孔沿开洞口φ5.4m、φ2.7m圆形布置。其中中圈孔开孔间距为1.123m，冻结孔数为15个；内圈孔开孔间距为1.171m，冻结孔数为7个；开洞口中心布设1个冻结孔。

表2-1冻结孔布置参数表

3 冻结施工工艺

3.1 施工流程

根据盾构进、出洞的工期安排，日常监测冻结数据分析冻结帷幕交圈、冻土与槽壁胶结情况，并理论计算冻结帷幕达到设计强度后；再施工探孔，根据探孔无泥、水流出时，证明达到设计冻结要求后，再破除槽壁，槽壁破除过程中土体继续加强冻结。

水平地层冻结加固和盾构进、出洞的主要施工工艺及顺序见图3-1。

图3-1水平地层加固和盾构进、出洞的主要施工工艺流程

3.3 冻结孔施工

冻结管选用ф89×8mm,20#低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。本次冻结施工中的冻结管为避免盾构推进区拔管断管现象，推进区内的冻结管由以往的1m、1.5m焊接而成改为一根冻结管由一整根钢管组成，即推进区冻结管设计长3.8m，冻结管打设时用加工成4.3m一根完成，大大减少了施工的焊缝，避免了由冻结管焊缝多引起的冻结断管、拔管断管的问题，增加了盾构进、出洞的安全性。

3.3.2 钻孔设备选型

由于此次施工环境的风险性，施工时需要减少地层扰动，以控制地表及建筑物的沉降，这就需要在钻孔时减少甚至确保地层无泥水流出，所以和以往的钻孔设备不同，选用夯锤进行钻孔施工，在施工时加装大球阀和密封盒，保证钻孔施工中无泥水流出。

3.3.3 钻孔施工技术要求

㈠ 冻结管、测温管管材采用20号优质碳素结构钢。

㈡ 钻孔最大偏斜值不得大于150mm，外圈孔不宜内偏，且所有钻孔均应进行终孔测斜，并绘制钻孔偏斜图和各钻孔位置成孔图，据此确定是否补孔及补孔位置。

㈢ 冻结管下放后应进行水压试验，试验压力为0.8MPa，经试压30min内压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力不变为合格。

㈣ 冻结管下放长度不得小于设计深度，不大于设计深度50mm。

3.3.4 冻结孔钻进与冻结器安装

㈠ 定位开孔及孔口管安装

根据设计在槽壁上定好各孔位置。首先确定孔位，再用开孔器（配金刚石钻头取芯）按设计角度开孔，开孔直径132mm，当开孔深度达到600mm时停止钻进，取出岩芯，安装孔口管，孔口管的安装方法为：首先将孔口处凿平，安好四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝、涂抹密封材料后将孔口管砸进去，用膨胀螺丝固定，固定后，装上DN100球阀，再将球阀打开，用开孔器从球阀内开孔，开孔直径为91mm，一直将砼墙开穿，这时，根据地层内的水砂流量情况，应及时控制好好阀门。如图3-2：

图3-2钻孔孔口密封装置图

㈡ 按设计要求调整好夯锤位置，并加以固定，在孔口管上安装旁通阀和密封装置。

㈢ 为了保证钻孔精度，开孔段是关键。要反复校核开孔机角度，以保证后续水平钻孔质量。

㈣ 冻结管下入钻孔内前要先配管，焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度。下好冻结管后，并用测斜仪测斜，冻结管长度和偏斜合格后进行打压试漏。

㈤ 在冻结管内下入供液管，供液管按照下管尺寸严格控制，下管完成后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

3.4 冻结运转

3.4.1 冻结系统试运转与积极冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙发展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，设计冻结时间35天（实际以现场检测冻结壁厚度、强度达到设计要求为准），达不到设计要求，应延长积极冻结时间。

3.4.2 探孔

实测冻土墙温度达到设计值后，在紧挨隧道洞口的工作井井壁上用Φ38mm金刚石取芯钻打设探孔，判断冻土墙与槽壁之间完全胶结后方可开始槽壁破除。盾构机进、出洞完毕后即可停止冻结。

图3-3 冻结洞门及探孔实景图

3.5 盾构进、出洞

3.5.1 盾构进、出洞技术要求

㈠ 盾构进洞必须在确认冻结壁厚度、平均温度达到设计要求后进行。

㈡ 控制盾构机推进速度，使盾构机在冻结完成后进入冻结区，当盾构机进洞在距离杯底冻结壁3.0m时停止推进，当冻结壁积极冻结已达到35天，且通过测温孔测温确定冻结壁厚度、平均温度达到设计要求，冻结壁与连续墙完全胶结，交界处测点平均温度小于-5℃时可以开始槽壁破除。

㈢ 基坑内衬、连续墙部分凿除，预留的连续墙厚度不小于0.3m，确认冻结壁发展良好，连续墙后无未冻土后将剩余连续墙凿除。

㈣盾构机范围内的冻结管拔出后，进、出洞盾构机继续向基坑连续墙方向推进，盾构机穿越冻结壁过程中保持盾构机持续运转，必须停机时应使盾构机刀盘间歇运转，以防刀盘被冻住。

㈤热盐水温度宜控制在+50～+70℃，冻结站内的冷、热盐水箱应分别设置，并应有方便的冷、热盐水关闭与开通的切换装置。

3.5.2 拔管与盾构机始发（接收）

盾构机准备接收前必须对所有设备进行检修,维护,保证盾构处于良好工作状态。当通过测温孔测温确定冻结壁厚度，平均温度、胶结点处测点温度等达到设计要求后，连续墙部分凿除,预留的连续墙厚度不小于0.3m，且保留外排钢筋。此时洞圈内的冻结管可以拔除,拨管的同时盾构机继续向连续墙方向推进,盾构机范围内的冻结管全部拔除后，盾构机继续推进,到达冻结壁边缘时停止,等待连续墙全部凿除完后,盾构机推过冻结壁接收：

㈠ 拔管顺序：拔盾构接收口内的N圈孔，先拔N圈的同时Z圈、W圈孔继续冷冻。 N圈孔拔完后开始拔Z圈孔，拔孔时要间隔拔除，未拔除的相临孔继续冷冻。

㈡ 拔管方法：用热盐水循环解冻5～8分钟后，利用一个3吨手拉葫芦挂住冻结管，水平向外拉冻结管，热盐水温度宜控制在+50～+70℃，冻结站内冷、热盐水应分别设置,并有方便的冷、热盐水关闭与开通的切换装置，同时冻结管要与手拉葫芦栓接牢固，防止拉滑崩裂倒链，具体操作如图3-4。

㈢ 拔管时间：从第一根水平冻结管拔除到内圈全部拔完,总时间应控制在1天以内。

图3-4 拔管示意图

3.5.3 破壁及盾构穿越冻结区的保证措施

㈠ 温度控制

为了保证盾构能够推进，因此盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制，冻土温度通过测温孔得到。我们控制盾构外周的冻土温度不低于－5℃。

最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构接收或始发施工。

㈡ 打设槽壁探孔

通过测温孔监测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，当槽壁破壁厚度还剩下不小于300mm时，然后在冻结薄弱处打不少于3个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔在两测温孔之间布置，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用风镐进行凿窝，窝直径100mm，窝深在100～300mm，探孔打好后，即可用电锤穿透探孔内剩下槽壁，最终探孔进入冻土内深度控制在10～15cm。采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于－5℃。

㈢ 槽壁凿除

当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后，方可拔管，然后将槽壁全部破除，最后一层破壁时间不宜超过3天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。最后一层破壁须注意破除的槽壁碎块砸破冻结软管，造成盐水泄露，影响冻结帷幕，造成不良后果。

3.6 冻胀融沉注浆控制

3.6.1 冻胀融沉控制技术要求

㈠积极冻结期间需密切监测地面变形及泄压孔压力当一天隆起0.5mm或卸压孔压力大于0.15Mpa，打开卸压孔释放冻胀压力，效果不明显时通过挤出孔用螺旋钻机取土泄压。

融沉注浆应配合测温孔测温及隧道变形监测进行。利用盾构隧道管片上的预留注浆孔和冻结孔上部的泄压孔做为地层融沉注浆孔。注浆顺序为：隧道底板隧道两侧隧道顶板。

㈡ 融沉补偿注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅。水泥-水玻璃双液浆配比为：水泥和水玻璃的溶液体积比为1：1，其中水泥浆水灰比为1：1，水玻璃溶液采用B35～B40水玻璃加1～2倍体积的水稀释。注浆压力不大于0.5MPa，注浆范围为整个冻结区。

㈢ 当一天隧道沉降大于0.5mm，或累计隧道沉降大于1.0mm时，应进行融沉注浆补偿注浆；当隧道隆起达到2.0mm时应暂停注浆。

㈣ 冻结壁已全部融化，且未注浆的情况下实测地层沉降持续1个月每半个月不大于0.5mm，即可停止融沉补偿注浆。

3.6.2 融沉注浆

融沉注浆利用隧道内预留的注浆孔和地连墙上的泄压孔，采取分层注浆的方法进行处理。融沉注浆遵循少量多次的原则，注浆压力不大于0.5MPa。注浆材料主要为水泥单液浆。水灰比为(0.8～1):1，可根据注浆压力情况进行调整。融沉注浆结束的标志是冻结壁已全部融化，且未注浆的情况下实测地层沉降持续1个月每半个月不大于0.5mm，即可停止融沉补偿注浆。

根据以往施工经验，本次采取以下方法进行跟踪注浆控制融沉：利用管片上注浆孔（在进、出洞区域的上方泄压孔和隧道管片上的注浆孔）进行跟踪注浆，减少融沉。

图3-6融沉处理布孔示意图

4 总结、展望

无锡地铁1号线胜利门站南端头盾构进出洞的冻结加固顺利完成，也充分表明冻结施工在城市复杂环境下的施工优越性。特别是在城市环境的大背景下，地铁盾构进出洞施工受环境限制，特别是在施工区域狭小，地层复杂的环境状况下，盾构进出洞施工风险巨大，为了保证盾构进出洞的安全，冻结法施工是众多地层加固方法中相对安全、可靠的地基加固方法，他对施工环境、区域要求较小，且对地层加固的封水封沙效果明显，但是冻结法施工自身也有一定的缺点，就是冻胀融沉，而冻胀融沉的自然解冻时间也是比较长，后续的地层监测和跟踪注浆就必须跟上。

在将来施工工期、经济条件可行的情况下，可先期对地层改良，降低其含水率，再进行冻结加固，即可取得良好的加固效果，也可减少或降低冻结带来的冻胀融沉，同时也减少冻结施工后期的跟踪监测时间、融沉注浆量。

作者简介：宣永祥 （1983---），男，助理工程师。2007年7月毕业于安徽理工大学，现任职广益新城站区间联络通道及泵站冻结加固项目部，担任项目经理。