区间盾构始发洞门水平冻结加固方案的设计

耿生春， 梁军利， 张杰， 杨阁

中铁四局集团第三建设有限公司 天津市 300200

摘要：本文以天津地铁四号线徐州道站为实例，对区间盾构始发洞门水平冻结加固冻结壁厚、管道埋设、冻结制冷系统等计算设计，在盾构施工中水平冻结加固技术取得了良好效果。

关键词：区间盾构；始发洞门；水平冻结；加固；设计

背景

随着我国基础建设的开展，近年来盾构技术被广泛应用于隧洞工程，尤其是体地铁隧道方面。为了应对复杂地层环境，不影响周边建筑物的地下结构，有效提高效率，隔离地下水，并且为响应国家对环保施工的要求，盾构施工过程中常采用土体冻结加固技术。

1工程概况

天津地铁4号线徐州道站位于天津市，徐州道与大沽北路交口，徐州道站双始发且小里程端盾构始发采用水平冻结加固施工。徐州道站小里程端端头井内衬采用钢混结构，厚度0.8m，外侧围护采用连续墙方式，厚度0.8m。管片外径∅6.20m，洞门直径∅6.70m。左、右线盾构隧道轨道标高分别为-12.942m、-12.948m。隧道覆土埋深约10.038~16.738m。

2水文地质条件

根据地基土岩性分层，本工程主要为潜水含水层和承压含水层两个含水层：对地下水含盐量进行监测氯离子含量为2585mg/kg。

徐州道站小里程端洞门冻结加固范围土层由上至下为⑥/3黏质粉土、层厚0.6~6.5m、底板高程为：-11.43~-8.39m，⑦/1粉质黏土、层厚0.9~3.0m、底板高程为：-14.24~-11.39m，⑧/1粉质粘土、层厚0.7~6.6m、底板高程为：-19.22~-15.25m。

3周边环境

徐州道站小里程端站北端头井位于蚌埠道与解放南路交叉口，紧邻万通中心、滨江购物中心等高层建筑物。施工范围内有2根35KV电缆呈南北走向，管底埋深0.63~0.88m；2根天然气管线直径分别是DN200和DN500呈南北走向，管底埋深1.3m；1根雨水管直径分别是DN600呈南北走向，管底埋深2.89m；1根污水管直径分别是DN500呈南北走向，管底埋深3m均在地连墙外侧。

4设计要点

4.1冻结壁厚度的确定

在盾构始发时，为了代替连续墙起到挡土挡水的作用设置端部冻结壁，环壁冻结壁仅起到止水的作用。因此，端部冻结壁需承受基坑连续墙洞口处的水土压力，因考虑现场端头附近多建筑及管线，洞门均采用水平冻结加固的方式，水平冻结加固是对含水不稳定地层进行预加固，具有可靠安全、封水性好、不影响周边环境等优点。本工程内圈加固长度3.5m，外圈加固长度11.0m。

4.1.1冻土力学参数

冻结壁的力学计算模型根据天津市《城市轨道交通冻结法设计施工技术规程》要求，简化为均质线弹性体，力学特性参数取设计冻结壁平均温度下的冻土力学特性指标。

设计选取-10℃冻土的弹性模量为120MPa，泊松比为0.3，粘性土层冻土强度指标按照氯离子含量确定为：抗压3.1MPa，抗折1.4MPa，抗剪1.5MPa；冻结壁承载力验算采取许用应力法，强度检验安全系数按Ⅲ类冻结壁选取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。

4.1.2水土压力计算

冻结壁顶面土压力按上覆土体重量和超载计算，侧面水土压力按侧压系数0.70计算，⑥3、⑦1、⑧1均属不透水~微透水层，采用水土合算，不单独考虑地下水位影响。车站地面整平标高+2.30m，洞门的覆土厚度为10.038～16.738m。冻结壁侧面所受最大静止水土压力为:

W=KγH

可得：Ws1=0.70×（10.038×19.5+20）=151 KPa

Ws2=0.70×（16.738×19.5+20）=242 KPa

计算时取最大值242KPa。

4.1.3按公式计算冻结壁厚度

根据日本经验公式，计算确定冻结壁厚度，假定洞外加固体位移整体板块，承受侧向水压力，计算公式为：

式中：

——安全系数，一般取2.0；

——经验系数，一般取1.2；

W——侧向水土压力0.242Mpa；

——洞门直径6.70m；

——冻土抗折强度1.4Mpa；

表3.1.3-1 公式计算的数据及结果

根据上述表3.1.3-1计算结果确定的冻结壁厚度h为2.15m。盾构始发位置主要地层为粉质黏土，软塑~可塑状态，掘进过程中土体易失稳，可能造成地下空洞，施工风险较大，参考其他工程冻结施工经验，并考虑土体扰动后冻结壁强度的稳定性，最终确定本设计盾构出洞冻结壁厚度为3.5m，根据冻结孔布置形式，预计需35天达到设计要求。盾构周围冻结壁为I类功能，只要求止水，采用单排孔布置，孔间距765mm，冻结壁厚：26×35=910mm，根据交圈图确定周围冻结壁厚度1.65m。

4.1.4 冻结壁结构力学计算

对要求承载的端头处冻结壁，采用静力理论进行计算。将加固土体视为厚度为h的周边简支的弹性圆板，强度验算公式为：

，

3.1.4-1 最大弯曲应力的计算

3.1.4-2 最大剪应力计算

根据表3.1.4-1、表3.1.4-2静力理论计算结果得出结论，取冻结壁厚h=3.5m，弯曲应力、剪应力均满足规范要求。

4.2冻结孔布置

本工程深化设计由《通用技术集团工程设计有限公司》进行，具体施工由《中煤隧道工程有限公司》进行；根据设计，单个洞门共布置57个水平冻结孔，冻结管总长度为510.7m。

4.3测温孔布置

根据设计文件，通过在门洞布置5个测温孔来掌握冻结温度场变化情况，洞门圈外2个孔深12.6米，洞门圈内3个，孔深4米，监测冻结壁厚度、冻结壁温度、冻结壁与槽壁交界温度。

4.4 冻结制冷系统设计

4.4.1冻结需冷量

冻结管的散热系数取250kcal/m2•h，冷量损失系数取1.3，采用Q=πdHKmc，单个洞门所需制冷量为5.2万kcal/h（同时考虑盐水主管路的损失量）。

①YSLGF300型冻结冷冻机组2台，1台运行，1台备用。实际工况制冷量8.5万kcal/h，电机功率125kw。

②IS150-125-400型冻结盐水循环泵2台，1台运行，1台备用。每台水泵流量200m3/h，扬程32m，电机功率45kw。

③IS150-125-250型冻结冷却水循环泵2台，1台运行，1台备用。每台水泵流量100m3/h，扬程20m，电机功率22kw。

④2台DLT-80型冻结冷却塔，2台同时运行，每台电机功率4kw。

4.4.2各种管路选型

①盐水干管和集配液管均选用Ф159×5mm无缝钢管，集、配液管与羊角连接选用2″高压胶管。

②冷却水管选用Ф159×5mm无缝钢管。

③水平冻结管、测温管均采用(Q235B)的Ф89×8mm的低碳无缝钢管，丝扣连接加焊接，单根长度1～2m，内圈冻结孔及测温孔等需要拔除的管路均采用整根4m的管路。

④供液管选取1.5″钢管，焊接连接。

4.5 冻结加固主要技术要求

(1) 冻结孔位置误差要求不大于100mm，当施工空间受限时，在不超过最大孔间距的情况下，可对孔位及钻孔角度进行适当调整，外圈孔不进入盾构开挖面。

(2) 冻结孔最大偏斜值满足设计要求。

(3) 冻结孔钻进深度小于设计且不大于设计0.5m。不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

(4) 冻结管耐压要求不低于0.8Mpa，同时还要满足不低于冻结工作面盐水压力的2倍的要求。

(5) 为控制地面沉降，冻结孔时土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时注浆。

(6) 设计积极冻结时间35天。冻结孔单孔流量不小于5m3/h；积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下，15天降至-24℃以下；破洞门时去、回路盐水温差不大于2℃，盐水温度降至-28℃~-30℃。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。

(7) 积极冻结时，冻结区200m范围内不得采取降水措施,在冻结区内土层中不得有集中水流。

(8) 洞门分层凿除时间过长时，凿除面上需要敷设阻燃（或难燃）的软质塑料泡沫板作为保温层，厚度40mm，导热系数不大于0.04W/Mk。

4.6控制措施

⑴钻孔施工时一定要防止涌水涌砂，装好孔口密封装置。

⑵在钻孔及冻涨融沉过程中要加强监测，必要时进行注浆，严格控制对地层造成的扰动及隧道变形，减弱施工过程中对周围环境及管线的影响。

⑶冻结期间为保证单圈孔冻结发展厚度，在洞门圈连续墙上铺设厚度40mm的保温层，材料选择阻燃的软质塑料泡沫软板。

⑷冻结系统温度监测要按要求准确监测，对有异常的地方要及时查找原因并处理，并根据测温情况分析冻结壁的发展状况。

⑸为保证冻结施工的连续性，建议盾构始发止水环（帘布及铰链板）安装在钻孔施工完成后，冻结管路连接前进行施工。

⑹洞门圈内外结构墙及连续墙上如有渗漏水情况需进行封堵。

结束语

盾构技术越来越成熟，也广泛应用于我国的基础建设中，水平冻结加固土体技术也已成功应用于盾构始发洞门施工，有效解决盾构施工过程中地层复杂、地下管线密集等方面的影响，在实际施工过程还有提高工作效率且避免影响周围环境及建筑的地下结构的优点，取得了良好的经济、环保效益。

参考文献：

1. 曹仁文.盾构始发端头冻结加固技术探讨[J].科技研究,2014,000(009):18-19.

2. 嵇彭.盾构进出洞全方位风险控制冻结加固技术[J].中国工程科学,14(2):90-95.

3. 周明辉.土体冻结加固下盾构进洞风险控制技术[J].建筑施工,2012,34(008):843-845.

作者简介：耿生春（1985-），男，河南周口人，高级工程师，本科，天津市科技局专家，中铁四局集团技术二级专家，从事施工技术管理工作。

梁军利 （1980-），男，安徽凤台人，工程师，一级注册建造师，现就职中铁四局集团第三建设有限公司成本管理部。

张杰（1989-），女，安徽蚌埠人，工程师，本科。