CN104405400A - 一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，以开洞口圆心为中心，在直径为12.3m的圆周上，以间距0.76m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为外圈管；以开洞口圆心为中心，在直径分别为9.9m、7.5m、5.1m的圆周上，分别以间距1.11m、1.12m、1.14m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为中圈管；以开洞口圆心为中心，在直径为2.7m的圆周上，以间距1.21m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为内圈管；在开洞口圆心布置一个冻结孔，在冻结孔中插冻结管作为中心管。本发明的有益效果是能够对直径为11.64m的大直径盾构隧道端头加固采用水平冻结工法。

Description

一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法

技术领域

本发明属于隧道挖掘技术领域，涉及一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法。

背景技术

城市地铁施工最大的特点就是受周边建筑物、管线影响较大。在很多工程中经常发生受地面环境限制无法保证从地面进行土体加固的情况。在这种常规施工工艺无法展开的特殊情况下，需要采用特殊施工工艺解决盾构进出洞的土体加固问题。通常采用人工冻结技术进行土体冻结加固。

冻结法是采用人工制冷术，将低温冷媒剂送入地层(岩土体)，将地层中的水冻结成冰，形成粘聚力大、强度高、压缩性低和隔水性好的冻土体。

冻结法在盾构进出洞加固应用有以下特点：①可有效隔绝地下水，其抗渗透性能是其它加固方法不能相比的；②冻土帷幕的形状和强度可视施工现场条件、地质条件灵活布置，可采用地面垂直布置冻结孔封冻的方法，也可采用工作井内水平布置冻结孔封冻的方法；③冻结施工对其它工序施工影响小，能有效缩短施工工期；④冻结法施工工程造价相对较高。

冻结法在盾构进出洞加固中的应用过程为：在盾构进出洞方向沿工作井围护结构外侧或工作井内布置冻结孔，并在冻结孔中循环低温冷媒剂，使冻结孔附近的含水地层结冰形成冻土墙，并在冻土墙的保护下打开工作井洞门结构并通过盾构机。

冻结法在盾构进出洞加固应用主要有水平冻结法、垂直冻结法等。根据现场条件不同选择使用。

①水平冻结法：水平冻结法是采用水平圆筒体冻结加固方式，即在盾构进洞的工作井内，在洞口的周围布置一定数量的水平冻结孔，经冻结后，在洞内形成封闭的冻土帷幕，起到盾构破壁时抵御水土压力、防止土层塌落、地表沉降和泥水涌入工作井内的作用。洞口冻结孔一般布置成圆形，采用水平钻孔机施工。

②垂直冻结法：垂直冻结法是应用板状冻结加固理论设计的，即对盾构进洞口上部的土体布置一定数量的垂直冻结孔，经冻结后，在洞门处形成板状冻土帷幕来抵御盾构进洞破壁时的水土压力，防止土层塌落和泥水涌入工作井内。

冻结法使用的冷媒剂有盐水、液氮两种。盐水冻结适合一般冻结施工，盐水温度相对较高(-10～-20℃)，完全封冻时间较长，从打孔、冻结、洞门凿除拔管总工期约需60～70天；液氮冻结适合快速封冻，液氮冻结温度极低，完全冻结时间短，从打孔、冻结、洞门凿除、拔管总工期时间15～20天。

当受地面环境限制无法进行搅拌桩和旋喷桩施工，或在化学加固后探孔时发现有严重漏水漏砂现象，或者是端头地层为富含水承压层(特别是含水砂层)时，为提高盾构隧道端头土体强度和充分止水，保证盾构进出洞安全，可采用在“工作井内钻孔，水平冻结”的加固方案，通常采用杯型水平冻结工法进行盾构隧道端头土体加固。当采用杯型水平冻结工法作为端头地层加固方式时，确定杯型水平冻结孔的布设方法是需要解决的技术问题。

绝大多数的杯型水平冻结工法是基于盾构直径为6.34m而展开的，已经有许多与之对应的杯型水平冻结孔布设方案。但是，在大直径和超大直径盾构隧道端头加固工法方面，一般采用多种加固工法，冻结法加固主要起止水作用，常采用垂直冻结的形式，而采用水平冻结工法不能很好的解决水平冻结孔的布设。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，解决了目前大直径和超大直径盾构隧道端头加固采用水平冻结工法不能很好的解决水平冻结孔的布设问题。

本发明所采用的技术方案是一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：以开洞口圆心为中心，在直径为12.3m的圆周上，以间距0.76m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为外圈管；

以开洞口圆心为中心，在直径分别为9.9m、7.5m、5.1m的圆周上，分别以间距1.11m、1.12m、1.14m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为中圈管；

以开洞口圆心为中心，在直径为2.7m的圆周上，以间距1.21m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为内圈管；

在开洞口圆心布置一个冻结孔，在冻结孔中插冻结管作为中心管。

进一步，所述洞口直径为11.64m，为大直径盾构主机截面。

进一步，所述外圈管，其长度(杯身长度)宜为盾构主机长度加2至3倍管片宽度。

进一步，所述中圈管、内圈管和中心管的长度均为2m。

进一步，所述冻结管直径为48mm，厚度3.5mm。

本发明的有益效果是能够对直径为11.64m的大直径盾构隧道端头加固采用水平冻结工法。

附图说明

图1是本发明一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法隧道冻结孔布置示意图；

图2是本发明冻结孔布置截面示意图；

图3是本发明冻结施工流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是一种开挖直径为11.64m的大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔的布设方法。本布设方法设计冻结孔按水平角度布置，冻结孔数可达122个。如图1和图2所示，杯身冻结孔沿开洞口Φ12.3m圆形布置，开孔间距为0.76m(弧长)，冻结孔数可达51个，称这圈冻结管为外圈管，其长度(杯身长度)宜为盾构主机长度+(2-3)倍管片宽度。杯底冻结孔沿开洞口Φ9.9m、Φ7.5m、Φ5.1m、Φ2.7m圆形布置，开孔间距分别为1.11m、1.12m、1.14m和1.21m(弧长)。其中沿开洞口Φ9.9m、Φ7.5m和Φ5.1m圆形布置的冻结管称之为中圈管(共63个)，沿开洞口Φ2.7m圆形布置的冻结管称之为内圈管(共7个)。开洞口中心布设1个冻结孔，称之为中心管。杯底冻结管由中圈管、内圈管和中心管组成，其长度为保证杯底厚度达到2m。可选用φ127×5mm20#低碳钢无缝钢管作为冻结管，采用外管箍焊接连接，供液管采用φ48mm×3.5mm钢管。冻结孔布置如图1所示。

如图3所示，开挖直径为11.64m的大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔的布设方法，其施工方案如下：

(1)冻结施工主要技术参数：

①冻土帷幕：杯身厚度为1.5m，杯底厚度为2m，杯身长度为盾构主机长度+(2-3)倍管片宽度。

②孔数：水平冻结孔122个。

③冻结孔深度：杯身冻结孔深度为盾构主机长度+(2-3)倍管片宽度；杯底冻结孔深度为保证杯底厚度达到2m。

④盐水温度：-28～-30℃；蒸发温度：-33～-35℃；冻结区原始地层温度：≤+22℃。

⑤冷却水温度：+23℃；冷凝温度：+35℃。

⑥冷量损失系数：1.2。

⑦总需冷量：Q＝k·π·d·H·n·q。

式中：k------冻结站冷量损失系数，取1.2；

d------冻结管外直径，米；

H------冻结深度，米；

n------冻结孔数量，个；

q------冻结管散热系数或单位热度量，取300千卡/米²·时；

根据全站工况制冷量选择制冷设备，在冷却水进水温度+24℃，盐水出水温度-30℃，冷凝温度+35℃，蒸发温度-35℃工况条件下的单机工况制冷量为203KW(17.4万大卡/小时)。

(2)冻结施工的施工工艺及流程：

冻结施工是在盾构掘进前，用人工制冷的方法，将盾构隧道端头区域内的含水地层冻结成一个封闭不透水帷幕，用于抵抗地压、水压，隔绝地下水，保证始发的安全。

首先进行冻结孔的钻孔施工，同时进行冻结站的安装施工。冻结孔施工完毕后，进行冻结孔串联管路及保温工作。然后进行积极冻结，最后通过检测，具备进出洞条件后盾构开始掘进，整个施工流程如图3所示。

(3)冻结施工控制要点

冻结施工控制要点如下：

1)破壁时冻土墙与槽壁要胶结，保证其可靠的封水性，破壁后杯型冻土壁的强度及厚度应满足盾构进出洞时的安全性；

2)为避免冻胀使地面产生隆起，要适当调整冻结孔的供冷方式及冻结速度，减少冻胀危害；

3)尽量缩短盾构进出洞前的冻结时间，在选择大直径冻结管的同时，应保证冻结孔的水平度；

4)选择能力较大的水平钻机，进行冻结孔施工，以保证钻孔施工进度和质量；

5)冻结管是否安全顺利拔除，是影响盾构顺利推进的关键，应制定出切实可行的措施，保证隧道区域内的冻结管完全拔除；

6)加强和密切配合各项检测工作，及时掌握和分析检测资料，以便指导施工。

本发明是一种开挖直径为11.64m的大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔的布设方法。本布设方法设计冻结孔按水平角度布置，冻结孔数122个。设置1圈外圈管，3圈中圈管，1圈内圈管，一个中心管。杯身冻结管由外圈管组成，其冻结孔长度为盾构主机长度+(2-3)倍管片宽度；杯底冻结管由中圈管、内圈管和中心管组成，其冻结孔长度为保证杯底厚度达到2m。可选用φ127×5mm20#低碳钢无缝钢管作为冻结管，采用外管箍焊接连接，供液管采用φ48mm×3.5mm钢管。本工法的优点在于保证开挖直径为11.64m的大直径盾构隧道端头杯型冻土壁的形成，使其满足强度、防渗的要求，使大直径盾构机能够顺利进出洞。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：以开洞口圆心为中心，在直径为12.3m的圆周上，以间距0.76m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为外圈管；

以开洞口圆心为中心，在直径分别为9.9m、7.5m、5.1m的圆周上，分别以间距1.11m、1.12m、1.14m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为中圈管；

以开洞口圆心为中心，在直径为2.7m的圆周上，以间距1.21m布置冻结孔，在冻结孔中插冻结管，作为内圈管；

在开洞口圆心布置一个冻结孔，在冻结孔中插冻结管作为中心管。

2.按照权利要求1所述一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：所述洞口直径为11.64m，为大直径盾构主机截面。

3.按照权利要求2所述一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：所述外圈管，其长度(杯身长度)宜为盾构主机长度加上2至3倍管片宽度。

4.按照权利要求1所述一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：所述中圈管、内圈管和中心管的长度均为2m。

5.按照权利要求1所述一种大直径盾构隧道端头杯型水平冻结孔布设方法，其特征在于：所述冻结管直径为48mm，厚度3.5mm的20#低碳钢无缝钢管。