張?jiān)迄i

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市201707）

0 引言

盾構(gòu)法施工是城市軌道交通建設(shè)中常用的施工方法之一。盾構(gòu)進(jìn)（出）洞的施工過程中，需要預(yù)先對(duì)工作井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)一定范圍內(nèi)的含水土層進(jìn)行加固，使之具有一定的強(qiáng)度和封水性。這樣，盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)（出）洞時(shí)能夠確保不會(huì)出現(xiàn)地層漏水、涌砂、坍塌等問題。凍結(jié)法地基加固形成的凍結(jié)壁在盾構(gòu)進(jìn)（出）洞過程中起到封水、擋土的作用，人工凍結(jié)施工中的凍結(jié)管采用的通常是低碳無縫鋼管。低碳無縫鋼管具有較好的力學(xué)性能，能滿足凍結(jié)施工要求[1]。但是，在城市軌道交通隧道施工中使用的盾構(gòu)機(jī)多適應(yīng)在軟土地層中掘進(jìn)，刀盤不能切割打入土體的低碳無縫鋼質(zhì)凍結(jié)管，需要拔除盾構(gòu)掘進(jìn)線路上的低碳無縫鋼質(zhì)凍結(jié)管；而采用PVC管作為鹽水凍結(jié)管，因其強(qiáng)度低易破碎，在盾構(gòu)進(jìn)（出）洞時(shí)不用拔除，可以直接推進(jìn)，避免拔管時(shí)可能出現(xiàn)的斷管、涌水、涌沙等危害，提高盾構(gòu)進(jìn)（出）洞的安全性、可靠性。

1 工程概況

上海軌道交通17號(hào)線工程主要位于上海市青浦區(qū)，線路走向?yàn)闇嗥焦贰砩胶蟮馈勐贰聺纱蟮馈T陸東路，全長(zhǎng)35.30km，如圖1所示。本文以上海軌道交通17號(hào)線9標(biāo)“西段盾構(gòu)工作井—淀山湖大道站”盾構(gòu)區(qū)間為例研究總結(jié)免拔管凍結(jié)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用。盾構(gòu)將在淀山湖大道站西端頭井下行線完成接收，在淀山湖大道站其他3個(gè)洞門完成始發(fā)，如圖2所示。洞門圈直徑7.1m，東西端頭井地面標(biāo)高、車站與區(qū)間分界里程、洞門中心標(biāo)高詳見表1。

圖1 擬建工程地理位置示意圖

圖2 工程籌劃示意圖

表1 淀山湖大道站端頭井始發(fā)及接收一覽表

盾構(gòu)進(jìn)（出）洞采用“水泥系+凍結(jié)法”相結(jié)合的地基加固工法。水泥系加固范圍沿地下連續(xù)墻方向28.24m，沿隧道方向上、下行線均為10m，豎直方向洞門圈上部3m、下部6m。凍結(jié)法是水泥系地基加固的輔助措施，采用PVC免拔管凍結(jié)技術(shù)[2]。

2 地質(zhì)條件

盾構(gòu)進(jìn)（出）洞涉及范圍內(nèi)的土層自上而下主要為：⑥1-2粉質(zhì)黏土、⑥3粉質(zhì)黏土、⑥3t黏質(zhì)粉土。其中，⑥3t黏質(zhì)粉土層為承壓含水層。盾構(gòu)進(jìn)（出）洞范圍與土層的關(guān)系如圖3所示。

圖3 土層特征表

3 凍結(jié)設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)帷幕的形式

在盾構(gòu)始發(fā)洞口周圍地層中采用布設(shè)水平凍結(jié)孔的加固方法，使之在始發(fā)洞口的外側(cè)形成一道與工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)緊貼的凍土墻，用于抵擋土層側(cè)壓力、地下水和防止泥沙進(jìn)入隧道出洞口，確保盾構(gòu)始發(fā)安全、順利。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)計(jì)算，盾構(gòu)進(jìn)（出）洞外圈凍結(jié)壁有效厚度為1.4m即滿足要求，實(shí)際設(shè)計(jì)采用杯型凍結(jié)板塊設(shè)計(jì)，外圈凍土帷幕有效厚度1.6m，內(nèi)圈凍土帷幕有效厚度2.5m，凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度不大于-10℃。由于PVC管的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性、連接方式與鋼管存在差異，凍結(jié)設(shè)計(jì)依據(jù)PVC管的物理力學(xué)參數(shù)，確定合理的布孔方式和凍孔間距。

3.2 凍結(jié)孔的布置與凍結(jié)帷幕的形成

根據(jù)凍結(jié)設(shè)計(jì)，采用水平免拔管凍結(jié)技術(shù)。PVC管與鋼管的導(dǎo)熱系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，PVC管的導(dǎo)熱系數(shù)較低，根據(jù)其實(shí)際的導(dǎo)熱能力，為確保盾構(gòu)始發(fā)時(shí)凍土帷幕的強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求，積極的凍結(jié)周期確定為40~45d。以單個(gè)洞門凍結(jié)加固為例，因洞門外圈不影響盾構(gòu)的出洞，所以，凍結(jié)管采用低碳無縫鋼管，設(shè)計(jì)為一圈共31個(gè)凍結(jié)孔；出（進(jìn)）洞凍結(jié)加固總深為5.4（6.4）m，入土深度為4（5）m。洞門內(nèi)圈的凍結(jié)管采用PVC管，設(shè)計(jì)為四圈共32個(gè)凍結(jié)孔，凍結(jié)孔最大、最小開孔間距分別為1170mm和700mm，入土深度分別為3.3m、2.5m。凍結(jié)孔布置如圖4、圖5所示。凍土帷幕的發(fā)展速度取14mm/d，積極凍結(jié)的時(shí)間40~45d后方可破盾構(gòu)洞門。此時(shí)，凍土墻厚度為1.4m，能滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

圖4 盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)孔布置圖

圖5 盾構(gòu)出洞水平凍結(jié)孔剖面圖

3.3 測(cè)溫孔的設(shè)置

單個(gè)洞門共有10個(gè)溫度測(cè)孔，其中C1～C3孔與外圈凍結(jié)孔的距離為750mm，C4和C5孔位于洞門內(nèi)第4圈凍結(jié)孔與洞門外圈凍結(jié)孔之間，C6和C7孔位于洞門內(nèi)第3圈凍結(jié)孔F組上，C8孔位于洞門內(nèi)第2圈凍結(jié)孔和第1圈凍結(jié)孔之間，C9孔位于洞門內(nèi)第2圈凍結(jié)孔E組上，C10孔位于洞門內(nèi)第1圈凍結(jié)孔D組上。C1～C3測(cè)溫孔內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別布設(shè)在1500mm和5300mm處；C4～C10測(cè)溫孔內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)深度分別在900mm處和3200mm處[4]。

3.4 凍結(jié)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

洞門外圈水平凍結(jié)管選用Φ89×8mm低碳無縫鋼管[5]，采用焊接方式進(jìn)行凍結(jié)管的連接；洞門內(nèi)圈選用Φ90×7mmPVC管，采用黏接方式進(jìn)行凍結(jié)管的連接。供液管采用Φ48×4mm聚乙烯軟管。其他凍結(jié)參數(shù)詳見表2。

表2 淀山湖大道站端頭井水平凍結(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

4 PVC免拔管凍結(jié)地基加固的優(yōu)勢(shì)

本工程在盾構(gòu)始發(fā)凍結(jié)設(shè)計(jì)中采用PVC管作為凍結(jié)管，重量輕、耐腐蝕性較好，拼接方式為黏結(jié)和法蘭連接，操作方便簡(jiǎn)單、連接可靠。凍結(jié)完成后無須拔除凍結(jié)管，可以節(jié)省盾構(gòu)進(jìn)（出）洞的時(shí)間，盾構(gòu)機(jī)可以直接切割凍結(jié)管，避免拔管時(shí)可能出現(xiàn)的斷管、冒水、涌沙等危害，提高盾構(gòu)進(jìn)（出）洞的可靠性和安全性。

5 PVC免拔凍結(jié)管施工工藝與管理

5.1 施工工藝

施工工藝如圖6所示。

圖6 PVC免拔管凍結(jié)施工工藝圖

5.2 施工管理

PVC免拔凍結(jié)管施工工序?yàn)椋憾ㄎ婚_孔與安裝孔口管→安裝孔口密封裝置→鉆孔→安裝PVC凍結(jié)管→測(cè)斜→壓力試驗(yàn)→羊角安裝。

5.2.1 定位開孔與安裝孔口管

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上測(cè)量放樣好每個(gè)孔的位置?？孜淮_定無誤后，使用直徑為121mm配金剛石鉆頭的開孔器按設(shè)計(jì)角度開孔。當(dāng)鉆孔深度達(dá)要求時(shí)停止取芯鉆進(jìn)，安裝孔口管和壓緊裝置?？卓诠馨惭b方法為：首先，鑿平孔口部位，安裝好4個(gè)膨脹螺栓；其次，將麻絲纏繞在孔口管的魚鱗扣上，并抹密封材料后將孔口管打入孔內(nèi)，用膨脹螺絲擰緊后安裝閘閥。孔口管安裝完成后，將閘閥打開，使用直徑為96mm配金剛石鉆頭的開孔器從閘閥內(nèi)繼續(xù)開孔，將混凝土內(nèi)襯墻和地下連續(xù)墻鉆透。如果遇到地層內(nèi)的水和沙大量流出，應(yīng)立即關(guān)閉閥門。為保護(hù)PVC凍結(jié)管在洞門鑿除的過程中不被鑿破，孔口管采用加長(zhǎng)設(shè)計(jì)，穿透整個(gè)地墻，如圖7所示。

圖7 孔口管加長(zhǎng)設(shè)計(jì)

5.2.2 安裝孔口密封裝置

在閘閥上安裝將孔口密封裝置，并裝好密封墊片，詳圖如圖8所示。

圖8 孔口密封裝置

5.2.3 凍結(jié)孔鉆孔施工

按設(shè)計(jì)文件的要求調(diào)整好鉆機(jī)俯仰角和方位角并安裝牢固，將旁通閥安裝在孔口裝置上并固定密封裝置。使用SDHV-4型鉆機(jī)，鉆機(jī)的扭矩為2000N·M，推力17kN。使用89mm凍結(jié)管作為鉆桿鉆進(jìn)，首先，采取污泥漿的鉆進(jìn)工藝，當(dāng)無泥漿鉆進(jìn)不進(jìn)尺時(shí)，調(diào)整為泥漿鉆進(jìn)工藝，同時(shí)打開孔口裝置上旁通閥門，觀察出沙、出水情況，直到鉆達(dá)設(shè)計(jì)孔深。開孔段鉆進(jìn)是保證鉆孔精度的關(guān)鍵，因此，凍結(jié)孔前5m鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)反復(fù)校核鉆桿鉆進(jìn)的垂直度，通過鉆機(jī)位置調(diào)整、減壓鉆進(jìn)等措施，確保滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求[6]。

5.2.4 PVC凍結(jié)管安裝

凍結(jié)孔鉆至設(shè)計(jì)深度后安裝PVC凍結(jié)管，PVC凍結(jié)管安裝入鉆孔內(nèi)以前，應(yīng)按設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)先配管。PVC凍結(jié)管黏接時(shí)，膠水涂抹應(yīng)飽滿且均勻。

5.2.4.1 PVC凍結(jié)管黏結(jié)前的準(zhǔn)備[2]

（1）下料。按設(shè)計(jì)要求測(cè)量PVC管的長(zhǎng)度并做好標(biāo)識(shí)，使用切割機(jī)切斷管道。

（2）倒角。使用角磨機(jī)對(duì)PVC管的管端切口進(jìn)行磨邊倒角，打磨成2~3mm的倒角，避免黏結(jié)膠水被刮入承口內(nèi)，避免人為施工不當(dāng)造成管道黏結(jié)部位泄露。

（3）打磨。使用砂紙對(duì)兩黏結(jié)面進(jìn)行打磨，保證管道的黏結(jié)質(zhì)量；根據(jù)管道尺寸確定打磨黏結(jié)面長(zhǎng)度為60~70mm，不能過小，也不能過大。

（4）清潔。應(yīng)將兩黏結(jié)面擦拭干凈，必須使用清潔劑對(duì)舊管件的黏結(jié)面進(jìn)行有效清洗。

5.2.4.2 PVC凍結(jié)管的黏結(jié)

首先，在待黏結(jié)的管件內(nèi)將膠水涂抹均勻。其次，在距管道端口長(zhǎng)約1cm的黏結(jié)面均勻涂一層厚膠水，在距管道端口約1~4cm黏結(jié)面均勻地涂一層薄膠水。最后，將PVC管順著同一方向輕輕旋轉(zhuǎn)1/4圈插入管件，使膠水均勻分布，完全插入后需要固定25min。

5.2.4.3 PVC凍結(jié)管的安裝

為確保PVC管安裝順利，可利用緩慢勻速鉆進(jìn)頂進(jìn)方法將PVC管擠壓安裝入凍結(jié)孔。測(cè)溫孔的施工方法、要求與凍結(jié)孔相同。

5.2.5 PVC凍結(jié)管的測(cè)斜

安裝好凍結(jié)管后，使用經(jīng)緯儀并結(jié)合燈光對(duì)每個(gè)完成的孔進(jìn)行測(cè)斜，并對(duì)凍結(jié)孔深度進(jìn)行復(fù)測(cè)，偏斜率應(yīng)不大于1%，不宜內(nèi)偏，終孔最大間距不大于150mm。

5.2.6 PVC凍結(jié)管的打壓測(cè)試

PVC凍結(jié)管安裝完成且凍結(jié)管長(zhǎng)度、偏斜檢測(cè)合格后進(jìn)行壓力試驗(yàn)，如圖9所示。PVC凍結(jié)管檢測(cè)壓力應(yīng)控制在0.7~1.0MP之間，壓力值穩(wěn)定30min且未發(fā)生變化，則確定為打壓試驗(yàn)合格[4]。

圖9 PVC管打壓連接方式

5.2.7 PVC凍結(jié)管羊角安裝

首先，在凍結(jié)管內(nèi)安裝供液管。然后，安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。為確保進(jìn)、回液管連接的空間充足，在PVC法蘭盤外安裝一小段鋼管，PVC凍結(jié)管按并聯(lián)的模式連接至集配液圈，為凍結(jié)期間觀察和控制每根凍結(jié)管的鹽水循環(huán)提供便利。

5.2.8 積極凍結(jié)和維持凍結(jié)

5.2.8.1 凍結(jié)系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)

冷凍機(jī)組安裝完成后，應(yīng)組織有關(guān)人員對(duì)機(jī)組開展調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)工作。在試運(yùn)轉(zhuǎn)期間，應(yīng)通過壓力、溫度等參數(shù)的調(diào)節(jié)，使冷凍機(jī)組的運(yùn)行滿足設(shè)計(jì)的要求和規(guī)范的規(guī)定。在凍結(jié)過程中，定期檢測(cè)鹽水的流量、鹽水的溫度和凍結(jié)帷幕發(fā)展情況，根據(jù)需要調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行正常后即為積極凍結(jié)階段。

積極凍結(jié)階段為凍結(jié)帷幕的形成階段，單個(gè)凍結(jié)孔流量達(dá)到3～5m3/h。積極凍結(jié)7d后，鹽水溫度已降至-18℃以下；積極凍結(jié)15d后，鹽水溫度已降至-24℃以下。積極凍結(jié)期，鹽水溫度最終達(dá)到-28～-30℃，去、回路溫差小于2℃，凍結(jié)時(shí)間不小于45d。

5.2.8.2 維護(hù)凍結(jié)

在積極凍結(jié)期間，應(yīng)根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)判斷凍結(jié)帷幕能否交圈、是否達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，同時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土墻與凍結(jié)帷幕的膠結(jié)情況，根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)推斷凍結(jié)帷幕已經(jīng)交圈，凍土帷幕已達(dá)到設(shè)計(jì)厚度且與工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全膠結(jié)后，可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)期間溫度為-25～-28℃，直至盾構(gòu)機(jī)出洞完成[3]。

5.2.9 凍結(jié)效果

淀山湖大道站盾構(gòu)始發(fā)水平凍結(jié)地基加固工程于2015年11月28日開始進(jìn)行凍結(jié)孔施工。PVC凍結(jié)管經(jīng)過鉆孔、安裝、調(diào)試等施工階段后，2015年12月5日鉆孔施工結(jié)束。2015年12月7日進(jìn)入積極凍結(jié)期，經(jīng)過44d的積極凍結(jié)時(shí)間，鹽水去路溫度降至-29℃，鹽水回路溫度降至-28℃，鹽水的去、回路溫度和溫差符合設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。

5.2.9.1 外圈凍結(jié)帷幕的厚度

凍結(jié)帷幕的溫度發(fā)展可以簡(jiǎn)化為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，詳見公式1，可以由測(cè)溫孔的溫度來推算凍結(jié)帷幕的厚度：

式中：T為凍土溫度，℃；T1為凍結(jié)管內(nèi)鹽水溫度，℃；r、r1、r2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)管半徑和凍土柱的外半徑，m[7]。

根據(jù)洞門圈外部C1～C3測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)溫度值，可以利用公式法推算洞門外圈凍土帷幕厚度的最小值大于1.6m，滿足設(shè)計(jì)要求。（溫度取值2016年1月19日7:00）

表3 外圈帷幕C1～C3測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度值

5.2.9.2 內(nèi)圈凍結(jié)帷幕的厚度

根據(jù)洞門圈內(nèi)部C4～C10測(cè)溫孔的實(shí)測(cè)溫度值，可以利用公式法推算洞門圈內(nèi)凍土帷幕厚度的最小值大于2.7m，大于2.5m的設(shè)計(jì)值，滿足設(shè)計(jì)要求。所有測(cè)點(diǎn)溫度均已降至0℃以下，洞圈前端土體已凍結(jié)密實(shí)并形成板塊。（溫度取值2016年1月19日早7:00）

表4 洞門圈內(nèi)部C4～C10測(cè)溫孔實(shí)測(cè)溫度值

5.2.9.3 圖解法計(jì)算平均溫度

繪制“溫度”與“測(cè)溫孔至凍結(jié)孔中心線距離”的關(guān)系曲線圖，縱坐標(biāo)為溫度值，橫坐標(biāo)為測(cè)溫孔至凍結(jié)孔中心線距離，如圖10所示。從洞門中心開始，分別將C10與第一圈凍結(jié)管中心線的距離、C9與第一圈和第三圈的距離、C6與第二圈和第四圈的距離、C4與第四圈和外圈的距離繪制在橫坐標(biāo)上，將C10、C9、C6、C4的溫度值和凍結(jié)管的溫度值繪制在相應(yīng)的縱坐標(biāo)上，凍結(jié)帷幕有效厚度取值為2400mm，形成的積分面積為38080mm2，洞門內(nèi)圈測(cè)點(diǎn)深度為3200mm，按積分面積法計(jì)算凍土帷幕的平均溫度為：t=38080/3200=-11.9℃。

圖10 凍土帷幕平均溫度計(jì)算圖

圖解法計(jì)算所得的凍結(jié)帷幕的平均溫度為-11.9℃，凍結(jié)效果滿足小于-8℃的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 語

通過以上采用低碳無縫鋼管和PVC管作為凍結(jié)管工程案例的對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）PVC管在低溫下容易脆斷，盾構(gòu)機(jī)可以直接切割掘進(jìn)，無須拔除凍結(jié)管，施工成本和工程風(fēng)險(xiǎn)均大大降低。

（2）利用PVC管作為凍結(jié)管的主要風(fēng)險(xiǎn)源在于鉆孔和凍結(jié)過程中PVC管的斷裂，當(dāng)出現(xiàn)凍結(jié)管斷裂滲漏的現(xiàn)象時(shí)，首先對(duì)凍結(jié)區(qū)域進(jìn)行注水稀釋土體中的鹽水，并對(duì)斷裂的凍結(jié)管采用下套管的方式，繼續(xù)進(jìn)行鹽水循環(huán)，確保安全。