盾构进洞冻结加固方案.docx
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盾构进洞冻结加固方案
上海市轨道交通13号线
世博园站—长清路站区间隧道工程
盾构进洞冻结加固方案
编制：
审核：
审定：
中煤特殊凿井集团有限责任公司
上海第十二项目部
2008年8月
1.工程概况
1.1工程简介
上海市轨道交通13号线世博段工程，包括卢浦大桥站、世博园站、长清路站3个车站；世博园站～长清路站区间始于世博园站南端头井（里程K22+150.849），穿越措施井，至长清路站站首，于长清路站北端头井（里程K22+933.680）进洞。
区间线路全长约782.831m（单线）。
隧道最小平面曲线半径R=799.932m，基本呈南北走向。
最大坡度26.206‰，隧道中心标高-17.142~-8.513，左线里程K22+589.722~K22+660.658过盾构措施井。
采用盾构法隧道施工，拟采用土压平衡式盾构机，隧道外径为φ6200mm，内径为φ5500mm，装配式衬砌管片通缝拼装；衬砌块宽度1200mm，厚350mm，衬砌管片砼设计强度为C55，抗渗等级≥S10。
端头井已经过旋喷、搅拌加固，如图1，端头井旋喷、搅拌加固示意图。
本工程主要是采用冻结法将措施井盾构进洞端头井以及长清路站盾构进洞端头井加固区搅拌桩与地墙间的30cm空隙完全胶结，确保盾构安全顺利进洞。
图1端头井加固示意图
1.2地层条件
盾构进洞施工时隧道主要埋置于⑤1层灰色粘土、⑤2灰色砂质粉土。
如图1所示。
其中第
土层呈如软塑～流塑状态，土质较软弱，灵敏度高，施工时易产生流砂等不良地质现象。
根据工程及地质条件，本工程区间风井的盾构进洞拟采用冻结法加固施工，为减少冻结需冻量和控制土体冻胀、融沉，设计采用局部冻结加固地层方式施工。
2.冻结壁结构设计
2.1设计依据及设计工况
2.1.1.设计依据
1．《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ-213-1990）；
2．《煤矿井巷工程质量检验评定标准》（MT5009－94）；
3．《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；
4．《圆隧道旁通道冻结法技术规程》上海市工程建设规范（DG/TJ08-902-2006）。
2.1.2设计工况
盾构进洞：
盾构进洞是指盾构机在区间隧道推进完成后，由正常段隧道进入措施井和长清路站的过程。
盾构进洞过程中，需预先对工作井基坑连续墙外侧一定范围内的含水地层进行加固，使之具有封水性。
这样盾构机在连续墙凿除后可保证不会出现地层涌砂出水、坍塌等问题。
2.2荷载计算
盾构进洞洞口采取板状冻结方式加固。
冻结加固体在盾构进洞破壁时起到抵御水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井。
该出洞口冻结加固体，其承受的荷载,为安全起见计算模型采用最深处24.438m处的土压荷载，如此工况计算满足设计要求，则其他工况均应满足，计算模型如图1所示。
图1 冻土加固体、荷载、计算模型示意图
应用重液理论计算水土压力，其出洞口的水土压力为：
P＝0.013H
式中：
P——计算点的水土压力（Mpa）；H——计算点深度（m）。
以洞门的下部底缘处为荷载计算点，则深度为24.438m。
则计算得到水土压力为：
P≈0.3MPa
说明：
水土压力也可按照朗金土压力理论计算，因物理力学指标不全面，在设计计算时按重液理论进行计算，该理论是一种常用的安全计算方法。
冻土平均温度为-10℃，冻土抗拉强度σ拉=1.8MPa，冻土抗剪强度σ剪=1.6MPa。
冻结加固体厚度计算
假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度
计算得冻土墙厚度为1.83m。
运用日本计算理论的数据及结果表1
冻土平均温度℃
冻土弯拉强度σ-10℃
水土压力P
加固体开挖内直径D
系数β
安全系数k
计算加固体厚度h
-10
1.8Mpa
0.3MPa
6.7m
1.2
1.5
1.83m
计算的冻结壁1.83米厚度是在没有深层搅拌加固时所需的厚度，但由于盾构进洞端头井采用深层搅拌，冻结加固主要的目的是将搅拌桩与地墙间的30cm空隙完全胶结，达到止水效果，所以取冻结壁厚度为1.2m。
2.3冻结孔布置
冻结孔平面、剖面布置如图2、3所示。
图2冻结孔平面图
图3冻结孔剖面图
各盾构进洞冻结孔布置尺寸均按照：
孔间距0.8m，排间距0.6m，冻结壁有效厚度为3.0米，采用局部垂直冻结法。
冻结孔深度根据每个端头井盾构中心标高而不同，其中措施井盾构进洞冻结孔深度为：
27.438米；长清路端头井盾构进洞冻结深度为：
26.452米。
每个加固区域冻结深度均为：
12.7米，冻结孔数量均为31个、布置方式均为梅花型。
共布置测温孔3个，深度和冻结孔相同。
3.冻结施工
3.1主要技术参数（单洞）
（1）冻结体（进洞）：
冻结板块厚1.2m，宽12.8m，高12.7m。
（2）孔数：
冻结孔31个；测温孔3个。
（3）孔深：
措施井进洞27.438m，长清路进洞26.452m；
（4）盐水温度：
-25～-30℃；蒸发温度：
-33～-35℃；
（5）冷量损失系数：
1.2；冷却水温度：
＋23℃；冷凝温度：
＋35℃。
（6）单洞冻结所需的制冷量：
Q=1.2×3.14qNHd=4.2万大卡/小时。
选用W-YSGF300II螺杆机组1台。
3.2主要冻结施工设备
序号
设备名称
数量
型号
设备功率（KW）
1
螺杆机组
1台
W-YSGF300II
110
2
盐水泵
1台
IS200-125-315A
30
3
清水泵
1台
IS200-125-315C
30
4
冷却塔
2台
KST-80
4
3.3冻结站安装
冻结站布置在进洞或出洞口，占地约80平方米，冷冻机联接示意见图4。
图4冻结站安装示意图
3.4用电负荷
总用电负荷约400kw/h。
在考虑线路电压损失较大的情况下，选用电压750/450V.YC3×150＋2×35低压橡套电缆一根，电压750/450V.YC3×150＋2×50低压橡套电缆三根。
3.5其它
（1）冷冻机油选用N46冷冻机油；
（2）制冷剂选用氟立昂R-22；
（3）冷媒剂选用氯化钙溶液。
4垂直冻结孔的布置及施工
4.1垂直冻结孔布置（单洞）
冻结孔平面布置如图2，板块部分冻结孔布置2排，孔距0.8m，冻结孔总数31个，梅花布置，采用垂直局部冻结方案。
第一排孔数16个，距槽壁0.3m。
第二排孔数15个，第一排孔与第二排排距0.6m。
4.2冻结孔施工
（1）冻结管、测温管和供液管规格：
冻结管选用φ127×4.5mm20#低碳钢无缝钢管，采用外管箍焊接连接；供液管采用φ45mm无缝钢管；测温管采用φ45mm无缝钢管。
（2）打钻设备选型：
打钻选用XY-2型钻机三台，电机功率22.0KW，钻孔使用灯光测斜，选用BW-250/50型泥浆泵三台，电机功率14.5KW。
4.3局部冻结工艺
采用局部冻结工艺可以有效防止冻胀和融沉现象对工程的不利影响、减少制冷量和有效地保护环境。
局部冻结孔加工工艺见图5。
图5局部冻结孔结构示意图
主要冻结施工参数一览表面
序号
参数名称
单位
措施井
长清路
备注
1
冻结孔深度
m
27.438
26.452
2
冻土墙设计厚度
m
1.2
1.2
3
冻土墙平均温度
℃
-10
-10
4
积极冻结时间
天
25
25
从开冻至可以盾构进（出）洞
5
冻结孔数
个
31
62
6
冻结孔（总）长度
m
853
1750
8
冻结孔开孔间距
m
0.8
0.8
9
冻结孔与槽壁间距
m
0.3
0.3
10
冻结孔偏斜率
%
≤1
≤1
11
设计最低盐水温度
℃
-30
-30
冻结7天盐水温度达到-20℃以下
12
单孔盐水流量
m3/h
6
6
13
冻结管规格
mm
φ127×4.5
φ127×4.5
20#低碳钢无缝钢管
14
测温孔总数
个
3
3
φ48×3mm
15
冷冻机W-YSLGF300Ⅱ型
台
1
1
16
钻机XY-2型
台
3
3
17
最大用电量
Kw/冻结站
200
200
每个冻结站
18
用水量
m3/h
20
20
新鲜水补充
5施工工序、工期安排及劳动力配备
5.1施工工序
根据盾构进洞风井的工期进行具体安排4个盾构进出洞的施工顺序，计划先进行最早一个盾构进洞的钻孔施工，钻孔完毕既进行冻结施工，其他各洞可在第一个钻孔完毕后继续进行钻孔施工，再根据盾构具体的进出洞时间进行冻结施工。
通过测温孔观测计算，确定冻土墙交圈并达到设计强度且冻土与槽壁完全胶结后，盾构进洞时，盾构机离冻土墙2-3m左右时，将隧道内冻结管拔至隧道顶板0.3m处；盾构出洞时，盾构机靠近槽壁后，进行完全破壁。
盾构进洞后，方可进行冻结管拔除并注黄砂。
5.2工期计划
根据盾构进洞冰冻法实测，群孔冻结内部冻土平均发展速度均为45mm/d以上，外部（向外）冻土平均发展速度为V=30mm/d。
冻土墙交圈时间:
20天，第一排孔控制外偏，冻土墙与槽壁完全胶结时间：
25天。
因此冻结25天后冻土墙达到设计强度且与槽壁完全胶结，可进行拔管，盾构穿过冻土墙开始完全破壁，盾构进洞。
具体的施工工期的计划安排如附图7所示。
5.3劳动配备
打钻：
36人冻结：
18人
管理人员：
4人总计：
58人
6融沉控制
6.1注浆材料
注浆C-S双液浆，双液浆水泥等级强度为PO.42.5级，水玻璃为35~40°Be。
融沉注浆由外向内依次循环注浆，双液浆配比为：
1000升双液浆配比：
甲液（kg）
乙液（kg）
水
水泥（po.42.5）
水玻璃（40°Be）
水
351
439
235
335
甲液和乙液按照体积比1：
1混合注入
6.2融沉注浆
6.2.1注浆孔布置
融沉注浆采用地面与隧道内相结合方式注浆，隧道内融沉注浆孔利用隧道管片注浆孔，除封顶块，其他5块管片均设置3个注浆孔。
每环管片共有15个注浆孔；地面注浆孔是利用原垂直冻结孔的孔位，隔孔布置一个注浆孔，呈梅花桩布置。
注浆时用垂直钻机扫孔，然后下直径为48×4mm镀锌注浆管，镀锌注浆管前头采取密封装置，在注浆过程中浆液将密封装置顶开。
共施工有14个垂直注浆孔。
隧道内、地面注浆孔布置如图6~8所示。
图6地面注浆孔布置图
图7隧道内注浆孔布置图
图8注浆孔剖面图
6.3隧道内注浆
融沉补偿注浆应遵循多点、少量、多次、均匀循序渐进的原则。
隧道内注浆是在管片注浆孔内插入Ф32mm注浆花管，插入深度以刚好穿透冻结壁为宜，孔口防返浆装置，分层注浆，由外向内。
每注一层注浆管内拔140mm。
1、分区注浆及各区域注浆孔
将隧道内冻土分为5个区，如图6：
注浆分区示意图，每个区域由对应的注浆孔对其注浆。
各区注浆孔间隔分组，每组间隔注入，间隔时间为8-10天一个注浆循环。
2、注浆压力
隧道内融沉注浆采用双液浆，注浆压力为0.3~0.5Mpa。
3、浆液类型
采用水泥水玻璃双液浆。
4、注浆量
每一区域注浆量一般按照本区域冻土融化体积的20%计算，每孔每次注浆量可根据拔管深度（一般为140mm）计算出该次注浆量。
实际注浆量略大于计算值。
6.4地面注浆
地面注浆孔是利用原垂直冻结孔的孔位，注浆孔之间的距离一般为1.6米，共施工有14个垂直注浆孔。
地面融沉注浆同样也遵循多点、少量、多次、均匀循序渐进的原则。
1、分区注浆及各区域注浆孔
将冻土分为4个区，如图6：
注浆分区示意图，每个区域由对应的注浆孔对其注浆。
各区注浆孔间隔分组，每组间隔注入，间隔时间为同一孔注浆间隔时间的一半。
2、注浆压力
隧道内融沉注浆采用双液浆，注浆压力为0.3~0.5Mpa。
3、浆液类型
单液浆和双液浆相结合，注浆时将注浆管下到设计的深度后注单液浆，最后一次结束封孔时采用水泥水玻璃双液浆。
4、注浆量
每一区域注浆量一般按照本区域冻土融化体积的20%计算，每孔每次注浆量可根据拔管深度（一般为300mm）计算出该次注浆量，实际注浆量略大于计算值。
5、注浆体积
冻土体积为236方，合计注浆量为47.2方。
其中，隧道内注浆体积为17.6方；地面注浆体积为29.6方，
6、监测
加强地表及隧道的监测，布置深层测点，跟踪监测，利用测温孔监测温度场的变化，掌握冻土融化范围及融化速率。
另外根据监测数据分析对注浆压力或者注浆量进行合理调整。
当地表变形大于3mm，隧道变形大于2mm时应暂停注浆，待沉降回落后继续补注浆。
7、注浆结束标准
根据温度场和地表监测，冻结壁已经融化完毕，且实测地层沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm，可停止融沉补偿注浆。
7盾构进洞的条件
盾构在进洞之前，必须具备如下条件方可进洞：
序号
内容
指标
1
冻土墙厚度设计厚度
≥1.2m；
2
冻土的平均温度
≤-10℃
3
各探孔温度
≤-2℃
4
盐水温度
-28℃～-30℃
5
盐水去回路温度差
≤2℃
8拔冻结管措施
8.1拔管方案
在盾构进洞之前，所有位于盾构推进轮廓内的冻结管需拔离盾构上部外壳0.3m，然后再进行二次冻结。
待所有冻结管全部拔完后，即可恢复冻结，24个小时可全部完成。
利用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：
利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50mm～80mm时，开始拔管。
（1）盐水加热：
用一只1m3左右的盐水箱储存盐水，用18组5kw的电热丝进行加热盐水。
（2）盐水循环：
利用流量为50m3/h以上盐水泵循环盐水，先用40～50℃的盐水循环10分钟左右，即可进行边循环边试拔。
8.2冻结管起拔
用两个10吨的千斤顶进行试拔，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。
然后用25T吊车快速拔出冻结管。
拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管。
见图8热盐水循环及吹盐水系统图。
图8 热盐水循环及吹盐水系统图
9破壁及盾构穿越冻结区的保证措施
9.1破壁保证措施
（1）原则上冻结15天后可进行部分破壁，在部分破壁过程中，如发现有渗水点，要及时进行封堵，以防水土流失，影响冻土墙交圈；如未发现异常情况,可直接进入下一层破壁。
（2）破壁时不能一次完成，分4-5层分层剥离，槽壁保留厚度不小于300mm，并保留钢筋，以保护冻土墙。
（3）通过测温孔观测计算，确认冻土墙达到设计厚度及强度，当槽壁破壁厚度还剩下不小于300mm时，在洞门上有分布的打若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。
探孔布置图见图9，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用风镐进行凿窝，窝直径400mm，窝深在200～400mm，探孔打好后，即可用电锤打探孔，穿透剩下槽壁，进入冻土内，探孔进入冻土内深度控制在10～15cm。
采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于-2℃。
（4）当通过探孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁,最后一层破壁时间不宜超过2天，以防冻土墙融化，影响其强度。
（5）最后一层破壁须采用分层分块进行，防止破坏冻土墙，造成不良后果。
图10探孔布置图
9.2盾构穿越冻结区保证措施
（1）冻土墙解冻要适量，控制平均温度在-1～-2℃之间，强度为1.2～1.5Mpa之间。
（2）保证冻结孔的充填质量，以防沉降。
（3）盾构在穿越冻结区时，不宜停留，在拼装管片及故障时，每隔10分钟将刀盘转动3～5分钟，以防刀盘被冻死。
10确保工程质量的主要技术要求与措施
10.1冻结工程质量的主要措施
（1）建立健全质量保证体系、质量管理机构、组织机构和监督机构，为保证质量提供组织保证。
（2）认真分析该工程地质资料，精心编制施工技术设计和施工组织设计。
（3）控制造孔和冻结器施工质量，确保冻结质量符合要求。
（4）严控冷冻站安装质量，提高制冷效率，确保盐水降温符合要求。
10.2冻结孔施工方面的具体要求及措施
（1）认真按图纸要求施工钻场基础，确保钻场基础平整、稳固。
（2）造孔上部采用取芯钻进或冲击钻头钻进，下部使用牙轮钻头钻进。
（3）测温孔布置在相邻冻结孔终孔间距较大的界面上。
具体位置由现场技术负责人和项目经理共同商定。
测温管的下放及焊接严格按冻结孔的质量要求施工，并及时绘制偏斜平面图。
（4）钻进时，应按深度及地层情况的需要，及时增减钻铤，要求作到均匀、匀速钻进，严禁忽快忽慢，压力忽大忽小。
（5）合理掌握转速、压力及冲洗量，加尺或更换钻头时，钻具应下到距孔底0.3～0.5m处扫孔，不准将钻具停在一个深度长期冲压。
停电时，应将钻具提至安全深度，停电超过2小时，应将钻具全部提出，对所有钻具应经常详细检查，弯钻杆和磨损过大的钻杆禁止使用，终孔时应复核钻具全长，并冲孔将岩粉排净，再下管。
（6）冻结管应进行地面配组，丈量全长，做好记录，下管时应清除管内异物，保持清洁，试压封口后，应及时将冻结管周围的空隙用土填实，防止泥浆串孔。
（7）偏斜：
冻结孔平均偏斜率不得大于1％，冻结孔终孔间距不大于设计值，否则应予以补孔，冻结深度应满足设计要求，下管长度应不小于设计冻结孔深度。
（8）测斜：
冻结孔施工过程中使用灯光经纬仪进行终孔和成孔测斜并及时绘制冻结孔偏斜平面图。
（9）钻场基础：
鉴于本工程打钻工期短，为了保证钻孔质量，现场应铺设简易钻场基础和砌筑泥浆沟槽，简易钻场基础用单砖铺实，并用砂浆抹面。
11应急预备方案
11.1应急措施
（1）在盾构出洞期间，现场要备有足够抢险物资，即各种规格的砂袋、棉被、速凝水泥、注浆泵、堵漏剂、泡沫条、海绵等物资，对渗水点及时封堵。
（2）加强槽壁破壁后的保温措施，防止冻结壁融化。
（3）采用两路电源线路，必要时切换备用电路。
（4）在水箱内需满水,以防应急之用。
（5）在施工现场配备一定量的液氮，万一冻结壁局部融化时，可及时使用液氮进行冻结，保持冻结温度
（6）成立应急预案领导小组，对抢险工作进行总体协调指挥，以做到万无一失。
11.2应急指挥网络图
发生紧急情况时，由施工人员联系值班人员，值班人员向项目经理汇报，项目经理再向分公司、业主及监理各方汇报，由他们向各自上级单位汇报，如下图10所示:
在施工过程中，项目部人员轮流跟班，一旦出现险情及时处理，不留有任何隐患。
在开挖期间，值班人员将24小时在现场值班，项目部值班人员保证手机24小时开机。
应急处理领导小组成员为：
姓名
职务
职责
所属部门
杨国胜
项目经理
全面负责
甲方
黄文奕
安全员
负责施工安全
甲方
秦一雄
经理
全面负责
中煤特殊凿井公司
段若同
分管经理
全面负责
中煤特殊凿井公司
王先锋
项目经理
全面负责
中煤特殊凿井公司
刘立民
项目副经理
全面负责
中煤特殊凿井公司
图10应急指挥网络图
附图1盾构进洞冻结组织结构网络图
附图2安全管理网络图
附图3质量管理网络图
附图4质量保证体系
附图5钻孔质量控制程序图
检测
冻结器安装
冷却水供给
冻结孔验收
设备试压
拆除
盾构进洞
正常运转
充氟、试运转
生产准备
试压包扎
安装
基础施工
附图6冻结质量控制
附图7
施工进度计划图（单洞）
工程
编号
工序名称
工期（天）
工程进度（天）
10
20
30
40
50
60
1
施工准备
3
2
冻结站安装
15
3
冻结孔施工
15
4
冻结准备
3
5
冻结运转
25
6
盾构进（出）洞
3
7
拔冻结管及冻结孔充填
2
10
总工期
51
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