鹽水凍結(jié)法在盾構(gòu)出洞土體加固中的應(yīng)用

趙宏威

(中鐵十三局集團(tuán)第三工程有限公司,110000,沈陽(yáng)∥工程師)

盾構(gòu)出洞施工中最重要的一環(huán)是對(duì)端頭井加固。盾構(gòu)出洞施工時(shí),當(dāng)井壁封門(mén)拆除后,如封門(mén)后土體不能自立,井外水、土將不斷從洞圈與盾構(gòu)或隧道之間的間隙涌入井內(nèi),輕則造成洞口周?chē)竺娣e地表下沉而危及地下管線及附近建筑物,重則導(dǎo)致工作井被淹。分析國(guó)內(nèi)許多出洞施工失敗案例,發(fā)現(xiàn)其失敗的原因大多是土體加固效果不佳、土體穩(wěn)定性差,導(dǎo)致盾構(gòu)出洞時(shí)發(fā)生涌水、涌砂,最后導(dǎo)致事故發(fā)生[1-2]。因此,必須對(duì)盾構(gòu)出洞口附近一定范圍土體進(jìn)行有效加固,使其強(qiáng)度提高、透水性減弱,并保證出洞期間洞口土體具有自身保持穩(wěn)定的能力。端頭井加固的方法很多,如注漿加固、深層攪拌樁加固、旋噴樁加固、凍結(jié)加固等。每種方法有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍,只有根據(jù)土層和周邊環(huán)境選擇合適的加固方法,才能達(dá)到滿意的效果[3-4]。鹽水凍結(jié)法在工程中已得到廣泛的應(yīng)用,特別是在礦山工程及地鐵工程的建設(shè)中[5]。本文著重介紹鹽水凍結(jié)法在某盾構(gòu)隧道出洞土體加固中的應(yīng)用。

1 工程概況

某盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊連接塊和1塊封頂塊構(gòu)成。其管片內(nèi)徑為5.5 m,厚度為0.35 m,采用錯(cuò)縫拼裝,接縫防水采用彈性橡膠密封墊+嵌縫材料。該隧道采用φ6 340 mm加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工,出洞時(shí)洞口的中心埋深為12.865 m。盾構(gòu)主要穿越③5粉砂夾粉質(zhì)黏土和③6粉砂層。圖1為出洞段地質(zhì)剖面圖。表1為盾構(gòu)穿越各主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)。

圖1 某盾構(gòu)出洞土體地質(zhì)剖面圖

表1 盾構(gòu)穿越土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 凍結(jié)設(shè)計(jì)

2.1 凍土基本參數(shù)計(jì)算

根據(jù)出洞段的水文地質(zhì)資料,設(shè)計(jì)凍土墻平均溫度為-10℃。該土層凍土的各參數(shù)設(shè)計(jì)取值為抗壓強(qiáng)度 σ壓 =3.5 MPa,抗拉強(qiáng)度 σ拉 =2 MPa,抗剪強(qiáng)度τs=1.6 MPa,并將凍結(jié)加固體按一圓板計(jì)算[6]。

2.1.1 凍土墻厚度的確定

洞口直徑為6.7 m,洞口的中心埋深為12.865 m,洞口的底緣深度H為16.215 m。則洞口底緣的水土壓力為:

假定加固體為整體板塊而承受水壓力,運(yùn)用日本計(jì)算理論計(jì)算加固體(即凍土墻)的厚度:

式中:

h——計(jì)算加固體厚度;

P——水土壓力,0.21 MPa;

D——加固體開(kāi)挖內(nèi)直徑,6.7 m;

β——系數(shù),1.2;

k——安全系數(shù),2.0。

通過(guò)計(jì)算可得凍土墻厚度h=1.68 m。

2.1.2 凍土墻厚度的驗(yàn)算

運(yùn)用我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算理論公式進(jìn)行驗(yàn)算[6]。圓板中心所受最大彎曲應(yīng)力計(jì)算公式為:

式中:

μ——凍土泊松比,0.35。

通過(guò)計(jì)算可知,σmax=1.04 MPa＜σ拉=2 MPa,則其安全系數(shù)k==1.92。

加固體的最大剪切應(yīng)力為:

則通過(guò)計(jì)算可知,τmax=0.209 MPa＜τs=1.6 MPa,其安全系數(shù)k==7.6。

從上述計(jì)算可知,當(dāng)凍土墻厚h=1.68 m時(shí),其彎曲應(yīng)力、剪應(yīng)力均滿足要求。結(jié)合以往凍結(jié)經(jīng)驗(yàn),實(shí)際取h=1.7 m。

2.2 凍結(jié)方案

凍結(jié)加固范圍為洞門(mén)上下左右外側(cè)各3 m,即凍結(jié)深度范圍為地面以下6.7～19.25 m。凍結(jié)孔數(shù)23個(gè),凍結(jié)孔間距為 0.8 m,排間距為 0.7 m,設(shè)計(jì)最大終孔間距為1.2 m,距地下連續(xù)墻墻壁0.3 m;凍結(jié)管選用φ127 mm(厚4.5 mm)的20#低碳無(wú)縫鋼管。測(cè)溫孔3個(gè),深度為9～19.25 m,布置在隧道內(nèi)測(cè)和外側(cè),不布置在盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)。每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)分別放置5條測(cè)溫線(設(shè)置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn))。測(cè)溫點(diǎn)深度距離地表面分別為7 m、10 m、13 m、16 m、19 m;測(cè)溫孔管選用φ45 mm(厚 3.5 mm)的20#低碳無(wú)縫鋼管。凍結(jié)加固示意如圖2所示。鹽水凍結(jié)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖2 凍結(jié)加固示意圖

圖3 鹽水冷凍現(xiàn)場(chǎng)圖片

3 凍結(jié)效果評(píng)價(jià)

3.1 總?cè)セ芈窚夭?/h3>

鹽水總?cè)セ芈窚夭畈淮笥?℃才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖4為總?cè)セ芈窚囟群涂側(cè)セ芈窚夭顖D。

由圖4可知,積極凍結(jié)4 d后鹽水溫度已下降至-18℃以下,積極凍結(jié) 8 d后鹽水溫度下降至-24℃;凍結(jié)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),期間鹽水溫度降至-25～-30℃以下,且記錄表明凍結(jié)管無(wú)鹽水漏失。鹽水總?cè)セ芈窚夭罘€(wěn)定在1.0℃,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 總?cè)セ芈窚囟群蜏夭顖D

3.2 各孔組去回路溫差

凍結(jié)系統(tǒng)各孔組之間,鹽水的去回路溫差不大于1.2℃才滿足設(shè)計(jì)要求。圖5為各孔組回路溫度變化示意圖。圖6為各孔組去回路最大溫差變化示意圖。

圖5 各孔組回路溫度變化示意圖

圖6 各孔組去回路最大溫差變化示意圖

從圖5可知,在積極凍結(jié)10 d后,各組回路溫度基本在-29～-32℃之間波動(dòng)。從圖6可知,在積極凍結(jié)35 d后,凍結(jié)系統(tǒng)各孔組之間最大鹽水去回路溫差為0.5℃;從趨勢(shì)上看,各孔組間的鹽水去回路最大溫差穩(wěn)定在1℃以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 凍結(jié)壁厚度

根據(jù)測(cè)溫孔溫度的變化情況可以推斷凍結(jié)壁厚度的發(fā)展[7]。圖7為1號(hào)測(cè)溫孔內(nèi)不同深度的溫度變化情況。

根據(jù)各個(gè)測(cè)溫孔的測(cè)溫記錄:1#、2#、3#測(cè)溫孔計(jì)算凍土發(fā)展速度分別為55 mm/d、33 mm/d、25 mm/d。根據(jù)上述發(fā)展速度,凍結(jié)35 d后,最慢向外凍結(jié)發(fā)展半徑為r=25 mm/d×35 d=875 mm;而最快向外凍結(jié)發(fā)展半徑為r=55 mm/d×35 d=1 925 mm。取平均發(fā)展速度計(jì)算得凍結(jié)35 d后,發(fā)展半徑為1 300 mm,由此得到的凍結(jié)帷幕厚度最薄為2 236 mm,大于設(shè)計(jì)的1.7 m。因此凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)1#測(cè)溫孔得出凍結(jié)壁平均溫度為-10.17℃,通過(guò)2#測(cè)溫孔得出凍結(jié)壁平均溫度為-10.26℃,均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 1號(hào)測(cè)溫孔內(nèi)不同深度的溫度變化情況

3.4 洞門(mén)孔鉆探檢測(cè)

積極凍結(jié)35 d后在洞門(mén)圈上、凍結(jié)孔布置圈內(nèi)和凍結(jié)薄弱區(qū)范圍內(nèi)各開(kāi)一探測(cè)觀察孔,以實(shí)際觀測(cè)凍土墻的效果。即在洞門(mén)圈內(nèi)以及離洞門(mén)圈周?chē)?.5 m的位置,各開(kāi)一個(gè)探測(cè)觀察孔。開(kāi)孔深度為0.9 m。觀測(cè)結(jié)果顯示,孔內(nèi)土體已凍結(jié),無(wú)水流出,說(shuō)明凍結(jié)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.5 出洞情況

圖8 拔凍結(jié)管

根據(jù)上述分析可知,鹽水凍結(jié)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求,滿足盾構(gòu)出洞要求,故可以鑿除洞門(mén)處的內(nèi)襯墻和地下連續(xù)墻。

洞門(mén)鑿除后,就開(kāi)始拔出凍結(jié)管。圖8為拔凍結(jié)管現(xiàn)場(chǎng)。

拔凍結(jié)管的注意事項(xiàng)如下:

1)拔管要在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入破開(kāi)的地下連續(xù)墻墻壁內(nèi),且安裝好密封裝置后進(jìn)行。盾構(gòu)頭部距凍土墻不小于0.2 m,以防影響拔管。

2)依次先拔第一、第二排盾構(gòu)行進(jìn)區(qū)的凍結(jié)管,不需等到完全解凍。將隧道內(nèi)凍結(jié)管拔至隧道頂板以上0.5 m左右,并作二次凍結(jié)準(zhǔn)備。

3)在隧道范圍內(nèi)所有的凍結(jié)管全部拔出盾構(gòu)頂板以上后,盾構(gòu)方可開(kāi)始推進(jìn),以防盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)損壞凍結(jié)管。

4)待盾構(gòu)全部出洞后,再拔起盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)以外的凍結(jié)管。

5)最后,每拔完一根凍結(jié)管要及時(shí)進(jìn)行填充。在隧道頂板以下充填黃砂,隧道頂板以上填充水泥漿,并添加適量的速凝劑,使其快速凝固,以防止盾構(gòu)在推進(jìn)過(guò)程中泥漿從孔中串出。

4 結(jié)語(yǔ)

1)借用圓板理論,結(jié)合該工程實(shí)際情況,確定了端頭井土體鹽水凍結(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2)積極凍結(jié)35 d后,凍結(jié)系統(tǒng)各孔組之間最大鹽水去回路溫差為0.5℃,滿足設(shè)計(jì)要求。

3)在積極凍結(jié)35 d后,端頭井土體凍結(jié)壁厚度達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,滿足了盾構(gòu)出洞條件。

4)通過(guò)鹽水凍結(jié)法施工后,盾構(gòu)順利出洞,期間未發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象。

[1]秦漢禮.軟弱地層盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)[J].隧道建設(shè),2006,26(B05):15.

[2]王圣濤,石雷,孫成山.深孔注漿技術(shù)在盾構(gòu)始發(fā)端頭土體加固施工中的應(yīng)用[J].廣東科技,2009(6):205.

[3]馬四新.凍結(jié)法在盾構(gòu)始發(fā)和到達(dá)工程中的應(yīng)用[J].山西建筑,2005,31(14):64.

[4]劉瑋.盾構(gòu)始發(fā)洞口攪拌樁加固的設(shè)計(jì)和施工[J].廣東土木與建筑,2003(9):5.

[5]徐兵壯,崔海濤.地層凍結(jié)技術(shù)在地鐵建設(shè)中的應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2001(3):6.

[6]秦愛(ài)芳,李永和.人工土層凍結(jié)法加固在盾構(gòu)出洞施工中的應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2004(11):449.

[7]胡向東,白 楠,余 鋒.單排管凍結(jié)溫度場(chǎng)ТРУПАК和БАХОЛДИН公式的適用性[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(7):906.