大型泥水平衡盾构穿越冰冻区冻结技术研究

大型泥水平衡盾构穿越冰冻区冻结技术研究

上海延安东路隧道位于延安东路隧道南侧约60.100m的规划交叉口。从浦东曹家遗址到达大约500米宽的黄浦江，到达浦西延安东路盛泽交叉口，全长2207.5m。其中，圆形构隧道1290.5m，最大埋深36m，最大跨海段最小覆土厚度7m。圆隧道内径9.9m,外径11.22m,采用日本引进的大型泥水平衡盾构施工。圆隧道全部采用预制钢筋混凝土管片的衬砌形式。冻结工程位于金陵东路与江西路交汇处附近(见图1)。该区长37.0m,宽16.8m,土层分布情况为:0～-2.0m为填土;-2.0～-3.0m为褐黄色粉色粘土;-3.0～-14.0m为灰色淤泥质粘土,盾构基本处于强度低、稳定性差的灰色淤泥质粘土中。该区覆土厚约4.23～6.50m,仅为盾构安全极限厚度(1.5D=16.80m)的1/3～1/4。在江西路段,由于路面开挖,覆土厚仅为2.5m,约为安全厚度的1/7,是整条隧道覆土最浅段。该工程与40层高的工商大厦相接,南侧距金陵东路约2.0m,西与1号工作井直接相连,北离延安东路隧道地面风塔约12m。由于覆土太浅,一般的加固技术不能满足强度要求,经多种方案的比较,决定采用冻结加固方案。1试验设计和施工在进孔段的冰冻加固1.1冻结管的布置冻结加固范围从工商大厦到工作井,加固长度37m。在隧道的横向,延伸到隧道外侧2.8m。对于冻结管的布置,有水平和竖直方向两种。如果沿水平布置,则必须从工作井内打水平孔,势必对井壁造成破坏,而且钻孔和冻结管的安装困难。竖直方向的布置则避免了这些问题。最后采用从地面钻孔的垂直冻结方案。1.2快速冻结的钢拱式冻结体在布孔方式上,考虑到江西路因管线暴露,覆土最浅,采用加密(间排距1.0m)加粗(Ø140)冻结管的措施,进行强化冻结。其它地方间排距为1.4m,冻结管半径为110mm。另外,考虑到盾构推进方便,在圆形盾构的外侧,保留0.5m的未冻区,最后形成如图2(a)、(b)所示的棚拱式的冰冻体。沿江西路两侧,冻结管的间排距为1.4m。1.3社会主义设备在生产水循环池上的应用,其冻结施工选用螺杆式制冷压缩机。它只有旋转运动部件,动平衡性好,具有占地面积小,重量轻的优点。同时,采用喷油冷却,减少了冷却水用量。配合高效节水的玻璃钢冷却塔,省电,安装时间短,减少了水循环池,运转维护简单,搬运方便,自动化程度高。通过这两项技术措施,大大减少了占地面积,机组占地面积不到30m2,适应了城市施工的特点。2冻结温度、应力、位移监测整个冻结施工过程,包括从冻结开始,到盾构推进结束的解冻和充填注浆,冻结土体的热力学性质发生、经历了剧烈的变化,并由此对施工和环境产生影响。为了解冻结加固体的扩展速度,冻结壁厚度和强度,掌握冻结和掘进过程泥浆压力、注浆压力以及其他各种力综合产生的二次应力的变化情况,观察并控制地表及地层内部位移的变化,冻结施工过程中就土体温度、应力、位移进行了实测。利用轴对称特性布置的测孔状况如图3所示。由于测温孔内安设热电偶测点,而在下放的套管外壁上安装压力传感器。因此测温孔与测压孔是一致的。为了量测土体的分层变形,在全区范围内还布置了地层变形测孔。2.2土体温度分布情况,主要有温延安东路速度复线冻结施工中,开发使用了温度传感器(热电偶)、工业型数据采集器和微机形成的自动检测系统。图4是利用该系统所测得248孔3.8m和7.0m深对应的温度变化情况。各点温度变化都经历了线性下降、平缓下降、线性下降和解冻升温几个特征阶段。在正温阶段下降迅速,而在零温度附近则变化平缓,为交圈期,随后又迅速下降。实测最低温度为-29.7℃,平均土体温度约为-27.8℃。沿深度方向,冻结棚拱的中部温度最低,浅部由于热辐射作用温度略高,在冻土体的底部,因热传导作用,温度由负温逐渐过渡到零温度。沿水平方向,冻结管位置温度最低,相邻两冻结管的中部温度最高。2.3冻结压力随时间的变化压力传感器为TYJ20钢弦式土压力计,配以ZXY2D型钢弦式频率计形成压力检测系统。图5是248测孔1.5m(曲线2)、2.5m(曲线3)、7.0m(曲线1)土体冻结压力随时间的变化情况。由图看出,沿深度方向,土体压力变化是顶部小、中部大、深部小的变化趋势,类似于温度场的变化。将图5与图4对比,在冻结第10～20d,即交圈期,土体的应力发生突变。应力突变主要是由于在这一时期,大量水分相变,体积急剧膨胀所致。而中部应力大,浅部和深部应力小则是因为浅部应力部分得到释放,深部土体温度较高的缘故。2.4地表位移变化沿冻土不同深度地层和地表都设有位移测点。图6是江西路路面205测孔地层位移变化情况。其中曲线3为地表位移变化,曲线2、1分别为1.0m、2.0m深的位移变化曲线。由图看出,沿深度方向,地层越深,位移越小,在冻土体底部实测到的位移很小,约为4mm,而在2.0m深,最大位移约为6cm,地表最大冻胀位移达21cm。在冻土体底部有位移,主要是由于未冻土中的水分向冻土中迁移所致。3土体应力分析工程实测表明,软土经冻结加固后,盾构推进对土体的位移扰动很小,地表变形甚微,最大位移小于1mm。与冻结过程中因冻胀引起的地表变形变化相比,可忽略。这主要是由于本次土体冻结温度低,冻土的强度高。但土体的应力变化较明显,表现为水平应力的减小,部分测点甚至由压应力变为拉应力,特别是沿轴线上方的土体,变化最大。本次施工采用的是泥水平衡盾构,在刀盘前方有0.2～0.3MPa的泥浆,用以平衡正面土体压力。泥水压力作用,使得冻土体沿速度横截面的径向受压,切向受拉。图7是盾构掘进时土体压力变化情况。曲线1、2、3分别为中区236测孔2.5m、0.5m、1.5m处的水平压力变化情况。从第30d开始,土体的压力一直处于下降阶段,但在第36d,盾构处于掘进状态时,土体压力呈跳跃下降,停止推进时,又恢复正常下降状态。4掘进压力和速度设定泥水平衡盾构掘进施工中的切口泥水压力控制至关重要,直接关系到切口正面土体的稳定。整段推进切口水压实际设定为0.099MPa。而理论设定为0.123MPa。施工中的同步注浆为13m3/环,平均压浆是1.1m3/环,平均注浆压力0.4～0.5MPa。在泥水平衡盾构掘进中有两个重要指标,即每环掘进中的土砂量和干砂量积算值,这两个值越接近理论值表明开挖面稳定切口越好。本段施工土砂量积算值为98.21m3(理论99.2m3),干砂量为46.76m3(理论46m3)。5冻结施工中降低冻胀和土江西路路面下有许多管线,如上下水道、煤气管道、电力与通讯电缆等,不允许地层有大的变形,冻结施工中,我们采取以下措施,有效减小冻胀的影响:①将重要管线暴露并悬吊;②同步跟踪注浆,降低掘进下降量;③冻结边界设置卸压沟槽,减小冻结对周围环境的影响。这些措施,有效地保护了重要的管线和周围的建筑物与建筑设施,加固效果良好。6覆土进洞施工延安东路速度南线工程盾构进洞段土体冻结