CN103015402B - 一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于地铁盾构隧道端头加固的施工方法，具体的说是一种涉及用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法。本工法使用水泥深层搅拌桩工艺在土体内掺入一定量的水泥浆，从而改善土体的物理力学性质，可以抑制端头水平冻结加固时冻胀融沉对周围地层及建筑物的影响。通过使用本工法，可将地层沉降量控制在-8mm，隆起控制在5mm之内。本工法以人工冻结法为主体，用水泥土加固法作为一种抑制冻胀融沉的手段。比起传统的水泥土地基加固失败后再采用人工冻结法，在保证地层承载力和防水性能的基础上进一步减小了水泥土加固的施工范围和掺入比，有效减小了水泥的使用量，大大节省了时间，节省了人工和器材的成本。

Description

一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法

技术领域

本发明是一种用于地铁盾构隧道端头加固的施工方法，具体的说是一种涉及用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法。本工法通过在土体内掺入一定量的水泥浆从而改善土体的物理力学性质，可以抑制端头水平冻结加固时冻胀融沉对周围地层及建(构)筑物的影响。

背景技术

国内地铁隧道现多使用盾构法施工，盾构机进出洞是地铁隧道施工关键风险点，其中隧道端头的加固工作是关键。人工冻结法和水泥土地基加固法在工程中都很常用，各有利弊。

冻结法利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程掘砌施工。它具有能在极其复杂的工程地质和水文地质条件下形成冻土墙、不受支护范围和支护深度的限制、具有严格的防水性和无污染性等优点。

但人工冻结法施工后，使周围地层产生冻胀、融沉现象，对周围环境来说，使得土的工程性质和相邻建筑物受到不良影响，如造成地基失稳，使邻近建筑物产生倾斜、裂缝、严重时会导致建筑物坍塌等事故，或使地下管线发生破坏等不良后果。

目前在土中形成水泥土固结体的方式多使用注浆法、深层搅拌法以及高压旋喷法。本工法采用其中的深层搅拌法。

深层搅拌法通过特制的深层搅拌机械，在地基中就地将软粘土和水泥浆强制拌和，使软粘土硬结成具有整体性、水稳性和足够强度的地基土。深层搅拌机一股由双层管组成，外管下端带叶片，靠管上端的电动机带动旋转，内管供输送水泥或生石灰。深层搅拌法施工时，除深层搅拌机外，尚需起吊设备、固化剂制备泵送系统(灰浆搅拌机、灰浆泵、冷却水泵、管道等)、控制操纵台等设备。

实际地下工程中，为提高地基加固的有效性，有时综合人工冻结法和水泥土加固法同时进行。如地铁隧道开挖过程中，盾构端头进出洞和联络通道的施工往往因水泥土加固失效出现问题，这时可再采取冻结法进行一次补充加固；或在遇到风险较大、地层情况复杂或周围建(构)筑物要求沉降很小时，先用水泥土加固法进行地基加强，之后在已形成的水泥土基础上再进行人工冻结法施工。

同时使用人工冻结法和水泥土加固法进行地基加强有不可忽视的优点：同时使用两种加固方法，可大大提高安全性；水泥土提高了地基的物理力学性质，在此基础上进行人工冻结法施工时，产生的冻融破坏被抑制等。但同时使用二者，会造成很大的重复性浪费。水泥用量以及人力、机械成本大大增加，并在客观上造成工期的拖延。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法。通过使用本工法，可将地层沉降量控制在-8mm，隆起控制在5mm之内。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法，其施工步骤如下：

1、施工准备，整平施工场地，清除地上、地下障碍物，场地低洼处用粘土回填夯实，检修、调试设备，检查桩机运行和输料管畅通情况，检查水泥的质量，桩位、搅拌机工作性能及计量设备完好程度；

2、施工放样，用GPS或者全站仪测放水泥搅拌桩桩位，测毕用水准仪测量地面标高，计算出钻进深度以便控制钻进桩底标高；

3、钻机就位，钻机通过导向拉索和移动导轨到达指定位置，对中桩位；

4、调整钻架角度，利用经纬仪或线锤垂吊交叉测量桩架垂直度，通过铰拉钢丝绳调整桩架角度，使桩架垂直度达到规范要求；

5、自地面1正循环钻至设计冻结区2下方2m处，此为水泥土加固区3的底面边界，搅拌机冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机或桩架的钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，使土搅松，借设备自重正循环进行钻进；

6、打开高压注浆泵，开始根据具体地层土体性质配置水泥浆，将被加固地层土质分为砂土、粘土两种，当施工地层为砂土时，使用8％水泥掺入比；当施工地层为粘土时，使用10％掺入比，并倒入集料斗备喷；

7、反循环提钻并喷水泥浆，开启灰浆泵，使水泥浆自动连续喷入地基，搅拌机边喷浆边旋转边提升，提升时用桩机最低档位运行，以使水泥搅拌尽量充分，直至设计冻结区2上方3m处停止，此为水泥土加固区3的顶面边界；

8、重复步骤1-7，采用“四搅二喷”工艺，为使已喷入土中的水泥浆与土充分搅拌均匀，再次将搅拌头边旋转边沉入土中，至设计要求深度后，再将搅拌头边提升边喷浆边旋转，重复搅拌直至完成设计要求的搅拌次数和喷浆量，上升至地面，自桩顶到地面1部分提升时，钻机仍然反循环空钻，直至上升至地面；

9、移动钻机，进行下一根桩施工，成桩完毕之后，钻机沿着导轨移动至下一个桩位，重复步骤1-8，直至整个水泥土加固区3施工完成，水泥土加固区域的侧面边界为设计冻结区2水平向外1m-1.5m，沿隧道中线方向须超出设计冻结区0.5m；

10、布置冻结孔及测温孔、卸压孔，钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验；

11、安装冻结制冷系统，冻结站内设备主要包括配电柜、清水池、冷冻机组、盐水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔、盐水箱，之后连接管路、安装保温设备与测试仪表，溶解氯化钙并对机组充氟加油；

12、开始冻结施工，保持最低盐水温度-28～-30℃，直至设计冻结区2加固完成。

发明有益效果

1、全部运用目前已经存在的工程机械，可操作性很高。

2、可有效抑制冻结法产生的冻胀融沉对周围环境的影响。

3、水泥土进一步提高了冻结土体的物理力学性质，冻结法产生的冻融破坏被水泥土抑制，并可有效控制地下水渗流，提高了隧道端头加固的安全性。

4、当单独使用水泥土加固法时，一股使用20％-25％的水泥掺入比。若减少掺入比，易因水泥土搅拌不均发生渗水导致加固体失效。使用本工法时，地下水被冻结法控制，无需考虑渗水问题。且试验数据表明，冻结后10％水泥土掺量的粘土地基及8％水泥土掺量的砂土地基的物理力学性质已接近冻结后20％水泥土掺量的粘土、砂土地基，完全可满足抑制冻融破坏的需要。本工法以人工冻结法为主体，水泥土加固法作为一种抑制冻胀融沉的手段出现而不单独使用，故水泥土加固区范围亦大大缩小。使用本工法在保证地层承载力和防水性能的基础上，减小了水泥土加固的施工范围和掺入比，比起现有工法可大大减少施工时间、水泥用量和人力、机械成本。

附图说明

图1为水泥土加固区与水平冻结法加固区平面图。

图2为水泥土加固区与水平冻结法加固区剖面图。

附图标记：1-地面 2-设计冻结区 3-水泥土加固区(包括设计冻结区)

具体实施方式：

实施例1：

苏州轨道交通2号线火车站东风井区间某标段，地下三层结构。其所在地质自地面1起从上而下为素填土，粘土层，粉质粘土层，粉土，粉砂层，粉质粘土层，盾构穿越的地层主要为粉质粘土层。工程使用深层水泥搅拌桩结合水平冻结法进行盾构端头土体加固。水泥土加固区域3底面深度为16m，顶面深度为3.5m，沿地下隧道中轴线方向长度为11m，水平垂直中轴线方向长度为11.7m。

一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法，及施工步骤如下：

1、施工准备，整平施工场地，清除地上、地下障碍物，场地低洼处用粘土回填夯实，检修、调试设备，检查SJB-1单轴水泥土搅拌机、UB3灰浆泵、GJW180灰浆搅拌机运行状况和输料管畅通情况，检查水泥及外加剂的质量；

2、施工放样，用GTS102N拓普康GTS102N拓普康GTS102N拓普康GTS102N拓普康全站仪测放水泥搅拌桩桩位，用苏州一光DSZ3水准仪仪测量地面标高，计算出钻进深度；

3、钻机就位，钻机通过导向拉索和移动导轨到达指定位置，对中桩位；

4、调整钻架角度，利用经纬仪或线锤垂吊交叉测量桩架垂直度，通过铰拉钢丝绳调整桩架角度，使桩架垂直度达到规范要求；

5、正循环钻至地面下16m，搅拌机冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机或桩架的钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，使土搅松，借设备自重正循环进行钻进，下沉速度由电机的电流监测表控制，钻进速度最大未超过控制速度1.2m/min；

6、打开高压注浆泵，在钻进一定深度之后开始按10％配合比配置水泥浆，在压浆前将水泥浆倒入集料斗备喷，配浆采用32.5级普通硅酸盐袋装水泥；

7、反循环提钻并喷水泥浆，开启灰浆泵，使水泥浆自动连续喷入地基，搅拌机边喷浆边旋转边提升，提升时用桩机最低档位运行，以使水泥搅拌尽量充分，直至达到地下3.5m处，提升速度为0.5m/min；

8、重复步骤1-7，采用“四搅二喷”工艺，为使已喷入土中的水泥浆与土充分搅拌均匀，再次将搅拌头边旋转边沉入土中，至地面下16m处后，再将搅拌头边提升边喷浆边旋转直至地下3.5m处，自桩顶到地面部分提升时，钻机仍然反循环空钻，直至上升至地面；

9、移动钻机，进行下一根桩施工，成桩完毕之后，钻机沿着导轨移动至下一个桩位，重复以上施工，直至整个水泥土加固区域3施工完成；

10、布置冻结孔，根据冻结帷幕设计，冻结孔按水平角度布置，冻结孔数53个，圆柱体冻结孔沿开洞口φ7.5m圆形布置外圈孔开孔间距为0.758m，冻结孔数31个，长度为12.3m，板块冻结孔沿开洞口φ5.1m、φ2.7m圆形布置，其中中圈孔开孔间距为1.135m，冻结孔数为14个，冻结孔长度3.3m；内圈孔开孔间距为1.172m，冻结孔数为7个，冻结孔长度3.3m；开洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度3.3m；钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验；

11、安装冻结制冷系统，冻结站内设备主要包括YSLGF300II型螺杆机组2台套(备用一台)，其最大制冷量约为87500kcal/h，冷冻机组电机总功率为110kw；IS150-125-250盐水循环泵2台(其中1台备用)，流量200m3/h，扬程30m，电机功率30kw；IS150-125-250冷却水循环泵1台，流量200m3/h，扬程30m，电机总功率30kw；冷却塔2台，电机总功率6kw；盐水箱一个，容积6m³；之后连接管路、安装保温设备与测试仪表，盐水干管和集配液管均选用φ159×5mm无缝钢管或φ6″焊管，集、配液管与羊角连接选用φ1.5″高压胶管；冷却水管用φ5″焊管；冷冻板用φ1.5″管加工；在冷冻机进出水管上安装温度传感器，在去、回路盐水管路上安装压力、温度传感器和控制阀门，在盐水管出口安装流量计，在盐水箱安装液面传感器；在配液圈与冻结器之间安装阀门二个，以便控制冻结器盐水流量；在盐水管路的高处安装放气阀；在去路盐水干管上安装单向阀；盐水和清水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa；待全部安装完毕，溶解氯化钙并对机组充氟加油，盐水比重为1.260～1.270；

12、开始冻结施工，冻结时间为40天，保持最低盐水温度-28～-30℃，直至设计冻结区域2加固完成。

冻结壁最终平均温度为-12℃，最外层冻结壁有效厚度达到1.6m，地表最大隆起量为3.4mm，最大沉降量为5.6mm，达到设计标准。根据计算使用本工法，共节省工期8天，节省水泥用量约为350吨，节省人力、机械成本约12万元。

实施例2：

南京地铁3号线某标段使用一台小松盾构机进行掘进施工，盾构机总长9.33m，隧道外径6.2m，洞门直径6.7m。始发端头加固范围内地层自地面1起，自上而下为粉质粘土、粉砂交互层、粉细砂。粉质粘土、粉砂交互层具有弱透水性，粉细砂层渗透系数为10-3cm/s，属于透水地层，且地下水具有弱承压性。隧道洞身范围内地层为粉细砂，洞门中心埋深为18.98m。进出洞均采用水平冻结加固。水泥土加固区域3底面深度为25m，顶面深度为12m，沿地下隧道中轴线方向长度为12m，水平垂直中轴线方向长度为12.5m。

一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法，及施工步骤如下：

1、施工准备，整平施工场地，清除地上、地下障碍物，场地低洼处用粘土回填夯实，检修、调试设备，检查桩机运行和输料管畅通情况，检查水泥及外加剂的质量，桩位、搅拌机工作性能及各种计量设备完好程度；

2、施工放样，用GPT-3002LND全站仪测放水泥搅拌桩桩位，用BJHL9-NA724水准仪测量地面标高，计算出钻进深度；

3、钻机就位，钻机通过导向拉索和移动导轨到达指定位置，对中桩位；

4、调整钻架角度，利用经纬仪或线锤垂吊交叉测量桩架垂直度，通过铰拉钢丝绳调整桩架角度，使桩架垂直度达到规范要求；

5、正循环钻至地面下25m，搅拌机冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机或桩架的钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，使土搅松，借设备自重正循环进行钻进，下沉速度由电机的电流监测表控制，钻进速度最大未超过控制速度1.2m/min；

6、打开高压注浆泵，在钻进一定深度之后开始按8％配合比配置水泥浆，并倒入集料斗备喷，配浆采用42.5级普通硅酸盐袋装水泥；

7、反循环提钻并喷水泥浆，开启灰浆泵，使水泥浆自动连续喷入地基，搅拌机边喷浆边旋转边提升，提升时用桩机最低档位运行，以使水泥搅拌尽量充分，直至达到地下12m处；

8、重复步骤1-7，采用“四搅二喷”工艺，为使已喷入土中的水泥浆与土充分搅拌均匀，再次将搅拌头边旋转边沉入土中，至地面下25m处后，再将搅拌头边提升边喷浆边旋转，重复搅拌直至地面下12m处后，仍反循环空钻，直至上升至地面；

9、移动钻机，进行下一根桩施工，成桩完毕之后，钻机沿着导轨移动至下一个桩位，重复以上施工，直至整个水泥土加固区域3施工完成；

10、布置冻结孔，根据冻结帷幕设计，冻结孔按水平角度布置，冻结孔数57个，外圈孔开孔间距为0.784m，冻结孔数32个，长度为3.8m；中圈孔开孔间距为1.053m，冻结孔数为16个，冻结孔长度2.5m；内圈孔开孔间距为1.033m，冻结孔数为8个，冻结孔长度2.5m；开洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度2.5m，钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验；

11、安装冻结制冷系统，冻结站内设备主要包括配电柜、清水池、YSLGF300II型冷冻机组2台，运行一台，备用一台，每组标准制冷量23.65万kcal/h，实际工况制冷量8.5万kcal/h，电机功率110kw；IS150-125-400型盐水循环泵2台，运行一台，备用一台，流量200m3/h，扬程32m，电机功率30kw；IS150-100-250型冷却水循环泵2台，运行一台，备用一台，流量100m3/h，扬程20m，电机功率11kw；KST-80RT型冷却塔2台，运行两台，电机总功率8kw；盐水箱一个，容积6m³；之后连接管路、安装保温设备与测试仪表，盐水干管和集配液管均选用159×5mm无缝钢管，集、配液管与羊角连接选用2″高压胶管，冷却水管选用127×4.5mm无缝钢管，冻结管水平冻结采用20#(Q235B)钢材的Φ89×8mm的低碳无缝钢管，垂直冻结采用20#(Q235B)钢材的Φ127×5mm的低碳无缝钢管，供液管选用1.5″钢管，采用焊接方式，待全部安装完毕，溶解氯化钙并对机组充氟加油，选用N46冷冻机油，R22制冷剂，氯化钙溶液比重为1.26；

12、开始冻结施工，冻结时间为40天，保持最低盐水温度-28～-30℃，直至设计冻结区域2加固完成。

大行宫站盾构始发工程中，水平冻结外圈维护冻结壁厚度达到1.7m，长度进入槽壁后地层2.0m，冻土壁设计平均温度-12℃，地表最大隆起量为1.8mm，最大沉降量为3.9mm，达到设计标准。根据计算使用本工法，共节省工期11天，节省水泥用量约为450吨，节省人力、机械成本约15万元。

Claims (1)

1.一种用水泥土加固法抑制水平冻结冻胀融沉的施工方法，其施工步骤如下：

1)施工准备，整平施工场地，清除地上、地下障碍物，场地低洼处用粘土回填夯实，检修、调试设备，检查桩机运行和输料管畅通情况，检查水泥的质量，桩位、搅拌机工作性能及计量设备完好程度；

2)施工放样，用GPS或者全站仪测放水泥搅拌桩桩位，测毕用水准仪测量地面标高，计算出钻进深度以便控制钻进桩底标高；

3)钻机就位，钻机通过导向拉索和移动导轨到达指定位置，对中桩位；

4)调整钻架角度，利用经纬仪或线锤垂吊交叉测量桩架垂直度，通过铰拉钢丝绳调整桩架角度，使桩架垂直度达到规范要求；

5)自地面(1)正循环钻至设计冻结区(2)下方2m处，此为水泥土加固区(3)的底面边界，搅拌机冷却水循环正常后，启动搅拌机电机，放松起重机或桩架的钢丝绳，使搅拌机沿导向架切土搅拌下沉，使土搅松，借设备自重正循环进行钻进；

6)打开高压注浆泵，开始根据具体地层土体性质配置水泥浆，将被加固地层土质分为砂土、粘土两种，当施工地层为砂土时，使用8％水泥掺入比；当施工地层为粘土时，使用10％掺入比，并倒入集料斗备喷；

7)反循环提钻并喷水泥浆，开启灰浆泵，使水泥浆自动连续喷入地基，搅拌机边喷浆边旋转边提升，提升时用桩机最低档位运行，以使水泥搅拌尽量充分，直至设计冻结区(2)上方3m处停止，此为水泥土加固区(3)的顶面边界；

8)重复步骤1-7，采用“四搅二喷”工艺，为使已喷入土中的水泥浆与土充分搅拌均匀，再次将搅拌头边旋转边沉入土中，至设计要求深度后，再将搅拌头边提升边喷浆边旋转，重复搅拌直至完成设计要求的搅拌次数和喷浆量，上升至地面，自桩顶到地面(1)部分提升时，钻机仍然反循环空钻，直至上升至地面；

9)移动钻机，进行下一根桩施工，成桩完毕之后，钻机沿着导轨移动至下一个桩位，重复步骤1-8，直至整个水泥土加固区(3)施工完成，水泥土加固区(3)的侧面边界为设计冻结区(2)水平向外1m-1.5m，沿隧道中线方向须超出设计冻结区(2)0.5m；

10)布置冻结孔及测温孔、卸压孔，钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验；

11)安装冻结制冷系统，冻结站内设备主要包括配电柜、清水池、冷冻机组、盐水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔、盐水箱，之后连接管路、安装保温设备与测试仪表，溶解氯化钙并对机组充氟加油；

12)开始冻结施工，保持最低盐水温度-28～-30℃，直至设计冻结区(2)加固完成。