浅谈盾构冷冻刀盘技术在深埋不良地质环境下的应用

浅谈盾构冷冻刀盘技术在深埋不良地质环境下的应用

李宗 胡杰 郭小江

广东华隧建设集团股份有限公司

摘要：盾构法隧洞施工在城市地下空间的建设中得到越来越广泛的应用，深埋不良地质环境下盾构法隧洞施工过程中各种土体交杂融合的情况，危险系数更高。深埋不良地质环境下开仓换刀作业面临诸多挑战，包括地层变化、孔隙性潜水波动以及地质构造复杂性等，盾构冷冻刀盘技术能够有效解决掘进过程中地质加固问题，为安全换刀提供保障。本文浅谈盾构机在深埋不良地质环境下的液氮冻结地层加固开仓一个具体案例，为后续类似工程提供参考借鉴。关键问题涉及地质勘察、地面液氮冻结+洞内环向冻结加固开仓设计以及开仓换刀作业期间施工监测等方面。

关键词：盾构冷冻刀盘，深埋不良地质环境，施工监测，地质勘察

引言：

根据盾构掘进的过程中，盾构掘进区间大部分存在上软下硬地段、全断面硬岩地段，这些底层都会存在刀具磨损或偏磨的可能，严重时会造成刀具和刀盘的失效。影响盾构施工进度，更可能导致盾构姿态偏离设计轴线过大，造成纠偏困难等。目前较为常见的开仓方式主要有常压开仓和带压开仓，其中常压开仓因其安全性和高效性得到较大范围的采用，但是在某些特殊条件下则需要采用带压开仓。对于超大埋深且不良地质的情况下，单纯的采用这两种方式进行开仓，风险性难以衡量。本文旨在探讨盾构冷冻刀盘在深埋不良地质环境下位于富水不良地层采用液氮冷冻地层冻结加固+洞内环向冻结加固安全、高效开仓方法，我们可以更好地应对盾构隧道工程的开仓换刀需求，有效提高安全性。

1. 深埋不良地质环境对盾构机开仓的影响

盾构机拼装完成后停机，需进行开仓换刀作业，停机位置的刀盘中心线高程约为-44.33m，硬化后地面高程约为2.45m，地表到刀盘底覆土厚度约为51.08m。“自上而下为①人工填土3.45m，②-2淤泥10.1m，②-3含淤泥质粉细砂、细砂5.9m，②-4淤泥、淤泥质黏土12m，②-5泥质粉细砂、中细砂4.5m，②-6中粗砂2.7m、③-2含有机质粉质黏土3.83m、③-4中粗砂、砾砂4.99m、Ⅳ强风化粗砂岩1.19m、Ⅲ弱风化泥质砂砾岩2.42m。盾构机掌子面位置上方为中粗砂，中部为强风化粗砂岩，下部为弱风化岩。地下水类型以孔隙性潜水为主，地表水与地下水互为补排，雨季主要以大气降水和河流、渠道补给地下水，枯水季地下水补向河流，勘察期间沿线地下水位普遍埋深较浅，多0.5m～3m，揭露高程约0m～2m，受潮汐影响较大。局部丘陵地带以基岩裂隙水为主，地下水主要受大气降雨补给，向沟谷排泄，地下水位随地形变化，一般埋深2.0m～5.0m，大多在强风化底部～弱风化带顶部。”

在如此深埋不良地质环境中，盾构开仓换刀作业面临多种安全难题。比较常见的开仓方案安全风险很高，如①气压开仓方案，影响因素：盾构机停机位置埋深大，且所处地层差、软硬不均，气压开仓时泥膜较难形成。安全性、可靠性较差；②冷冻刀盘开仓专项方案，影响因素：1）盾构机埋深较大，所需冻结体较大，工期不可控。2）盾构机回转中心损坏，导致冷冻刀盘冷冻管部分损坏，暂时又无法修复，无法保证冷冻效果。

考虑上述情况，盾构机覆土较深且为软弱地层，为保证开仓换刀作业顺利，保障施工安全，避免发生安全生产事故，采用③地面液氮冻结+洞内环向冻结加固开仓方案：1）冻结体区域较大，常压开仓后安全性较高，进仓人员安全有保证；2）开仓换刀作业时间较短。

2. 地面液氮冻结+洞内环向冻结加固开仓设计

①液氮冻结地层加固思路

冻结壁的作用是在刀盘换刀时，起到加固周边土体及封水的作用。以满足

安全换刀的要求，为此，要求冻结壁需能承受刀盘处水土压力的作用。

为确保盾构顺利换刀，须对刀盘周边土体进行冻结地层加固，同时为保证盾构施工工期要求，采用液氮冻结加固方式。即：在盾构机刀盘上部及刀盘前方利用垂直冻结孔冻结加固地层，使盾构机刀盘左右侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“∩”状冷冻加固体。拟在刀盘前方设置2排冻结管（A、D排），盾构上方布置2排冻结孔（B、C排），采用液氮进行冻结，短时间内形成冻结体。

冻结壁的作用是在刀盘换刀时，起到加固周边土体及封水的作用。以满足安全换刀的要求，为此，要求冻结壁需能承受刀盘处水土压力的作用。考虑液氮往下冻结速度慢，盾构掘进区域B、C排冻结孔全部打到盾构机顶0.2m处。

②洞内环向冻结加固思路

本盾构机切口环预埋了冷冻管，分为4组，每组三进三出，共进口12路，出口12路；刀盘1组冷冻管四进四出。因为刀盘冷冻管路已扭断，刀盘没法冷冻，目前现场仅能用的是冷冻切口环的管路，固在切口环处采用盐水冷冻加固。

液氮冻结施工刀盘前冻结壁范围设计指标为：

1、冻结壁厚度≥1.8m，宽度约15.2m，最深处53.93m；

2、冻结壁的平均温度≤-15℃；

3、液氮进口温度：-150～-170℃；氮气出口温度：-60℃以下；

3. 地面液氮冻结+洞内环向冻结加固开仓换刀作业期间施工安全监测

在应对深埋不良地质环境中的开仓换刀期间，周边地质环境安全问题特别重要，施工安全监测目的：①及时掌握进仓施工过程中地表沉降情况及掌子面变形情况。②实时监控掌子面稳定情况，实现信息化施工。③积累监测资料和经验，为后续开仓提供类比依据。

地面液氮冻结+洞内环向冻结加固开仓换刀期间监测内容具体为地面沉降监测；隧道结构竖向位移监测；隧道水平收敛位移监测。

（1）地面沉降监测内容：开仓对应地表位置，前后20m范围内，每5m设一断面，每断面点间距5～10m，每个横断面布置7-11个测点，依据近密远疏的原则布置，可视现场实际情况加密。地面沉降测点的选取要考虑盾构机端头地表的变形特征，既要利于观测点的保护，又要方便电子水准仪的观测。若满足布设附和导线尽可能按导线网布设，降低中误差，对数据进行平差计算，即可提升数据质量，观测的水准线路闭合差应小于±0.3（mm）（N为测站数），然后按照观测距离或者测站进行平差计算，算出各测站的高差改正数推算出各监测点的高程。监测作业前，由控制基点通过水准测量求出沉降观测点的初始高程Ho，在监测过程中求出的高程为Hx。则高差△H＝Hx－Ho即为隆降值。

（2）隧道结构竖向位移监测内容：在管片拱顶或管片底部埋设测试点，用红漆进行标注，隧道结构竖向位移和水平位移、收敛监测应集中于同一断面，开仓位置盾尾后50环范围内，监测断面纵向间距5环设一断面。管片顶部采用全站仪通过三角高程读取，管片底部采用电子水准仪量测各测点与基准点之间的相对高程差。

（3）隧道水平收敛位移监测内容：在盾构隧洞两侧的管片上分别钻孔，钻孔后可插入收敛勾，倒入水泥砂浆使其固定，尽量使两侧水平收敛点均在同一水平线上；又或者在隧道两边贴上反射片，使用全站仪采取其坐标，利用两点间距离公式算出收敛值。管片结构水平位移、净空收敛，采用收敛勾的通过收敛计测取，采用反射片的测点利用全站仪测取。

结语：

在深埋不良地质环境下，为保证开仓换刀作业施工顺利，采用了液氮冻结技术，辅以盐水冻结盾构切口环打破了传统的冻结交圈判定方式的局限性，研究出适应于超大埋深情况下的冻结壁交圈判定的多个结合判定参数。一方面，缩短了换刀作业时间；另一方面，降低盾构开仓造成涌水涌砂的风险，提高了作业人员的安全性，减免了抢险对施工工期的耽误以及经济损失此项技术为后续类似工程提供了极有意义的参考借鉴，同时，也为进一步优化方案，提高开仓效率奠定了基础，今后必能得到推广。

参考文献：

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