冷冻法端头加固盾构水土环境中到达施工工法

1、 冷冻法端头加固盾构水土环境中到达施工工法中铁二局股份有限公司城通公司前言目前，地铁建设的土压平衡软土盾构隧道进洞中有较多种方案可供选择，主要是采取土体改良方式满足洞门凿除的条件，再辅以井点降水、止水帷幕等其他措施防止盾构机在进洞过程中出现漏水漏砂，同时在洞门圈周边以弧形钢板、喷射混凝土、充气气囊等方式进行封堵洞门圈与盾壳和管片之间的间隙，实现盾构进洞。常规盾构进洞方案，主要思路为采用适合的洞门区域加固方式，保证洞门凿除的安全需要和盾构进洞过程中周边间隙封堵的有效性。杭州地铁1号线富春路站站至秋涛路站区间富春路站段头井周边环境复杂，且受承压水影响，传统盾构进洞方法无法满足加固范围需要，采取端头

2、井垂直冷冻加固+端头井水土回填方式进洞取得了较好的技术、社会及经济效应。工法特点施工安全性高，采用冻结法保证洞门凿除时不产生水土流失，在洞门凿除后利用工作井内回填水土使洞门内外介质一致，控制了盾构进洞安全风险。针对受承压水影响地层，较好的平衡了洞门内外水压。在全砂性地层冷冻加固均匀性优于普通水泥加固方式。适用范围本工法适用于易出现涌水涌砂风险高的软土地层的盾构进洞。工艺原理冷冻法水土进洞包含3个方面，一是垂直冷冻加固、二是水土回填、三是盾构进洞。图4-1盾构水土进洞示意图垂直冷冻加固+水土回填即：在工作井外利用冻结孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻结帷

3、幕。利用冻结帷幕的自稳性进行洞门凿除，之后端头井内水土回填，使连续墙内外水土平衡，盾构土中进洞。进洞完成后于连续墙及内衬墙范围内的管片上通过双液注浆机反复压注水泥浆封堵管片与连续墙、内衬墙之间的流水通道，使管片和端头井结构行成整体，注浆完成后进行端头井内水土挖除、盾构外运。施工工艺流程及操作要点施工工艺流程施工准备-平台搭设-测量定位-冷冻法施工-洞门复测及盾构姿态优化-接收基座施工-洞门探孔检查-洞门凿除-水土回填-提升冻结管-盾构进洞-水土挖除-洞门封堵-盾构解体。操作要点场地布置冻结站布置在进洞口地面，占地约160平方米，共使用两台机组进行冷冻施工，两台机组并联安装，万一一台冷冻机出现故

4、障，可启用备用冷冻机供冷应急，如下图所示。冷冻施工冻结孔施工完成后，统一加压测试，所有管道合格方可进行冷冻施工，具体冻结参数如下：(1)冻结7天盐水温度降至-209以下，积极冻结期盐水温度为-28C-30C。(2)维护冻结期温度为-25C-28C;(3)外围冻结孔终孔间距Lmax2.6m2冻土的平均温度-10C3盐水温度-28C-30C4盐水去回路温度差2C5探孔温度-5C5.2.3洞门复测及盾构姿态优化盾构水土进洞时，如果由于盾构姿态的偏差而是盾构卡在洞门处，盾构将无法进洞；因此对洞门进行复测及盾构姿态进行优化是必须要做的一件事情。在洞门复测完成后，使盾构尽量向洞门中心线拟合，确保盾构顺利进

5、洞。接收基座施工由于盾构进洞采用水土回填作为安全保障措施，盾构进洞后需继续推进。为防止盾构进洞后刀盘与接收架钢轨接触后发生固死，盾构接收井基座改用现浇早强C15素砼平台做为盾构进洞接收基座。素砼接收平台采用U型结构，顶标高与洞门钢环持平。在洞门凿除前，进行接收基座素砼浇注。探孔检查为检查冻结效果，在洞门凿除之前，在洞门连续墙上钻若干探孔以检查积极冻结效果。采用高精度的温度计或测温仪进行量测，要求各探孔实测温度必须低于-59。当通过探孔实测温度与水平测温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，探孔深度1.04m（打穿连续墙，深入土体4-5cm），探孔平面布置图如下图所示：图5.2.5

6、-1井内洞门冷冻探孔布置图5.2.6洞门凿除通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，分两层破除井内洞门连续墙水土回填待洞门凿除完成后，立即对端头井进行水土回填，回填深度按照场地最高潜水水位计算填土通过挖机将其放至端头井内；水直接接驳富春路站的水源。在水土回填之前，先向端头井内回灌深度为3m的水，防止在填土时冲击力过大。挖机采用普通PC200型挖机。填料采用和端头井外原状土类似的粉土粉砂土。提升冻结管在盾构距离洞门8环处，开始提升洞门范围内冻结管（冷冻管已提前6小时进行热水循环解冻），冻结管只需提升至洞门圈以上20cm即可。盾构进洞进洞前对盾构机进行一次检修，并安装蒸汽发生系统，之后

7、洞门范围内冷冻管提升，盾构开始推进，在盾构机推进到冻土区需注意以下几个要点：1、冷却系统：直接接入50的PVC管，从而可以根据水温情况向冷却水箱内添加或换水，或采用土箱储水。2、加泥系统：利用加泥泵进行向前舱加水流量调节，根据需要进行加水。3、刀盘系统：拼装过程中，仍然继续旋转，若有必要要停，每次刀盘停止不能超过2分钟，若遇到刀盘扭矩等原因而停止转动，必须在3分钟内解决问题。4、螺旋机：采用间隙性反转，每次间隙不超过3分钟5、拼装机：主要检查油压，油管备件。6、其他系统：进洞前，彻底保养一次，并添加液压油（视需要适量添加）。7、后配套设备全部彻底保养一次，对运输系统的所有刹车性能进行调整。运浆

8、系统的密封进行更换。在盾构过完冻土后开始在端头井内推进，由于事先在端头井及洞门圈范围内施作了砂浆垫层，故盾构机不会发生磕头现象。在盾构进洞过程中，主要有如下几个步骤。1、步骤一：盾构在进入加固土体前进行机械全面检修，在盾构进入冷冻体之前必须完成盾构机的检修，并安装蒸汽发生系统。2、步骤二：盾构刚进入加固区推进由于加固土体采用冷冻法施工，在盾构刀盘距离连续墙外侧约5m开始严格关注出土口碴样，一出现连续的冰块后，开始缓步降低土压，并辅以地表监测。3、步骤三：盾构在回填土中推进要注意机械运转情况。盾构在端头井内推进需继续出土，需关注盾构水土中推进出土口情况，防止可能发生的喷涌。0111-hl-.ft

9、(:b回填土，盾构推进等同于正常土体中推讲。-封堵墙C15砼接收支座图5.2.9-1盾构掘进示意图步骤四：当盾尾到达冷冻体前一环，同步注浆采用纯膨润土，注入量为每环2.15m3。膨润土浆液配合比为膨润土：水=300:2500（每盘浆的量，2.5ms），同步注浆压力不大于0.3Mpa。当盾尾即将脱出冷冻加固体时，停止压注膨润土，并再推进了1.5m（即推进至盾构机尾刷位于洞门处预埋钢板环环尾），此时盾构机盾尾刷在最后一环环尾，盾构机大部分已经进洞，停止推进，对最后5环进行二次注浆。C15砼接收支座图5.2.9-2盾构掘进示意图5.2.10清理填土及弧型钢板焊接清理填土主要工作流程为：污水泵抽出端头

10、井内存水-盾构机利用螺旋输送机出土-螺旋输送机无法挖除的土使用小型挖机进行清理-弧型钢板焊接，封堵洞门-少量人工进行清理-洞门封堵完成。弧形钢板采用5mm厚钢板制作，宽40cm、长60cm，内弧面直径620cm，共计加工34块，其中6块加焊球阀，如下图所示：弧型6块弧型钢板加焊球阀z钢板球阀球阀球阀6个球阀分别对应安装的位置为弧型钢板的2点、4点、6点、8点、10点及12点位置图5.2.10-1弧型钢板示意图进洞地表监测监测项目盾构进洞段监测包含隧道进洞口50m内地表沉降监测、地下管线沉降观测、建筑物沉降监测、隧道内沉降监测。本工程盾构进洞处监测点布置原则为：进洞口50m内的地表沉降监测每5m

11、个监测点，10m一个断面，管线监测每5m一个监测点，建筑物监测根据建筑物实际情况布设监测点。5.3.2监测频率盾构进洞时，采取24小时跟踪监测。5.3.3监测报警值地表沉降：累计变化为+10mm-30mm，日变量3mm管线沉降：累计变化10mm，日变量3mm建构筑物沉降、位移：累计变化+5mm-15mm，日变量2mm隧道沉降：累计变化10mm，日变量3mm各监测项目的控制标准设置相应的预警值，按控制标准值的2/3执行。当监测值接近报警值时提请有关方面注意，当监测值达到报警值时即时报警。劳动力组织冷冻加固水土回填进洞施工工序交多，且24小时进行施工，人员组织需有条不紊进行劳动力组织见表5.4劳动

12、力组织情况表。表5.4劳动力组织情况表吉口1百-T壬口諾更1帕r丄启rH2序号-1单项丄程8工申1=尸所需人数丄作内容组织工序衔+接备注1管理人员技术人员3A组织丄丿予衔接现场值班并对现场施工进行控牛II2技术人员TilT厶口4现场值班，丿1对现场施丄进仃控帀U保证冷冻正常运行3A冷冻班组2-1夕TilT厶口16an保证冷冻、正常运彳丁fS4R+-1五嵌TZ门十71二為2-1夕4匚注浆班组子厶口10n根据技术人员要求及时止确注浆TFT14NW号Hl為/口刃厶5女全员/PH-I-2A现场巡视，确保女全1也口HE4+弘1口曲宀加4立gil6r焊丄九-T4A按照现场技术人员要求焊接洞丨7杂丄合计44

13、3人材料搬运、清洁等6.材料与设备本工法施工设备和部分材料如下。表6-1冷冻施工设备及材料表编号项目单位数量备注主要设备1W-JYSLGF600II冷冻机组台套2包括蒸发器等附属设备2IS150-125-315台1盐水泵3IS150-125-315台1清水泵4测斜仪台1（灯光测斜）5测温仪台16KST-80冷却塔台27GJ-200型钻机台28BW-250型泥浆泵台39电焊机台2二冻结主要材料10127x5无缝钢管m165020#低碳钢2060 x5无缝钢管m120测温管348mmx3.5mm钢管m3442供液管4高压胶管m150耐压0.8Mpa5冷冻机油KG800N466氟里昂R22KG240

14、07氯化钙T2008单向阀（闸阀0159）只41开启压力1.0Mpa9保温材料M235010仝合金钻头只8001081115kw电热丝组18加热盐水12千斤顶10吨2个表6-2水土进洞设备表序号机械名称数量备注1土压平衡盾构机1台2挖机2台3大功率污水泵2台备用1台4吊车1台5手动葫芦4个6双液注浆泵2台7注浆球阀50个8电焊机2台7.质量控制冷冻法施工质量控制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

15、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0.30.5m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

16、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。水土进洞施工质量控制1、施工现场准备一套二次注浆设备。2、在冻结管拔至离隧道顶0.2m后，盾构机立即不间断连续向前推进，以便让盾构尽早脱离冻结区域，防止冻土融化产生险情。3、盾构机低速推进，推进速度应控制在10mm/min以内，5mm/min为宜，具体根据盾构在冻土区域内实际掘进情况及出土情况确定。4、在盾构进入冷冻加固区之后继续推进60cm，之后逐步降低土压，在盾构到达80cm的时候土压降低为

17、0。在此期间注意地表监测。5、盾构在穿越冻结区时，不宜停留，在拼装管片及故障时，刀盘停转(必须保证集中润滑油充足，避免刀盘不能正常运转)时间不能超过3分钟，同时螺旋机不断反转，另外拼装分23次，拼装时间应控制在15分钟之内，以防刀盘被冻住。6、若在推进过程中扭矩过大(2500KN-m),可向土舱适当加40左右9热水，以防止刀盘因扭矩过大而跳闸。7、解除刀盘及螺旋机连锁装置，允许刀盘连续转动，确保刀盘在管片拼装期间也可转动。8、加强盾构各油管冷却循环，避免因管路温度过高而造成盾构机自动停机风险。9、杜绝管片拼错，螺栓忘穿或穿不进现象。10、采取有效措施，确保盾构机在被冻住或被卡住紧急情况下强行使

18、盾构机后退及时脱困。环保措施施工产生的建筑垃圾随时清理,当天运走,不用的料具和机械及时清退出场,保持场内清洁。9.2施工场界噪声控制按建筑施工场界噪声限值(GB12523-90)要求。9.3施工场地、运输道路定时洒水降尘。严禁燃烧各种垃圾废弃物。施工完成后,按要求及时拆除所有工地围蔽、安全防护设施和其他临时设施,并将工地及周围环境清理整洁,做到工完、料清、场地净。土方回填及外运过程中，及时清洗车辆及场地，保证施工场地内外道路赶紧、整洁。对注浆施工过程中，钻孔流出的泥沙、注浆泄漏的浆液及清洗管路的废水等及时进行清理，保持场地整洁。效益分析本工法针对环境复杂的软土地层，特别是富水粉土粉砂地层取得较

19、好的技术效益。极大降低了盾构进洞风险，减少周边建构筑物的沉降，确保了周边居民的安全，取得了较好的社会及经济效益。施工实例杭州地铁1号线富城区间（3号盾构）工程施工环境：区间沿线建筑物调查范围为隧道顶部埋深2.5倍范围以内，经过调查盾构进洞端轴线方向50m范围内房屋主要情况如表1所示：表11.1-1沿线建筑物序号地址层高基础形式结构形式最小水平净距（米）1杭州消防支队4条形基础砖混距右线隧道约17.62中集公司物流仓储区1条形基础砖混距左线隧道约22富春路站右线进洞口地面管线较为密集，其中新增一条雨水管均与两条隧道斜交。管线详细情况统计如下表2所示：表11.1-2沿线管线管线类别管径（mm）管道

20、材质与隧道关系埋深（m）供水0600铸铁管平行1.31.5电力110kv电缆沟平行0.40.5污水管0400PVC平行3.54.0煤气0150钢管正交0.7雨水01500钢筋砼斜交5.56.0富春路站端头井洞门中心埋深分别为左线20.242m、右线19.715m。均为直线进洞，进洞坡度2%o。盾构进洞范围穿越土层为：7砂质粉土、8砂质粉土夹粉砂、1淤泥质粉质粘土。施工情况盾构机采用日本小松公司生产的土压平衡式盾构机。冷冻加固设备，采用武汉冷冻机厂生产的W-JYSLGF600II冷冻机组设备。（1）冷冻加固冷冻加固共进行53天，冻结情况见表3：表11.2-1冻结情况冻土墙盐水盐水总去路盐水总回冻

21、土平均连续墙平厚度温度温度路温度温度均温度3.0m-309-30.69-30.09-11.89-59冻结各项数据合格，满足盾构进洞条件。（2）洞门探孔与洞门凿除如图2所示，以洞门中心2为圆心，在距离洞门钢环内侧30.5m处，沿洞门钢环内侧3为圆周，平均分布8个探孔1。探孔1深度为1.04m（打穿连续墙，深入土体45m）。用电耦测温仪测试，探孔温度低于-59,冻土平均温度M109。冻土墙与槽壁完全胶结，无用水涌砂现象。满足洞门凿除要求，进行洞门凿除。凿除下的土渣，堆放在U型槽两侧，待盾构机吊出后再行清理。（3）水土回填在洞门圈下堆码两层袋装水泥，左右位置至洞门圈时钟5点钟和七点钟位置。回填2m深的清水，然后进行土方回填，回填至洞门圈上方3m的位置，同时进行清水回填，最终回填至地表2m以下深度。（4）盾构进洞盾构推进至距离到达洞门剩余50环时,进行了盾构进洞前的姿态调整,根据对洞门圈轴线和高程的实际测量，确定了洞门实际偏差，从而确定了盾构进洞时的最佳姿态，确保盾构机盾体与洞门圈的间隙平均，不会出现局部间隙过大的危险。当盾构机推进至剩余8环时，将洞门范围内的冻结管提升到