水平冻结法盾构接收风险控制策略

水平冻结法盾构接收风险控制策略

钱勇

中煤隧道工程有限公司    江苏徐州   221100

摘要：本文以昆明轨道交通2号线会展中心站盾构接收施工采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩+水平冻结加固+钢套筒的接收形式案例为背景，重点介绍了接收洞门采用水平冻结法加固的基本原理和适用条件，进一步全面分析了盾构接收风险产生的原因，提出了盾构接收风险控制对策，为类似工程风险控制提供借鉴。

关键词：水平冻结法；盾构接收；风险控制

0.引言

盾构法隧道施工中，洞门土体加固是盾构始发与接收的重要组成部分，也是事故的多发地带，合理选择洞门土体加固施工工法和必要的加固监测，是保证盾构法隧道顺利施工的重要环节。洞门常用的加固方法有化学注浆法、砂浆回填法、深层搅拌法、高压旋喷注浆法、冻结法等。根据现场实际情况和周边环境，各种方法均有交叉运用，城市地铁隧道常采用盾构施工，由于设立地铁交通的城市大部分位于沿海城市、省会城市和长三角地区，施工地层70%为松软地层和含水地层，洞门周边一般均地处城市繁华地带、高楼林立、环境复杂，这就为冻结法这种特殊施工工艺创造了展现施工优越性的舞台，故在洞门加固中常用冻结法进行补充加固或单独加固。

冻结法加固方式分为水平冻结法加固和垂直冻结加固，在现场条件允许的情况下优先采用垂直冻结加固在地面施工，但由于地面高压线路、高架桥等建（构）筑物影响，地下管线复杂、箱涵交错影响，使现场采用垂直洞门加固工法使用频率反而较低，常常采用在始发与接收井内进行水平冻结加固[1]。

本文就是采用水平冻结加固技术，在盾构接收前，对接收洞门通过制冷技术冻结补充加固周围不稳定地层，形成具有临时承载和隔水作用并满足工程施工安全需要的冻结壁，在冻结壁的保护下进行接收的施工方法。并通过对接收期间冻土帷幕变形、地表沉降及周边环境影响进行监测，在此基础上对冻结体进行控制和管理[2]，为了交流与学习，促进水平冻结法在施工实践中的运用，对水平冻结法条件下的盾构接收风险控制策略进行分析。

1.工程概况和施工方法

昆明市轨道交通2号线龚家村站~会展中心站盾构区间，长度2382m，采用海瑞克φ6450复合盾构机，从龚家村站南端头井始发推进，至会展中心站西端头井接收。

会展中心站西端头接收井埋置于（3）5-2层粉砂、（3）4-3层粉土、（3）3-3层泥炭质土、（3）1-3层粉质粘土。

会展中心站地质剖面图

其中盾构接收主要穿越的粉砂层渗透系数较大，为0.8-1.5m/d，含水量较高，属微承压水层；泥炭质土渗透系数较小，为0.005m/d，属弱透水层。

会展中心站为地下三层站，盾构接收紧邻5号线且接收处位于承压含水砂性土地层，单独采用搅拌加固、高压旋喷桩的加固方式无法保证加固效果，故盾构接收采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩+水平冻结加固+钢套筒的接收形式。

三轴搅拌桩桩长为28m，强加固范围为隧道外轮廓上下左右各3m，强加固水泥掺量为28%，弱加固水泥掺量为20%，高压旋喷桩采用三重管双高压工艺实施，水泥掺量为25%，桩长28m。旋挖素咬合桩桩长为28m，桩径800mm，采用M5水泥砂浆灌注。

会展中心站西端头采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩加固后，采用水平冻结加固工艺对盾构接收处土层及结合面进行补充加固。冻结壁帷幕长12m、“杯壁”厚度1.65m，“杯壁”纵向长度9.5m，“杯底”厚度2.5m。洞圈内冻结管长度3.7m，会展中心站地连墙厚1.2m，洞圈内冻结管将突出地连墙外2.5m；洞圈外冻结管长14.3m，会展中心站内衬墙厚1.1m、地连墙厚1.2m，洞圈外冻结管将突出地连墙外12m。

冻土强度的设计指标为：单轴抗压3.5MPa，抗折1.8MPa，抗剪1.5MPa（-10℃）。设计冻结壁平均温度不高于-10℃，为避免盾构机被冻土冻死，保障盾构机接收顺畅，设计冻结壁平均温度不低于-15℃。

盾构端头冻结冻结孔布置图

盾构端头冻结主要设计参数表

2.盾构接收风险分析

盾构施工前，应收集相关工程地质、水文地质、周边环境、盾构机设备设施、图纸设计方案、现场系统状况等相关资料，进行分析评估各因素，综合判断风险。

根据施工经验，水平冻结法盾构接收存在以下风险因素：

（1）地质因素中需重点考虑富水砂层对施工的风险影响[3]，应考虑水的流速、水位、补给水源等各种因素，并需在冻结体加固后进行校验加固体的密实性，防止漏砂漏水风险；

（2）盾构机进入冻土前要确保设备完好[4]，应对盾构设备及管线进行检查维护保养，防止盾构设备及管线受损，因修理在冻结区间停滞时间过长，造成盾构机刀盘、机体被冻住风险；

（3）冻结壁平均温度应控制在-15℃～-10℃，盾构机壳体与冻结帷幕交界面的温度宜为-5℃～-3℃，应防止盾构机刀盘、机体被冻住风险；

（4）盾构接收期间，要控制冻结温度，防止冻结体出现严重开裂、不均匀沉降，隆起等问题；

（5）应制定详细的盾构接收专项施工方案，合理安排施工作业时间和施工工序，减少对周边环境的影响，做好应急风险控制；

（6）在冻结过程中应安排专业技术人员，密切关注温度的变化情况，防止发生断管、漏盐水等异常风险；

（7）要对洞门土体和地下水进行分析，防止存在空洞、热源、水流过速等因素，对冻结效果造成影响；

（8）应对冻结体、周边建（构）筑物、洞门地面进行监测监控，监测数据异常时应立即停止冻结，分析风险源进行控制；

（9）盾构接收期间，应合理控制同步注浆和环箍注浆加固，防止管片上浮、管片裂缝、管片损伤、管片变形，或出现地表沉降和坍塌风险；

（10）在盾构推进范围内的水平冻结管，应在冻结壁交圈稳定后，接收前拔除，且应核实数量和长度，确保拨出完毕，防止断管留存，造成损坏盾构机刀具和刀盘风险。

3.过程控制及风险应对

3.1洞门及盾构里程复核

盾构接收前复核确认盾构的当前姿态、评估盾构接收时的姿态，拟定盾构接收段的施工轴线、推进坡度的控制值和施工方案等，确保盾构在此阶段的施工中始终能够按照预定的方案实施，以良好的姿态接收，并准确就位在盾构接收基座上。

为了冻结状况良好，水平冻结管路均临近洞门圈布置，故盾构在冻结加固区中很难进行纠偏，因此必须保证盾构以良好的姿态进入加固区，在接收洞门复测完成之前，盾构应与接收井保持一定的距离，以保证盾构能顺利调整姿态进行接收段施工。

3.2 钢套筒定位安装施工

钢套筒技术主要基于平衡到达理念，制造一个直径比盾构略大、长度比盾构略长的密闭钢套与洞门密闭连接，通过在钢套筒内灌入填充物和压力水达到与土层平衡的压力，模拟盾构在土体中的推进状态，使盾构直接通过洞门，安全进入钢套筒内。

钢套筒要做好安装牢靠、整体密封、试压合格的要求，并安排专业技术人员做好安装和推进期间的监测监控，确保安全。同时要做好与水平冻结施工的交叉作业控制，一般采用两种工序作业：一种是先安装钢套筒后连接管路进行冻结，这种方法施工顺序为先打好水平钻孔，再安装钢套筒，最后钢套筒内外侧各自连接管路进行冻结，这种顺序作业的优势是作业期间不受其他影响，缺点是工期长；另一种是先水平冻结后安装钢套筒，这种方法施工顺序为先水平打钻冻结，再安装钢套筒，安装过程中在钢套筒最后与洞门圈连接时需暂停冻结，将洞门内水平冻结管路拆掉重新从钢套筒预留口内穿出重新连接，持续进行冻结，这种交叉作业的优势是工期段，缺点是冻结管路对安装施工造成一定的影响，试压时只能气压试验，为防止影响冻结效果不能水压试验。

3.3 洞门风险防范施工

1.制作洞口弧形钢板

因管片外径6200mm，洞门圈直径6850mm，故需采用内径6200mm、外径7000mm封门弧型钢板封闭洞圈与管片间的间隙。

2.预埋注浆管

为防止盾构机接收时，加固帷幕出现缺陷漏水漏砂，或盾构机后侧管片环箍注浆不到位出现漏水漏砂等情况，事先在洞圈内预埋4根2寸注浆管，在左上、右上，左下、右下进行布置；过渡环上焊接安装12个2寸注浆球阀，呈360度等分布置，在紧急情况下使用。

3.4 洞门凿除

通过检测冻结壁厚度和平均温度确认达到设计要求，方后开始凿除洞门[5]。同时，盾构需推进至距离冻结体边缘1m。洞门凿除前开“米”字形样洞观测冻结体形成情况以及冻结体与地墙胶接情况。若探孔情况表明冻结壁与地连墙交界面处的问题不符合设计要求，则必须延长积极冻结时间，或进行水平注浆对加固体进行补强处理。开凿地连墙钢筋混凝土时，并密切注意破地连墙时是否破坏冻结管，如一旦发现冻结管漏盐水，及时关闭该冻结器，并用焊接补好漏点。洞门凿除采取分层凿除的方式。洞门凿除分两次进行（地下连续墙厚度为 1.2m）。在洞门混凝土凿除前，洞门封堵材料就位。洞门凿除过程中，须采取措施对洞门止水装置及冻结管进行保护。

3.5 水平冻结停冻与拔管

1.拔管时间

第一次凿除第一排钢筋以及洞门1000mm厚度的砼，预留约200mm厚混凝土及内排钢筋，盾构机已经做好所有接收准备后，开始拔除洞圈内的冻结管，冻结管拔除后，立即用粉煤灰浆或细沙拌和清水后的流动性砂浆充填土层中拔出的冻结管孔洞，利用冻结壁的低温回冻封堵孔洞，避免冻结孔形成导水通道。

2.拔管方法

水平冻结管拔除：先拔除内圈与中圈冻结孔，外圈冻结孔继续冷冻。盾构机完全进洞结束后，对外圈水平冻结孔进行割孔封孔处理。

利用人工局部解冻的方案，进行拔管，具体方法如下：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50mm～100mm时进行拔管。

3.6 冻结孔封孔处理

盾构机接收后，对水平冻结外圈冻结孔需进行封孔处理：

1.封孔时分组停止冻结，并尽快割除洞门上的停冻的孔口管和冻结管，防止孔口管和冻结管周围冻结壁解冻漏水；

2.观察无渗漏后，割除孔口管、冻结管至钢管片内深度不小于 100mm；

3.对遗弃在地层中的冻结管进行充填，充填前采用压缩空气吹干管内盐水；充填冻结管材料采用 M10 以上水泥砂浆或 C20 以上混凝土，对于上仰角冻结管充填管长度不小于管口以内 1.5m，对于下俯角冻结管全段充填；

4.冻结管拔除后应立即采用水泥-粘土浆或聚乙烯保温材料灌注封堵，为防止低温 对灌注材料强度影响，在水泥-粘土浆或粉煤灰内掺防冻早强剂。同时，在实施有效封堵后，焊接不少于两层钢板进行封孔，确保不出现后期的喷涌等情况。在割除区域侧壁施工 M12 以上膨胀螺栓 2 根（外侧预留长度不小于 3cm），并与孔口管残留部分焊接连接；

5.冻结管充填和封孔做好原始记录。

3.7 盾构接收注意事项

1.水平冻结帷幕满足设计要求后，方可开始破除洞口槽壁至最后一层钢筋。

2.破槽壁时必须注意冷冻系统的保护，不得碰或砸冷冻管路及测温系统。

3.冻结拔管不超过24小时。

4.洞圈内冻结孔拔除后盾构进洞不宜超过3天，以防冻结帷幕融化，影响其强度。

5.冻结孔拔除的保温工作，采用聚乙烯保温材料对拔除后的冻结孔洞进行充填，人工破壁的同时对破壁后的加固体进行保温工作。

6.抜管所使用的支架与人员工作平台支架必须是各自独立的体系，两个支架间不得有任何连带关系。

7.盾构推进到冻结区域刀盘不停转，拼装时刀盘转动安排专人进行看护，防止盾构机上冻。

8.做好接收期间的监测监控：

（1）应通过地表沉降监测和盾构机参数监测，分析判断出土仓压力是否能够满足设计要求，并根据监测数据调整推进速度、出土量、注浆量等参数；

（2）应对冻结体的温度、盐水温度、压力以及冻土帷幕的变形等数据进行监测，根据监测数据和施工进度及时调整冻结参数；

（3）对地面及建（构）筑物进行监测，以判断出地面及建（构）筑物的沉降情况，当地面出现明显沉降时，应立即停止冻结、解冻工作，应根据监测数据及时调整冻结参数，使地面沉降或隆起控制在允许范围内；

（4）加强对地下管线的变形观测，确保盾构接收施工和管线的安全性；

（5）在盾构接收施工期间，应做好对地表沉降和管片位移的监测工作，根据监测结果及时调整注浆压力和注浆数量，做好同步注浆和二次注浆工作，确保管片和冻结体的连接处封堵好。

结束语：

综上所述，本文通过昆明轨道交通2号线会展中心站采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩+水平冻结加固+钢套筒进行盾构接收的案例，重点分析了水平冻结加固在盾构接收过程中存在的风险，提出了盾构接收风险控制措施，为类似工程提供了借鉴。在水平冻结法加固过程中，需严格按照设计要求和施工流程进行施工，在施工过程中和细节管理中予以控制风险，以及要加强冻结帷幕的变形、地表沉降及周边环境影响进行监测和管理，发现问题及时采取有效措施进行处理。

参考文献：

[1]刘祥,赵玉善,解文杰等.水平冻结法在无锡地铁站盾构始发与接收洞门加固中的应用[J].城市轨道交通研究,2022,25(01):75-79+85.

[2]袁婷婷.水平冻结法盾构进出洞风险控制[J].建设监理,2021(07):66-69.

[3]朱俊涛,孙盼盼,刘媛莹等.富水粉砂地层杯形水平冻结法端头加固技术[J].施工技术,2020,49(10):95-98.

[4]金海江.隧道洞门水平冻结加固施工技术及风险控制[J].安徽建筑,2015,22(04):150-151.

[5]祝和意,马晓华.水平冻结法在苏州地铁盾构进出洞中的应用[J].铁道建筑,2011(08):58-60.