泥水盾构技术8.5盾构进洞段冻结法施工技术

 第八章 五、盾构进洞段冻结法施工技术 1进洞段土体加固 　　海 延安东路南线隧道盾构进出洞段的盾构隧道覆土很浅，始发推进出洞段覆土为6m，接收井进洞段覆土为4.5m，均需采用洞口土体加固，以确保盾构施工安全。 出洞段采用深层搅拌桩加固，盾构出洞后发生严重的泥水冒浆和加固土体堵塞泥水管道的现象，引起掘进施工困难，土体严重塌方，拖延了施工期。 　　位 于江西中路西侧的盾构进洞段覆土4.5～5.5m，且江西路下有煤气管、自来水管、下水道及众多的电缆线要保护，采用何种土层加固方法才能有效防止地面冒 浆，保持开挖面泥水平衡和控制地面沉降，保护管线安全。经多组方案比较，选择了冻结加固土体的方案。该方案对盾构隧道上方土体进行人工冻结，形成一个整体 性好、强度高的冻土拱棚，以确保盾构掘进施工中开挖面的泥水压力不损失、不冒浆。 　　盾 构进洞段的地层情况依次为杂填土、褐黄色粉质粘土、灰色砂质粉土、灰色淤泥质粘土、灰色粘土，冻结土层为粉质粘土、砂质粉土、淤泥质粘土，地下水位为 -1.0m。冻结土层含水量高(达35～50%)、孔隙比大(0.9～1.4)，强度低(容许承载力为60～100kPa)。 　　2冻结加固的 　　(1)冻结加固区范围 　　盾构进洞段冻结加固区平面范围见图157，东西长度37m，从1号接收井至工商大厦，宽度在隧道中心轴线两侧8.5m。冻结加固深度见横剖面图158，从隧道拱腰至拱顶，形成冻结土拱棚。 　　(2)冻土拱棚的内力计算 　　冻土拱棚的计算模型和荷载分布见图159。 　　根据计算求得的冻结拱棚顶部的最大拉应力δmax=335kPa，其值小于-10℃时淤泥质粘土单轴抗压强度1/8，即3.96MPa×1/8=495kPa＞δmax，冻土棚能满足荷载作用引起的拉应力要求。 图157  冻结加固平面图 图158  江西路和进洞段冻结施工剖面图 图159  计算模式及荷载 　　考虑注浆内应力对冻土棚的剪切作用，经计算得δt=63.2kPa远小于冻土的抗剪强度1000kPa，满足抗剪强度要求。 　　(3)冻结加固方案 　　采用垂直冻结管冷冻、盐水冻结，盐水最低温度-24℃，冻结土温度达-10℃，冻土抗压强度为3.96MPa。冻结管间隔1.5m，冻结扩展速度2～3cm/d，冻结30d交圈，达到设计强度。   　　3冻结施工及监测 　　冻结施工由中煤总公司特殊工程公司承担，1995年12月中旬进场，钻孔埋设冻结管，冷冻机采用两台220千瓦的机组。冻结区分成东区、中区、西区，1996年1月上旬冷冻机运转，至2月下旬东区冻结区交圈，中区和西区也逐渐交圈，形成大范围冻土拱棚。 　　在冻结区分别埋设测温点、土体位移管、土压力计、地沉降，随时监测冻区的发展、降温、冻胀力、土体变形隆起等，以指导冻结施工和盾构掘进施工，保护冻区的环境和地下管线的安全。   　　4冻结区盾构掘进施工 　　1996 年2月21日至3月5日，盾构穿越37m冻结加固区。在工商大厦与冻结区的结合部，曾发生冒浆现象，而进入冻结区后，未发生冒浆。盾构掘进施工参数进行了 调整，切口泥水压力设定0.1MPa，小于理论泥水压力0.12MPa，推进速度减慢为1.0cm/min，盾构推力为33550kN，比非冻区掘进增大 20%。整个盾构推进过程中，冻土拱棚十分稳定，地面隆沉量小于1mm。 　　1996年3月6日，盾构靠上1号接收井，至3月26日，盾构全部进入。历时20天，整个进洞过程无土体坍塌、泥水冒浆和洞圈的严重渗漏水现象，冻结加固取得良好的效果。  通过对上海软土冻结特性和冻结法工程应用研究取得了大量的可靠的数据、资料、技术参数，工程应用获得成功，主要成果如下： 　　(1) 上海软土的冻结强度与冻土温度、含水量、矿物成份及颗粒大小有关，冻土单轴抗压强度随温度变化而成线性变化，-6℃时可达2.3MPa，强度增大20倍以 上，-10℃时可达3.98MPa。冻胀率为3.2%，融降率在3%以内。最大冻胀变化在0℃～-5℃时，冻胀量约占最终冻胀量的90%，-5℃以下冻胀 变化很小。 　　(2) 静水和动水条件下，土层冻结规律有明显差异。液氮冻结，当流水速度小于5m/d，冻土形成规律与静水条件相似，但制冷能力略有下降；当流水速度大于10m /d，冻土扩展受到抑制，冻土形状不规正；当流水速度大于39.6m/d，冻土扩展较困难，可认为是冻结的上限速度。 　　综上所述，通过延安东路南线隧道选用大型泥水盾构施工实践，显示出这类大型泥水盾构在水底公路隧道施工方面与以往使用的盾构相比，有如下的主要优点： 　　①泥水盾构能更好地适应大直径水底公路隧道掘进施工，泥水压力与原状土压力建立的平衡较刀盘压力平衡来得均匀稳定，对土层扰动小； 　　② 泥水盾构本体上安装了伸缩式仿形刀、同步注浆双液管、土体坍塌器、纠偏千斤顶等为盾构穿越各种复杂地层、重要构筑物及地下管线创造了有利条件，遇到突 发事件可自我调整。这次南线隧道工程中盾构成功地穿越2号风井、外滩防汛墙、自行车地道、工商大厦地下车库、江西路地下管线等，表明大型泥水盾构的优良性 能是减少盾构掘进施工对环境影响的重要因素； 　　③ 泥水加压式盾构的正常掘进施工，是泥水处理系统、同步注浆系统及泥水输送平衡系统的有机统一。就泥水处理而言，它必须控制好输送泥水的配比以适应各种土层 的混合排出；就同步注浆而言，它必须控制好充填盾尾土层缺损的注浆量与凝固时间；就泥水输送平衡系统而言，无论在掘进施工时，还是在暂停时，它必须始终使 泥水仓的泥水压力与正面土压力保持平衡。这三大系统同步地发挥作用是盾构施工的技术关键，现代微电子技术、控制技术、管理技术的应用使盾构掘进施工如虎添 翼，各系统都配置了信号传感器及控制器，直接地将盾构姿态信息、施工参数信息、同步注浆压力、压量信息、泥水压力、比重、流量信息，传入地面中央控制室， 经电脑编辑管理显示给操作人员，一旦操作人员发出指令，电脑再将反馈信息发出，自动调整三大系统以满足盾构正面掘进施工需要。尽管泥水加压盾构比土压平衡 盾构来得复杂，但现代高新技术的应用使施工人员操作十分方便。