软弱地层冷冻法更换盾尾刷管控要点

软弱地层冷冻法更换盾尾刷管控要点

张高城

广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510000

摘 要 冷冻管片法更换盾尾刷在国内的应用案例比较少，通过环向冻结管传冷至钢管片进而对周围土体进行冻结的方式进行冻结土体更换盾尾刷。冻结法更换尾刷的工艺全过程主要包括冷冻管片的设计、冷冻管片的安装和积极冻结、维护冻结和更换尾刷、解冻、恢复掘进的过程。此次总结将侧重于冻结相关的工艺流程、过程中的管控以及出现问题的解决。

关键词 换尾刷 冷冻法 软弱地层

1 工程概况

1.1 工程概况

盾构区间由湖涌站始发掘进，最终到达绿岛湖站南侧外接基坑接收井。隧道长度为1935.313m，管片外径6700mm，内径6000mm，采用1台φ6980泥水平衡盾构机掘进施工。

1.2 工程地质及水文条件

1.2.1 工程地质

隧道主要穿于淤泥质土、淤泥质粉中，岩土体松散、承载力低、自稳性差，总体上工程地质条件极差。见图2 区间地质纵断面图

图1 区间地质纵断面图

1.2.2 工程水文

（1）地表水。区间线路在YDK24+900前下穿或旁近下穿澳边涌，该河涌水面宽一般约25m，最宽处超过40m，常年有水，水流缓慢，水量丰富。

（2）地下水。主要为第四系松散层孔隙水和基岩裂隙水，孔隙水又分为上部黏性土层中的潜水和下部砂、砾石层中的承压水。

1.3盾构机停机更换盾尾刷位置情况

盾构机更换盾尾刷的停机位置选择在880环，隧道顶部覆土厚度25米，处于<2-5>淤泥质粉土、<3-1>粉细砂地层中，盾构机下方是<3-4>圆砾。

2 冷冻法更换盾尾刷施工工艺流程

采用盐水循环作为冷量传递冻结封堵盾体外侧的土体，在冻土帷幕的保护下，更换盾构机第一、第二道盾尾刷。与常规的更换盾尾刷工艺相比较，冷冻法换盾尾刷就是在更换尾刷前增加了一道冷冻法加固地层的保险措施，在更换盾尾刷前期需要进行设计制作冷冻钢管片、管路连接、冷冻设备的安装调试、冷冻效果的检测等。

2.1 冷冻前准备工作

（1）盾体径向注聚氨酯

盾体的8个径向预留孔注入聚氨酯，可以阻挡泥水舱泥水后窜。避免冻结体范围类出现“动水”、保证冻结效果、效率。

（2）878环管片注入厚浆（高浓度砂浆）

原计划在878环注入聚氨酯，后改为注入厚浆。主要原因是聚氨酯的传冷效果不好，若采用聚氨酯，会影响到临近879环钢管片的传冷效果。

（3）二次注浆

对874-877环管片进行了二次注浆。为了隔绝水。减少尾刷更换时的涌水涌砂风险

（4）盾构机改造

由于更换两道尾刷，解除了拼装机的前后水平限位，焊接延长了拼装机的行走油缸长

度。

2.2 冻结系统设计

2.2.1 冷冻管片设计

本次冻结法你尾刷利用了带有冷冻功能的钢管片，每片管片里设有内置7路冷冻管，各冷冻管片连接有进水管和出水管。其中一个进水管和出水管与外部冷冻机连接，其余金属管和出水管收尾相连形成冷冻管回路，片与片之间通过U型管路连接，6块钢管片拼接形成完整的环形隧道管片，管路通过钢板焊接与钢管片背板接触，在低温盐水通过管路时候，将低温传给钢管片背板而将整个钢管片看做是一个冷冻体，并将能量传递至土层，从而将盾构机尾部处的土层进行冻结，形成具有密封效果的环形冻土加固区域。

图2 冷冻钢管片及管线布置

2.2.2 冷冻土体温度监测

为了监测冷冻壁的扩展情况以及冻结壁是否达到达到设计温度。如上图所示在每块管片（除k块）第2、3号管路之间都插入了温度计。在冷冻钢管片的背板上预留了孔，而后将一端开口一端闭口的小直径（D=25mm）无缝钢管打入土体800mm深，再将温度计插入钢管中。

2.2.3 冻结参数设计

本冷冻方案将冻结管及钢管片视为一体的冻结器与地层进行热交换。冻结壁的厚度不小于300mm，由于本工况下冻结加固体的尺寸不规则，得到当冻结体厚度为300mm时，其内部最大主压应力、最大剪切应力等都小于冻土的强度，且富有一定的安全系数。

3 监理全过程质量安全管控

3.1 冷冻前监理管控工作

冷冻法更换盾尾刷在国内实施的案例很少，借鉴冷冻法施工工艺及更换盾尾刷施工工艺，结合主管部门及建设单位的相关要求，编制了冷冻法更换盾尾刷条件验收表。冷冻法实施之前准备工作是否充分满足施工要求是基础，监理部在此阶段严格把关，编制冷冻法更换盾尾刷专项监理细则并严格实施。

表1 冷冻法换尾刷条件验收表

3.2 冻结实施阶段监理管控及组织冻结效果评估

冻结实施后组织参建各方并邀请有经验的专家召开冻结效果评估。冻结效果现场一方面通过取芯确认，另一方面根据冻结体各深度处的温度推算冻结壁的平均温度是否达到设计值。截止验收会当天，冷冻系统盐水去回路温差稳定在1~2℃，测温孔温度符合方案要求，抽查C5测温孔位置探孔冷冻效果，钻孔深度65cm，其中钢管片厚度35cm，土体厚度30cm，钻孔过程中未见渗漏，温度变化曲线图及钻孔取芯情况如下所示，温度已达到-14°，符合设计及方案要求。期间各项监测参数无明显异常，盾构姿态稳定，无明显突变，水平姿态向右偏差1mm，垂直姿态向下偏差1mm。

图3 积极冷冻期间温度变化曲线图

3.3 冻结后更换盾尾刷期间监理管控工作

通过冷冻法更换盾尾刷条件验收后，进入更换盾尾刷阶段，在常规的更换尾刷的管控基础上加强对冷冻温度的监测，注意钢管片位置及时覆盖保温棉以及通风空气流通的影响。

4 存在问题及解决办法

在富水软弱地层中更换盾尾刷风险是比较大的，采用冷冻法进行加固实施整个过程工艺繁琐复杂，各方的经验也有待积累提高，在整个过程中不可避免的会出现一些问题，幸好参建各方能积极主动参与配合，迅速采取适当的方法解决，项目部顺利安全快速的完成盾尾刷的更换。

1）空气对流导热对冷冻法工艺影响比较大，关闭风机之后，整个土体的温度下降明显增加，热对流对冻结效果的影响是很明显的。

2）钢管片上冷冻管布置方式影响传冷效果。主要是C4少了一路内嵌的5号冻结管，虽然加设了冷排管在钢管片肋板上，能在一段时间内增加降温效果，但其最终稳定的较低温度到达缓慢。

3）拆管片时K块难拆、损坏。冷冻后K块管片难以拆除，大概率会造成K块管片损坏，而且由于冷冻机组的阻挡，管片进场运输到拼装区非常困难。应在冷冻站组装前先行准备一块K块管片在拼装区备用。

4）拼装机行走行程延长后，压力不够导致管片拼装压不下盾尾刷，现场实际操作管片拼装非常困难。

5）钢管片冷冻管设置存在薄弱区、焊接方式传冷效果差。

5 总结

随着城市轨道交通建设的发展，盾构法施工在富含水软弱的地层中被广泛应用，但是由于各种方面的原因导致盾尾刷被击穿破坏，导致盾尾渗漏的现象屡见不鲜，我们对盾尾渗漏的安全隐患不能掉以轻心。冷冻法施工工艺创新应用在盾构隧道盾构机更换盾尾刷上，增加了更换盾尾刷的地层加固方法，事实证明也安全有效，为盾构法施工在富含水软弱地层中的应用增添了一道保障措施选择。随着地下空间、尤其是深层地下空间进一步开发利用，地层冻结法将会应用更加广泛并发挥更大的作用。

参考文献

［1］ 陈湘生.冻结法几个关键问题及在地下空间近接工程中最新应用．隧道建设．2015.1243-1251