盾構(gòu)接收凍結(jié)加固效果分析

付財(cái)

摘 要 以上海地鐵某盾構(gòu)接收凍結(jié)工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)凍結(jié)帷幕厚度和平均溫度等各項(xiàng)凍結(jié)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算分析，并通過(guò)探孔進(jìn)行了檢驗(yàn)。實(shí)踐表明，加固效果滿足設(shè)計(jì)要求，為類似凍結(jié)工程施工提供了參考。

關(guān)鍵詞 盾構(gòu)接收;凍結(jié)法;凍結(jié)帷幕;平均溫度

Abstract Taking the freezing construction of a shield machine receiving as background， and based on the survey datum， every frozen parameter is analyzed， including the thickness and average temperature of frozen soil wall. Testing holes are also checked. The practice shows that the freezing reinforcement effect meets the design requirement， providing reference for similar freezing engineering construction.

Key words Receiving of shield machine; Freezing method; Frozen soil wall; Average temperature;

1工程簡(jiǎn)況

圖1 土層與盾構(gòu)接收加固區(qū)域位置關(guān)系圖

上海市軌道交通某區(qū)間盾構(gòu)接收因加固區(qū)域上方存在已施工的棧橋板，地連墻與水泥系加固體之間的旋噴加固無(wú)法實(shí)施，設(shè)計(jì)首先采用MJS對(duì)車站端頭井土層進(jìn)行加固，而后在夾芯區(qū)域采用凍結(jié)法輔助止水加固以確保盾構(gòu)接收期間的工程安全。

盾構(gòu)區(qū)間與車站分界里程為SK19+735.281（XK19+735.483），隧道中心標(biāo)高上行線隧道中心標(biāo)高-8.743m（下行線-8.743m），地面標(biāo)高約+3.10m。區(qū)間隧道外徑6600mm，盾構(gòu)機(jī)外徑6760mm，盾構(gòu)接收處洞門直徑7100mm，地下連續(xù)墻厚度1000mm，鋼筋混凝土襯砌厚度600mm。MJS加固區(qū)縱向長(zhǎng)度6.0m，加固寬度22.3m，加固深度為洞門頂、底邊緣不小于3.0m。

加固區(qū)域地面為主干道，交通繁忙[1]，加固范圍內(nèi)管線已改遷，涉及土層主要為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土和⑤1-1層灰色黏土，地層具有高含水量、高壓縮性、高靈敏度、低強(qiáng)度等特性，土層與盾構(gòu)接收加固區(qū)域位置關(guān)系圖見(jiàn)圖1。

2凍結(jié)施工參數(shù)及施工簡(jiǎn)況

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)工況條件及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬[1-2]，確定凍土帷幕采用I類凍結(jié)壁，溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)凍土帷幕厚度及平均溫度等施工參數(shù)見(jiàn)表1。

該工程于2019年11月25日開(kāi)始鉆孔施工，12月1日鉆孔施工完成，共計(jì)施工凍結(jié)孔64個(gè)，測(cè)溫孔6個(gè)，成孔經(jīng)測(cè)斜、孔深復(fù)核、打壓試漏驗(yàn)收全部合格，成孔質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

2019年12月2日轉(zhuǎn)入積極凍結(jié)施工工序，實(shí)測(cè)單孔鹽水流量約6m3/h，凍結(jié)第7天鹽水溫度去路降至-24.5℃，凍結(jié)第15天降至-27.5℃，至12月31日積極凍結(jié)30天，鹽水去路溫度-28.5℃，回路溫度-27.0℃，去、回路溫差小于2℃[3]，滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3測(cè)溫孔溫度監(jiān)測(cè)及結(jié)果

該工程共布置6個(gè)測(cè)溫孔，其中T1、T2、T3和T4布置在外圈凍結(jié)孔外側(cè)，T5在中圈凍結(jié)孔和內(nèi)圈凍結(jié)孔之間，T6在中心凍結(jié)孔和內(nèi)圈凍結(jié)孔之間。T1、T2、T3和T4測(cè)溫孔內(nèi)布設(shè)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置分別在1700 mm和3400 mm處。T5和T6測(cè)溫孔內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置分別在1100mm和2800 mm處，測(cè)溫孔布置見(jiàn)圖3。

根據(jù)勘察資料，原狀土地層原始溫度約18℃，受MJS水泥系加固后水化熱影響，測(cè)溫孔實(shí)測(cè)初始溫度最高處達(dá)27℃，降溫速率最慢的測(cè)溫孔T4溫度隨時(shí)間的發(fā)展歷程見(jiàn)圖4。

4凍土帷幕厚度

4.1 凍土帷幕發(fā)展速率計(jì)算

根據(jù)測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)到達(dá)0℃的時(shí)間，可推算其平均發(fā)展速率，進(jìn)而判斷最大孔間距處即凍結(jié)薄弱處的交圈時(shí)間，也可以作為工程上凍結(jié)壁厚度粗略估算的依據(jù)。

根據(jù)以上6個(gè)測(cè)溫孔溫度降至0℃的時(shí)間可計(jì)算得到凍結(jié)發(fā)展速率，考慮最不利工況，取洞圈外發(fā)展速率最慢的T4測(cè)溫孔數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，計(jì)算得出凍土發(fā)展速率為25mm/d，而中圈孔與外圈孔之間凍結(jié)孔最大終孔間距為1164mm，得出凍結(jié)壁交圈時(shí)間為23天，可以判斷凍結(jié)壁已全部交圈。

4.2 凍土帷幕厚度計(jì)算

（1）洞圈內(nèi)凍結(jié)壁厚度

洞圈內(nèi)凍結(jié)帷幕厚度可根據(jù)內(nèi)圈測(cè)溫孔溫度降至0℃的時(shí)間進(jìn)行推算。取T5測(cè)溫孔數(shù)據(jù)為計(jì)算依據(jù)，凍土發(fā)展速率為38.1mm/d，凍結(jié)30天時(shí)，凍土擴(kuò)展半徑為1143mm，以1143mm為半徑作交圈圖可知內(nèi)圈凍結(jié)壁已完全交圈，由于凍結(jié)孔有效深度均超過(guò)設(shè)計(jì)深度，可以判斷內(nèi)圈凍結(jié)壁有效厚度均大于2m，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）洞圈外凍結(jié)壁厚度

1）按擴(kuò)展速率推算

洞圈外凍結(jié)孔凍土發(fā)展半徑，按發(fā)展速率最慢的T4推算。

根據(jù)凍土擴(kuò)展速率推算，外圈凍結(jié)帷幕直徑為10m，滿足9.4m的設(shè)計(jì)要求。

2）公式法計(jì)算[4]

由于凍土溫度瞬時(shí)變化較小，可將人工凍土帷幕的溫度變化視為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，其解析解見(jiàn)式（1）。通過(guò)測(cè)溫孔的溫度可計(jì)算出凍土帷幕的厚度的解析解：

式中，-凍土溫度，℃; -凍結(jié)管內(nèi)冷媒劑（鹽水）溫度，℃; -分別為凍結(jié)柱內(nèi)任意點(diǎn)至凍結(jié)管中心距離，凍結(jié)管外半徑和凍土圓柱的外半徑，。

根據(jù)公式法推算，外圈凍結(jié)帷幕直徑最小值為9.92m，滿足9.4m的設(shè)計(jì)要求。由兩種方法計(jì)算對(duì)比可知，公式法計(jì)算結(jié)果與推算法較為相近，工程上可按推算法快速估算凍結(jié)帷幕實(shí)際發(fā)展厚度。

5凍土帷幕平均溫度

盾構(gòu)接收“板塊”型凍結(jié)帷幕平均溫度[5]計(jì)算采用成冰公式計(jì)算較為復(fù)雜，采用圖解法求解更為直觀，且準(zhǔn)確性較高。根據(jù)12月31日測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)繪制測(cè)溫孔溫度值與凍結(jié)管中心線的距離關(guān)系圖，為使繪圖更為美觀，橫軸可以mm為單位按1：1繪制，縱軸按溫度數(shù)值放大100倍繪制，溫度凍結(jié)管處溫度取界面溫度[6]，界面溫度可按式（2）求得。

根據(jù)式（2）計(jì)算得出界面溫度Tk=-16.8℃，作圖如圖5所示。

按積分面積法求得深孔平均溫度為Tc=S/E=-58905/5550=-10.60℃，低于設(shè)計(jì)凍土平均溫度指標(biāo)-10℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

由以上分析可知，鹽水溫度降溫梯度、鹽水去路與回路溫差、凍土帷幕平均溫度、凍土帷幕厚度等各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)效果已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6探孔情況

2019年12月28日進(jìn)行了探孔施工，探孔深度均穿透1m厚地下連續(xù)墻到達(dá)凍土層，共布置9個(gè)探孔，呈“米”字形布置，并于12月29日對(duì)探孔進(jìn)行溫度復(fù)測(cè)，探孔布置圖如圖2所示，探孔情況如表5所示。

根據(jù)探孔情況進(jìn)行檢驗(yàn)，探孔內(nèi)干燥無(wú)流水，且探孔溫度均低于-5.6℃，表明凍土帷幕與地下連續(xù)墻已完全膠結(jié)，進(jìn)一步驗(yàn)證了凍結(jié)效果已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

7盾構(gòu)接收

凍結(jié)效果專家論證通過(guò)后，于2020年1月2日開(kāi)始洞門破除，1月10日拔除盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域內(nèi)的凍結(jié)管及測(cè)溫管，1月11日盾構(gòu)機(jī)順利完成接收。

8結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)凍結(jié)壁厚度及平均溫度的計(jì)算分析，并通過(guò)探孔現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，驗(yàn)證了盾構(gòu)凍結(jié)分析方法的實(shí)用性，可以為今后類似凍結(jié)工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論。

（1）根據(jù)測(cè)溫孔各測(cè)點(diǎn)到達(dá)0℃的時(shí)間和最大終孔間距推算，取其最小發(fā)展速率，可推算出凍結(jié)帷幕最薄弱處的交圈時(shí)間，作為整個(gè)凍結(jié)帷幕全部交圈的時(shí)間。

（2）凍結(jié)帷幕厚度的公式法計(jì)算結(jié)果與推算法較為相近，工程上可按推算法快速估算凍結(jié)帷幕實(shí)際發(fā)展厚度。

（3）“板塊”型凍結(jié)帷幕平均溫度計(jì)算采用成冰公式計(jì)算較為復(fù)雜，采用圖解法求解更為直觀，且準(zhǔn)確性較高。

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作者簡(jiǎn)介

付財(cái)（1985-），男，河北衡水人;學(xué)歷：碩士研究生，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：北京中煤礦山工程有限公司，研究方向：凍結(jié)法施工及管理。