冷冻法在盾构掘进过程中更换盾尾刷的应用

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摘要：为了解决杭州庆春路过江隧道西线盾构盾尾漏浆严重，并且此时盾构已经全体进入长江底部地层，无法进行旋喷桩等加固地层防水措施。因此决定采用目前已经比较成熟的冷冻法技术确保西线盾构检查及更换盾尾密封刷施工期间的密闭。通过实践验证了冷冻法是复杂地质条件下盾尾刷更换的一种可行性最佳的方案。

关键词：盾尾刷；更换；冻结法

Abstract：In order to solve the QingChunLu hangzhou west river tunnel shield shield tail leak slurry is serious, and the shield have all into the Yangtze river bottom stratum, unable to jet grouting pile and consolidate the ground waterproof measures. Therefore decided to use has been more mature of freezing technique to ensure that the west shield inspection and replacement shield tail seal brush construction period airtight. Through the practice verify the freezing method is complicated geological conditions of the shield tail brush change a feasibility best solution.

Key words: Shield tail brush ；Replace ；Freezing

中图分类号： U455.43 文献标识码： A 文章编号：

0引言

冻结法在国际上已经很普遍，但由于地层冻结机制和冻土机构物理力学性质的复杂性，还难以形成统一的设计方法和规则。目前，我国地层人工冻结技术在人工冻结凿井中得到了广泛的应用，在城市地下建筑以及隧道等工程中还远未达到普及，主要是理论和技术储备还有一定的差距，特别是随着施工深度的增加，遇到的问题也越来越多。因此，完善和发展地层人工冻结理论和工程技术体系不仅具有重要的社会效益，而且具有良好的经济前景【1】。

据统计，在盾构的长距离掘进过程中，作为盾构机主要密封部件之一的盾尾刷却是非常容易损坏而且难以修复的。经统计，在花岗岩地层中，盾构掘进1000m后，盾尾刷的密封将大部分失效，特别是经过较小半径转弯段掘进后，盾尾左右两侧尾刷将严重磨损【2】。

杭州庆春路过江隧道西线盾构盾尾刷通过冻结法对周围地层进行加固并达到密封圈，通过拆装管片对现有盾尾密封系统进行必要的检查及更换。本次冻结法成功的运用，值得借鉴。

1工程概况

庆春路过江隧道是杭州市实现西湖杭州到钱塘江杭州跨越发展的重要组成部分，是杭州市重点建设工程。本工程隧道起点自杭州市江干区庆春东路一新塘路交叉口，向东穿越钱江路、富春江路后直至江边，过江后继续沿线路方向接江南萧山侧市心路，主线于滨江一路交叉口北侧（K3+440）预留与钱塘江世纪城综合地下空间的接口。本工程东线隧道长3025m，西线隧道长3022m；盾构隧道总长3532.64单线米，其中东线长为1765.72m，西线长1766.92m，而钱塘江底段约1241m。

西线盾构机从始发至7月26日之前，盾尾密封状态基本良好，基本未出现过漏浆现象。但之后出现三次盾尾漏浆，工程风险存在重大隐患，不宜继续推进。

2方案确定

项目部专门请公司相关专家来现场进行诊断，专家从盾构施工的各个方面进行了分析，最终一致认为：根据现场设备状况，初步判断盾尾密封存在失效的可能，为了确保工程安全，在采取地层固结措施的前提下，对现有盾尾密封系统进行必要的检查，根据检查结果，采用更换或更换+增加盾尾刷的措施，保证后续盾构施工安全掘进。

3施工方案

本工程封水处理可用注浆法和冻结法，注浆具有不确定性，难于确保封水效果，且目前管片上无注浆孔，不宜选用；冻结法加固分为液氮冻结和盐水冻结两种，盐水冻结即用循环泵将盐水送入冻结管，经低温盐水长时间连续地吸取管外的热量，使周围地层冻结，但耗时较长，总工期约需两个多月；液氮冻结无需建立冻结站和维护制冷工序的循环系统，液氮在冻结器内气化吸热后，气氮经管路排向地面，释入大气，与盐溶液人工冻结法相比，液氮冻结具有冻结速度快、冻土强度高等优点。因此经比选采用液氮冻结法加固。

盾构机同步注浆及逐步推进到盾构机能够检查更换第一道尾刷位置在最后一道盾尾刷位置砼管片上周圈钻垂直于管片的钻孔利用液氮在管片与盾壳之间形成一个封闭的冻结环，达到封水的效果检查冷冻封闭情况封闭满足要求后拆除已安装的管片检查第三道尾刷根据检查情况采用更换尾刷或更换恢复正常掘进增加尾刷。

3.1检查尾刷时盾构位置的确定

盾构机目前位置的地质主要以粉质粘土地层为主。岩土工程勘察报告表明，粉质粘土地层的自稳性较好，但是由于盾构底部已经进入粉质粘土夹粉细砂及粉细砂地层，该地层地下水丰富，且为承压水，地层渗透系数大，对盾构机检查盾尾密封具有非常不利影响，是盾构检查尾刷的重大风险源之一。经过综合考虑后，结合目前西线盾构机停机位置地质情况，在目前的124环停机位置采取冷冻固结的方法进行地层加固。即检查更换盾尾刷位置确定在第124环。

目前124环掘进到油缸行程为1358mm(平均值)时已经停止掘进。这时倒数第一环的管片已通过第一道密封刷，达到检查及处理第一道尾刷需要的位置。如图1所示。

图1掘进到检查及更换尾刷的状态

3.2液氮冻结方案设计与计算

3.2.1冻结孔设计

拟采用36个冻结孔，分5组；孔深至盾构机外壳处。冻结孔开孔间距0.9mm，终孔间距为1.1m，孔深1.1m，进入土层0.6m，进气管为内径40mm低温不锈钢软管，290米长；排气管为内径108*5的R304不锈钢管，290米长。冻结孔严禁碰到止浆板，不能打坏盾尾外壳。冻结方案如如图2所示。

图2 冻结孔、测温孔及预计冻结壁示意图

3.2.2制冷设计

液氮冻结的关键环节为温度控制，根据以往液氮冻结的经验，液氮储罐出口的温度控制在-150℃～-170℃，压力控制在0.05MPa～0.10MPa为宜，冻结管出口温度控制在-50℃～-70℃，压力控制在0.05MPa～0.1MPa为宜，压力调节可使用液氮储罐上的截止阀，温度调节使用每组回路中散热板。

3.2.3液氮需要量

冻结体积为：约115m3。

每立方米冻土约需液氮1500Kg，则总需液氮量1500×115×1.3=224250Kg。

维护冻结按24小时计算，每组每小时约200 Kg,共分5组，每天维护冻结需液氮量24×200×5=24000Kg，盾尾刷更换时间暂定20天，即维护冻结总时间20天。

初步估计液氮消耗量，封水总共消耗量：224250+24000×20=704250Kg≈705（T）。

3.2.4冻结时间估算

液氮冻结由于温度极低，冻土的发展速度也较快，根据液氮在冻结管中单位时间的蒸发量不同，冻土的发展速度约在1～5cm/h，根据以往工程的施工经验，取冻土的发展速度为10cm/天。

冻结帷幕要达到完全封水效果冻土的发展半径为700mm，考虑钻孔的偏斜，冻土的发展半径为850mm，距此推算冻结时间为:

T=850/100=8.5天

为确保效果，需冻结9天，再通过测温孔的测温判断，方可进行拆管片。

3.2.5冻结壁受力分析

由于该工程复杂，土层条件差，为了确保施工过程万无一失，现对该工程冻土帷幕进行强度验算。对冻土帷幕采用有限元分析软件ADINA进行了应力场分布情况的三维有限元数值分析，并根据计算结果进行了强度验算。

（1）计算依据

①工程地面环境、地质状况；②设计的冻结加固帷幕；③对于平均温度为－15℃的冻土，根据从南京、苏州和杭州取土进行的冻土试验，按经验冻土强度指标取为单轴抗压强度5.0MPa，抗弯（拉）强度2.0MPa，抗剪强度1.5MPa。

（2）计算模型

1）基本假设

计算中基本假定如下：①冻土帷幕为-15℃的等温体；②冻土为Mohr-Coulomb模型材料。

2）模型材料参数

模型材料的力学参数见表1。

表1 -15℃的冻土采用参数

（3）荷载

本工程计算荷载分为两种情况：①作用在冻土帷幕上的压应力都考虑30米高的水头，即300kpa的承压水压力；②仅在加固范围下部靠近承压水部位施加300kpa的承压水压力。

其它压应力均按土体自重荷载换算得出。

（4）数学模型

本数值模型直接建立冻土帷幕进行计算，冻土帷幕形状大致为一圆环柱状，圆环柱状长度为1.8m，圆环厚度为1.0m，考虑盾尾刷位置的注浆油脂冻结效果不佳，故在圆环柱状冻土帷幕前部分0.52m的区域取圆环厚度为0.8m。坐标原点位于隧道中心，z轴与隧道轴线平行， y轴为竖直方向。

本模型冻土帷幕形状大致为一圆环柱状，冻土帷幕与盾构和管片接触的地方即圆环柱状内表面考虑为刚性约束，即圆环柱状内表面x、y、z方向均约束。

（5）按照冻土帷幕平均温度－15℃，冻土强度指标取单轴抗压强度5.0MPa，抗弯强度2.0MPa，抗剪强度1.5MPa。对本工程的冻土帷幕进行了ADINA三维数值分析，根据分析结果可得出如下结论：计算出来的主应力和剪应力的最大最小值都较小，计算得出拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2，可见其安全储备得以保证。

3.3温度检测

（1）设置6个测温孔监测冻结温度场，为判断盾尾刷更换时机提供依据。C1、C3、C5测温孔中各布设两个测温点，C2、C4、C6中各布设6个测温点，具体孔位如图5所示。直接打入底端密封的φ76×5钢管作测温孔，用钢丝将热电偶探头引至设定位置处，确保测温点埋设位置。测温孔施工严禁碰到盾尾刷和盾尾外壳，并确保各测温孔的垂直度。

（2）更换盾尾刷期间，当管片拆除后在仅靠剩余管片端部埋设测温点，每个管片各埋设一个测点，共9个测点，以掌握焊接前后盾尾壳的温度，为是否采取和如何采取隔温措施提供依据，以确保盾尾刷焊接质量和防止冻土壁升温。

（3）监测频率为每天一次，预计共需40次，并及时提供温度场的发展情况。

（4）监测各组进、出气口温度。

3.4冻结封水、更换盾尾刷具备的条件

（1）液氮冻结时间达到或超过7天，液氮冻结效果达到设计要求。

（2）根据测温孔测温推测冻结壁有效厚度达到设计要求1.8米，冻结壁有效冻土平均温度要达到-10℃及以下。

（3）测温孔温度达到零度以下。

（4）盾尾刷更换之前，在承压含水层和粉质黏土层第三道盾尾刷附近管片位置分别开两个探测观察孔，无水流出。

3.5强制解冻措施

盾尾刷更换完成后利用冻结管和管片处冷板进行热水循环，实施强制解冻。在隧道内安放热水槽，采用电热法提供60℃以上热水，盾尾刷更换完成，使盾尾外壳周围解冻后方可进行盾构推进。

3.6冻结施工

3.6.1冻结口施工

钻孔的施工工序为：定孔位及孔口管安装孔口密封装置安装开孔钻孔测量。

（1）在管片上测量放样，确定好各孔位置。

首先确定孔位，按设计角度将直径108L孔口管焊接在开孔位置的钢管片上，装上DN100闸阀，再将闸阀打开，用开孔金刚石钻头从闸阀内开孔钻进，一直钻进土体中，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。

（2）孔口装置安装：用螺丝将孔口装置装在闸阀上，注意加好密封垫片。详见如图3所示。

图3冻结孔孔口装置安装示意图

每一个钻孔都要装孔口装置，以防突发涌水涌砂现象出现，孔口装置保留至冻结完成；若涌水涌砂较厉害，还应注水泥浆（或双液浆）止水。

（3）钻孔：按设计要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，在孔口装置上接上1”阀门，并将盘根轻压在盘根盒内，采用干式钻进。钻机选用MD-50型锚杆钻机，钻机扭矩2000N・M，推力17KN。

（4）冻结管：使用φ89×5、R304不锈钢管，内管及系统连接管路使用φ32×4、R304不锈钢管。

3.6.2冻结系统安装

冻结孔液氮冻结共分5组，分组原则要求每组的冻结孔管长度基本相近。

液氮供用槽车设置在盾构始发井处，利用φ40×4不锈钢管将液氮接至冻结工作面，进行冻结，用φ108×5不锈钢管作为总排气管。

3.7盾尾油脂的补充压注技术措施

在管片上钻取冷冻孔时，为了保证下一步盾构推进的安全可靠，减少盾尾漏浆的可能性，更好的保护盾尾密封，需要进一步对盾尾密封系统填充油脂。

盾尾油脂补充压力的控制：P第一道油脂腔压力>P第二道油脂腔压力>P第三道油脂腔压力>P同步注浆设定压力>P1.2倍地层水土压力和，以保证盾构油脂的填充饱满。

在盾尾油脂补充压住以控制注入量为主，控制注入压力为辅。

油脂注入饱满度的确认，当油脂注入达到每区段理论空隙量的200%，可认为盾尾油脂注入达到饱满。注入油脂过程中操作人员应做好相应记录。

3.8盾尾刷的检查、更换及增设

拆除管片前，必须再次确认盾尾后部冷冻密封情况、同步注浆量、盾尾油脂注入量。观察管片背后盾尾情况，检查盾尾是否有漏浆现象。确认冷冻密封固结效果良好后，由现场总指挥下达拆除管片指令。采用只同时拆除2块管片的方式逐块检查及更换盾尾刷。在检查盾尾刷情况后，需要增加一道盾尾刷以确保盾构机后续掘进中的安全时，进行增加盾尾刷的工作。

4结论与体会

通过对杭州庆春路过江隧道西线盾尾密封钢丝刷更换实例成功，未出现渗水等风险问题，确定了冻结法在更换尾刷方面的可行性和可靠性。该方法投入时间短，应用于埋深较大，周围土层中含水量较大的地层可有效开展尾刷的更换工作。

参考文献：

【1】程烨尔.特长隧道盾尾钢丝刷更换冻结法施工方案与技术研究：【硕士学位论文】同济大学土木工程学院.2009.

【2】吴秀国.长距离隧道施工过程洞内修复盾构尾刷技术.广州建筑，2006，（4）：25~27.