人工地層凍結(jié)在地鐵隧道流砂地層盾構(gòu)出洞施工中的應(yīng)用

1、人工地層凍結(jié)在地鐵隧道 流砂地層盾構(gòu)出洞施工中 地應(yīng)用【摘 要】地鐵隧道盾構(gòu)自工作立井始發(fā)進(jìn)入隧道首先要 解決洞門區(qū)域地層封閉加固 問題 , 而傳統(tǒng)工法對處理流砂 地層難度較大 . 本文介紹了我國地鐵隧道首例流砂地層中盾 構(gòu)出洞采用人工地層凍結(jié)法地工程實(shí)例 , 該工程中成功地解 決了地鐵隧道盾構(gòu)出洞擾動流砂地層封閉加固難題 . 同時(shí)本 文對該工程中人工地層凍結(jié)法地 應(yīng)用 效果進(jìn)行了 分析 與 研究 , 認(rèn)為其抗?jié)B性和整體支護(hù)效果要優(yōu)于其他 方法 . 【關(guān) 鍵宇】 人工地層凍結(jié) 隧道 流砂盾構(gòu)出洞 1 前 言1 1 人工地層凍結(jié)簡介人工地層凍結(jié)法是在地層中鉆鋪垂直或水平凍結(jié)器 , 利 用低溫鹽水

2、循環(huán)或灌注液氮 ,降低地層溫度 , 將天然巖土變成 凍土 ,形成強(qiáng)度高、不透水地臨時(shí)凍結(jié)加固體 . 同時(shí)可免去一 些結(jié)構(gòu)支護(hù)和降水措施 . 地層凍結(jié)法是一種環(huán)保型工法 , 地層 凍結(jié)是將地層中地水變成冰 , 所加固地層最終要恢復(fù)到原始狀況 ,因此能夠保障地下水不受污染 , 保護(hù)城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu) 地完整性 .1 2 盾構(gòu)出洞人工地層凍結(jié)應(yīng)用原理隧道盾構(gòu)從工作立井推人隧道前 , 需要鑿除隧道洞門結(jié) 構(gòu)外側(cè)鋼筋混凝土地下連續(xù)墻, 但是由于隧道盾構(gòu)出洞承受工作井附近土層產(chǎn)生地巨大地壓和水壓 , 會導(dǎo)致涌水或涌砂 . 因此首先必須對混凝土地下連續(xù)墻外側(cè)含水地層進(jìn)行加固處 理. 以往多采用注漿法或深層攪拌

3、加固地層, 但是在流砂地層（ 特別是擾動砂性土層 ） 采取注漿法或深層攪拌難度較大 , 效 果不佳 . 在打開洞門混凝土施工中 , 存在涌水或涌砂、甚至土 體坍塌地危險(xiǎn) , 給盾構(gòu)出洞帶來極大困難 . 采用人工地層凍結(jié) 技術(shù)對工作井附近土層進(jìn)行封閉加固 , 即在盾構(gòu)出洞口前方 34m隧道圓形設(shè)計(jì)斷面及其周邊34m地范圍內(nèi)，鉆鋪垂直（或水平 ）凍結(jié)器 , 在凍結(jié)器內(nèi)循環(huán)鹽水 , 逐漸降低地層溫度 地層中地水變成冰 , 冰和土顆粒逐漸形成凍結(jié)連續(xù)體, 將凍結(jié)區(qū)域和混凝土地下連續(xù)墻形成整體凍結(jié)封閉加固區(qū), 防止在鑿除隧道洞門鋼筋混凝土?xí)r產(chǎn)生涌水或涌砂現(xiàn)象 , 從而保證 盾構(gòu)順利出洞和就位 .2 工程

4、應(yīng)用及其效果分析2 1 工程簡介南京某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu) , 盾構(gòu)直徑8 05m.劇拙洞地洞門地層為砂性土 ，含水高，水壓大，透水性 大 , 暴露擾動時(shí)易產(chǎn)生液化、流動而形成流砂 . 盾構(gòu)出洞口地 表15m范圍內(nèi)，沿盾構(gòu)出洞方向有 380v電纜一根，J 900下水 管一根與盾構(gòu)出洞交叉方向有380v電纜一根，J 150和J 1200 上水管各 根. 盾構(gòu)出洞口地層曾采用深層攪拌樁和壓 密注漿對洞門區(qū)域砂性土層進(jìn)行加固處理 , 加固區(qū)與地連墻 之間0. 5m區(qū)域地進(jìn)行注漿.施工結(jié)束1個(gè)月后，對加固地層 進(jìn)行取芯檢驗(yàn) , 檢驗(yàn)結(jié)果良好 , 土體 bn 固強(qiáng)度在 1 2MPaVd. 但水平

5、探孔有少量清水滲流 , 在開鑿洞門鋼筋混凝土過程中 , 洞門中心處出現(xiàn)大量流砂涌人 , 后又從洞門兩側(cè)發(fā)生大量流 砂, 洞門開鑿被迫停止 . 經(jīng)過方案比較 , 擬用人工地層凍結(jié)法 對注漿區(qū)實(shí)施勵(lì)n固.凍結(jié)方案如下：(1) 凍結(jié)方式：采用單排垂直全深凍結(jié)方式 , 凍結(jié)深度19. 5m(控制范圍：位于盾構(gòu)推進(jìn)斷面上部 4. 0m,下部4. 0m).(2) 凍結(jié)孔布設(shè)： 凍結(jié)孔布設(shè)區(qū)域：盾構(gòu)推進(jìn)斷面左右兩側(cè)各35m. 凍結(jié)孔間距： 400mm.(3) 積極凍結(jié)期： 20d.(4) 凍結(jié)管解決方式：通過強(qiáng)制解凍后拔出地面 .根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果 ,經(jīng)過 20 天積極凍結(jié) ,預(yù)測已形成深 度19m,寬度12

6、m,厚度0. 65 m地凍結(jié)加固體.后打開洞門鋼 筋混凝土墻 , 洞門內(nèi)凍結(jié)土體自立性好 , 未見滲水現(xiàn)象 , 封水 效果也較理想 . 隨即進(jìn)行隧道斷面凍結(jié)管解凍和起拔工作 , 解 凍時(shí)間 17小時(shí), 待凍結(jié)管起拔結(jié)束后推進(jìn)盾構(gòu) , 從而保證了盾 構(gòu)安全、順利出洞 . 地層凍結(jié)法在該工程中遇到了極大挑戰(zhàn) . 其一, 地層已被大規(guī)模擾動 , 而且地層因大量流砂而產(chǎn)生空洞 不利于凍土墻地形成； 其二 , 由于前期較短時(shí)間內(nèi)已在地層中 注入了大量水泥漿液 , 其水泥水化熱對凍結(jié)效果產(chǎn)生 影響 .2. 2 應(yīng)用 效果 分析(1) 砂性地層凍土墻地隔水、抗?jié)B性好由于該處地層較為復(fù)雜 , 主要是砂性地層

7、, 含水量高 , 透 水性大 , 擾動易產(chǎn)生液化、流動而形成流砂 , 給采用其他地層 加固工法帶來極大困難 . 前期采用深層攪拌樁及壓密注漿對 洞門區(qū)域砂性地層進(jìn)行加固 , 盡管取芯檢驗(yàn)結(jié)果說明土體加 固強(qiáng)度在1.2MPa以上,但由于在流砂地層中深層攪拌樁及壓 密注漿對地層加固不均勻 , 地層中存在未完全封閉地區(qū)域 , 當(dāng) 打開洞門時(shí) , 地層水從薄弱區(qū)域涌出 . 采用地層凍結(jié)法 , 將地 層中地水變成冰 , 冰與土顆粒共同形成凍結(jié)連續(xù)體 , 凍結(jié)加固 區(qū)是個(gè)完整、 均勻、連續(xù)地區(qū)域 , 凍結(jié)體內(nèi)不會存在任何縫隙 , 起到了良好地隔水效果 .(2) 砂層凍土墻可與連續(xù)墻帷幕形成整體防水體系通過

8、在交界面處實(shí)施強(qiáng)化凍結(jié) , 可以保證凍土墻與工作 井混凝土連續(xù)墻緊貼在 起 , 沒有任何縫隙 , 抗?jié)B性和整體封 閉效果要優(yōu)于其它 方法 , 保證不會在凍結(jié)封閉加固區(qū)與混 凝土連續(xù)墻交界處產(chǎn)生滲水現(xiàn)象 , 避免了從洞門兩側(cè)發(fā)生大 量流砂 .(3) 地層凍結(jié)法在砂性地層中凍土擴(kuò)展速度較快 , 速度可 達(dá)到3035mm/d,而且凍結(jié)土體強(qiáng)度高.(4) 凍脹和融沉可以得到有效控制該工程在進(jìn)行工程中 , 對周圍地表隆起和沉降進(jìn)行了實(shí) 時(shí)監(jiān)測，其最大值在正負(fù)10mn以內(nèi)，對周圍環(huán)境未產(chǎn)生影響.采用特殊施工方法可有效控制凍脹和融沉 , 諸如：局部凍結(jié)、 間歇凍結(jié)、預(yù)注漿和跟蹤注漿等 .(5) 盾構(gòu)刀盤通過

9、凍結(jié)加固體受力均勻 , 而采取深層攪拌 加固地地層盾構(gòu)刀盤切削漿液結(jié)石體強(qiáng)度不均勻 .(6) 可控制凍結(jié)加固區(qū)范圍通過調(diào)整凍結(jié)孔地孔位或調(diào)整冷媒劑溫度 , 可有效控制 凍結(jié)體地形狀和擴(kuò)展范圍 . 另外 , 對于應(yīng)急工程 , 可采用液氮 進(jìn)行快速凍結(jié) .2 3 問題 與探討(1) 工作井內(nèi)隧道洞門前部凍土縱向加固范圍應(yīng)至少布設(shè)2-3排凍結(jié)器，凍土墻厚度不小于 3m.雖然布設(shè)單排凍結(jié)器 亦可形成隔水凍土墻 , 但由于自打開洞門至盾構(gòu)滿足推進(jìn)條 件需要45d時(shí)間,在此期間暴露地凍土墻極易被周圍環(huán)境、地層或水泥水化熱所融化(2) 停止冷凍后 , 盾構(gòu)機(jī)頭應(yīng)及時(shí)貼在洞門凍結(jié)土體上 垂直凍結(jié)器拔除后 , 應(yīng)立即推進(jìn)盾構(gòu) , 防止暴露地凍土墻在環(huán) 境溫度下加劇融化 .3 結(jié) 論(1) 首次在擾動流砂地層中利用地層凍結(jié)法成功解決了 地鐵隧道盾構(gòu)出洞地層加固難題 . 砂層凍土墻起到良好地隔 水和支護(hù)墻效果 , 保證了盾構(gòu)順利出洞準(zhǔn)確地就位 .(2) 凍結(jié)封閉加固區(qū)可