CN104695964B - 地铁盾构隧道冰冻进洞方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法，包括：冻土参数确定步骤：计算冻土墙厚度，并确定冻土墙深度、冻土墙宽度及加固参数；冻结孔布置步骤：布置三排冻结孔；测温孔布置步骤；冻结孔施工步骤：进行冻结孔的钻进及冻结器的安装；进行冻结站内设备的布置及安装；进行管路连接、保温与测试仪表安装；溶解氯化钙和机组充氟加油；测温孔施工步骤：进行测温孔的钻进及测温管的安装；盾构进洞前准备步骤：在洞门圈上安装两道挡土板，洞圈内焊接二道弹性钢板并在钢板之间放入成环海绵，同时在洞圈上预备封门装置；积极冻结步骤：根据测量结果对盾构进行调整；维护冻结步骤：进行洞门混凝土开凿，控制盾构鼻尖抵达冻土墙；盾构穿越冻土墙进洞步骤。

Description

地铁盾构隧道冰冻进洞方法

技术领域

本发明是关于地铁盾构隧道施工技术，特别是关于地铁盾构隧道冰冻技术，具体地讲，是关于一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法。

背景技术

地铁隧道施工中，需要通过地铁隧道盾构进洞进行洞门地基的加固，对于含水地层，特别是含水不稳定地层，需要对地层中水进行冰冻处理。但是现有的盾构进洞技术中，如地铁隧道中的机顶推调头法等，冻土强度不高，隔水效果差，并且冻土墙与地铁车站地下连续墙的水平作用力可能会大于土层的被动土压力；另外，现有的施工设备体积庞大，经常受到地层深度的限制，不利于施工。

发明内容

本发明提供一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法，以提高冻土强度，增强隔水效果，并能在不需要洞门地基加固时迅速解冻。

为了实现上述目的，本发明提供一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法，该方法包括：冻土参数确定步骤：计算冻土墙厚度，并确定冻土墙深度、冻土墙宽度及加固参数；冻结孔布置步骤：布置三排冻结孔，第一排冻结孔的个数为13，距离地连墙300至400mm，开孔间距800mm；第二排冻结孔与第三排冻结孔距地连墙的距离由冻土墙的厚度决定，第二排冻结孔个数为7，中部间距1600mm，两端间距800mm，第三排冻结孔个数为11，开孔间距800mm；测温孔布置步骤：每个进洞口在地面布置4个测温孔，所述测温孔的深度比冻结深度小0.5m；在每个洞口地连墙上布置9个小测温孔，所述小测温孔直径为50mm，深度以孔底距离土层100mm为准；冻结孔施工步骤：进行冻结孔的钻进及冻结器的安装；钻进水平冻结孔，并安装孔口管；冻结制冷系统安装步骤：进行管路设计，在去、回路盐水管路上安装压力表、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，并采用串并联方式连接冻结器；进行冻结站内设备的布置及安装；进行管路连接、保温与测试仪表安装；溶解氯化钙和机组充氟加油；测温孔施工步骤：进行测温孔的钻进及测温管的安装；钻进水平测温孔，并安装孔口管；盾构进洞前准备步骤：进行洞圈注浆球阀的布设和止水装置的安装，搭设脚手架，安装洞门插板，在洞门圈上安装两道挡土板，洞圈内焊接二道弹性钢板并在钢板之间放入成环海绵，同时在洞圈上预备封门装置，并预留5只1.5寸注浆球阀；积极冻结步骤：根据测量结果对盾构进行姿态调整，根据冻结进度确定推进进度在进洞前10～20环位置，在管片脱出盾尾后，间隔1～2环，连打三道环箍；维护冻结步骤：进行洞门混凝土开凿，控制盾构鼻尖抵达冻土墙，停止冻结并将竖向冻结管拔离盾构上部外壳；盾构穿越冻土墙进洞步骤。

在一实施例中，该方法还包括：衬砌壁后二次注浆步骤：进洞段施工中，在隧道内进行二次衬砌壁后注浆。

在一实施例中，该方法还包括：成型隧道的保护步骤：盾构进洞后对成型隧道进行保护，盾构进洞后在冻结孔内充填1：1的水泥浆封孔，洞门注浆完成后，进行井接头施工，然后通过隧道内管片注浆孔完成融沉注浆。

在一实施例中，该方法还包括：地表隆起及融沉处理步骤：采用局部冻结降低膨胀量，采用从地面注浆和隧道内注浆相结合的方式处理地层融沉。

在一实施例中，计算冻土墙厚度，包括：根据下述公式计算冻土墙厚度h：

$h={\left[\frac{{\mathrm{kBPD}}^2}{4\mathrm{\σ}}\right]}^{1/2}$

其中，б——冻土抗折强度，

P——荷载，

D——开挖直径，

B——系数，

K——安全系数。

在一实施例中，该冻结孔施工步骤中，所述冻结器的安装完毕后，所述的方法还包括：用木塞等封堵管口，在冻结管内下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支架，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖，在局部冻结位置，非冻结段的冻结管外套Ф108×20mm的软质保温筒保温，外面再用塑料薄膜包裹扎紧。

在一实施例中，该冻结孔施工步骤中，在钻进水平冻结孔，并安装孔口管之前，所述的方法还包括：下好冻结管后，采用灯光测斜法测斜，并复测冻结孔深度；2）完成测斜后进行打压试漏，冻结管试漏压力控制在1.0～1.2MPa之间。

在一实施例中，该冻结孔施工步骤中，安装孔口管的步骤包括：将孔口处凿平，安装四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝作为密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，将混凝土墙开穿。

在一实施例中，该在盾构进洞前准备步骤中，所述安装洞门插板的步骤包括：在渗漏点压注液浆，在洞门圈上焊接螺杆，安装预先加工好的插，在插板上预留5只1.5寸注浆球阀，当盾构支撑环脱出后即封闭插板进行注浆。

在一实施例中，该在盾构进洞前准备步骤中，安所述在洞门圈上安装两道挡土板的步骤包括：在洞门钢圈的内侧安装一道挡土板，挡土板上开小的枪口，在洞门圈的外侧安装一道增强型挡土板。

本发明实施例的有益效果在于，本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法，可以提高冻土强度，增强隔水效果，并能在不需要洞门地基加固时迅速解冻。另外，冻土墙与地铁车站地下连续墙的水平作用力不会大于土层的被动土压力。再者，本方法的施工设备体积小，不受地层深度的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例地铁盾构隧道冰冻进洞方法流程图；

图2为冻土墙厚度的计算简图；

图3为本发明实施例冰冻进洞法的冻结孔平面布置图；

图4为本发明实施例冰冻进洞法的冻结孔正面布置图；

图5为本发明实施例冰冻进洞法侧面布置图；

图6为本发明实施例洞口测温孔布置图；

图7为本发明实施例孔口密封装置示意图；

图8为本发明实施例冻结站布置示意图；

图9为本发明实施例洞门插板示意图；

图10为本发明实施例洞门挡土板示意图；

图11为本发明实施例探孔布置图；

图12为本发明实施例热盐水循环及吹盐水系统图；

图13为本发明实施例拉接部位放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法，包括：

S101：冻土参数确定步骤：计算冻土墙厚度，并确定冻土墙深度、冻土墙宽度及加固参数；

S102：冻结孔布置步骤：布置三排冻结孔，第一排冻结孔的个数为13，距离地连墙300至400mm，开孔间距800mm；第二排冻结孔与第三排冻结孔距地连墙的距离由冻土墙的厚度决定，第二排冻结孔个数为7，中部间距1600mm，两端间距800mm，第三排冻结孔个数为11，开孔间距800mm；

S103：测温孔布置步骤：每个进洞口在地面布置4个测温孔，所述测温孔的深度比冻结深度小0.5m；在每个洞口地连墙上布置9个小测温孔，所述小测温孔直径为50mm，深度以孔底距离土层100mm为准；

S104：冻结孔施工步骤：进行冻结孔的钻进及冻结器的安装；钻进水平冻结孔，并安装孔口管；

S105：冻结制冷系统安装步骤：进行管路设计，在去、回路盐水管路上安装压力表、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，并采用串并联方式连接冻结器；进行冻结站内设备的布置及安装；进行管路连接、保温与测试仪表安装；溶解氯化钙和机组充氟加油；

S106：测温孔施工步骤：进行测温孔的钻进及测温管的安装，钻进水平测温孔，并安装孔口管；

S107：盾构进洞前准备步骤：进行洞圈注浆球阀的布设和止水装置的安装，搭设脚手架，安装洞门插板，在洞门圈上安装两道挡土板，洞圈内焊接二道弹性钢板并在钢板之间放入成环海绵，同时在洞圈上预备封门装置，并预留5只1.5寸注浆球阀；

S108：积极冻结步骤：根据测量结果对盾构进行姿态调整，根据冻结进度确定推进进度在进洞前10～20环位置，在管片脱出盾尾后，间隔1～2环，连打三道环箍；

S109：维护冻结步骤：进行洞门混凝土开凿，控制盾构鼻尖抵达冻土墙，停止冻结并将竖向冻结管拔离盾构上部外壳；

S110：盾构穿越冻土墙进洞步骤。

冻土参数确定步骤具体实施时，包括：冻土墙厚度计算、冻土墙深度计算、冻土墙宽度计算、加固参数设定等步骤，分别介绍如下：

1冻土墙厚度计算

进洞口冻土墙厚度设计参照日本和我国建筑结构静力计算公式，并考虑类似工程的施工经验。冻土墙受力计算按周边固定圆板考虑（如图2所示），冻土的相关参数取值，原则上考虑较大的安全储备。冻土墙平均温度取-10℃，抗折和抗剪强度均取1.6MPa、抗弯强度取2.0MPa，抗折和抗剪安全系数均取2.0。

1）荷载计算

冻土墙外侧受土层侧压力作用：

P=k0γh+qn

式中：P——侧压力（包括地下水）

γ——土体的平均重度

h——隧道埋深

k0——土的侧向静止平衡压力系数，取0.7

qn——超载（20kPa）

2）冻土墙厚度

按关于加固体厚度h的计算公式为

$h={\left[\frac{{\mathrm{kBPD}}^2}{4\mathrm{\σ}}\right]}^{1/2}$

式中:б——冻土抗折强度（1.6MPa）

P——荷载(MPa)

D——开挖直径（6.7m）

B——系数(1.2)

K——安全系数(2.0)

按我国建筑结构静力计算公式计算圆板中心

所受的最大弯曲应力为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Max}}=\frac{P{(D/2)}^2}{16}(3+\mathrm{\μ})\frac{6}{h^2}$

式中:P——荷载(MPa)

D——开挖直径（6.7m）

μ——泊松比（0.3）

бmAX——最大弯曲应力（2.0MPa）

h——冻土墙厚度(m)

按工作井开洞口周边冻土墙承受的剪力最大，为

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{Max}}=\frac{\mathrm{PD}}{4h}$

式中:P——荷载(MPa)

D——开挖直径（6.7m）

K——安全系数(2.0)

τMax——计算最大剪应力（1.6MPa）

h——冻土墙厚度(m)

2冻土墙深度计算：计算洞圈上下各2m。

3冻土墙宽度计算：冻土墙宽度为9.7m（超过洞圈两侧各1.5m）。

4加固参数为设定：

1）设计积极冻结期最低盐水温度为-28～-30℃，并要求冻结7d达到-20℃以下，打开洞门时盐水温度达到最低值；

2）冻土墙平均温度不高于-10℃，冻土墙与工作井地连墙交界面附近温度低于-5℃；

3）冻结孔采用串并联方式，每2～3个孔串联成1组。单孔盐水流量不小于6m3/h；

4）冻结管规格：Ф108×5mm低碳钢无缝钢管，采用内衬管对焊连接；

5）冻结需冷量：冻结管散热系数取250kcal/h·m2，冷量损耗取20%；

6）冻结站装机制冷量设计：根据冻结需冷量计算和快速冻结的要求，决定冷冻机的型号和套数。

冻结孔布置步骤中，由于地连墙混凝土的导热性好，冻土墙与地连墙之间不易冻结，所以要求冻结管尽量靠近地连墙，在地面打钻空间受地连墙导墙限制的情况下，靠近地连墙的冻结孔可以适当向地连墙倾斜钻进。进洞口布置三排共31个冻结孔。其中：

第一排冻结孔距离地连墙300～400mm，共13个，开孔间距800mm。

第二排冻结孔距离地连墙的距离根据计算的冻土墙厚度决定，共7个，中部间距1600mm，两端间距800mm。

第三排冻结孔距离地连墙的距离也根据计算的冻土墙厚度决定，共11个，开孔间距800mm。

为防止盾构进洞时水砂涌入，在盾构进洞口底部增设8个水平加强冻结孔和2个测温孔，深度均在第一排和第二排垂直冻结管中部，如图3至图5所示，其中，301为盾构，302为冻土墙，303为地连墙，304为水平冻结孔；401为第一排冻结孔，402为内衬洞口中心线，403为测温孔；501为内衬墙，502为冻结孔。

水平冻结孔预先与冻结器连接好，在垂直冻结管第一次拔管后即开始水平冻结管内盐水循环，以加强底部冻结区，确保盾构进洞的安全。在施工工作井结构时在水平冻结孔位置上预留空洞，空洞直径为130mm，这样可以减少开孔时对结构的破坏和开孔时间。一般积极冻结30天冻土墙厚度可达设计要求，宽度达11m，深度至洞口以下2m，均满足冻土墙设计要求。

测温孔布置步骤中，每个进洞口在地面布置4个测温孔（如图3及图4所示），其深度比冻结深度小0.5m。在每个洞口地连墙上布置9个小测温孔（见图6所示，601指代洞门)。小测温孔的直径为50mm，深度以孔底距离土层100mm为准。

冻结孔施工步骤具体实施时，主要包括：打钻设备选型，冻结孔钻进与冻结器安装，测斜和试漏，水平冻结孔施工几个步骤，具体说明如下：

在一实施例中，垂直冻结管和地面测温管规格为Ф108×5mm低碳钢无缝钢管；水平冻结管规格为Ф89×8mm低碳钢无缝钢管；小测温管和供液管规格为Ф48×3mm焊接钢管。

1打钻设备选型

冻结孔钻进选用XY-4型钻机2台，电机功率为22kw。土层用Ф190mm的三翼刮刀钻头或牙轮钻头钻进，硬化地面和导墙钢筋混凝土翻边用Ф200mm金刚石取芯钻头钻进。钻孔用经纬仪灯光测斜。另外，需要选用BW-200/50泥浆泵1台，流量为200L/min，每台电机功率为14.5kw。

2冻结孔钻进与冻结器安装

1）按冻结孔设计位置固定钻机，用Ф200mm取芯钻开孔，正常钻进时根据地层软硬情况采用三翼钻头或牙轮钻头。

2）为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前5m钻孔时，要反复校核钻杆垂直度和水平度，调整钻机位置，并采用减压钻进。

3）冻结管下入钻孔内前要先配管，保证冻结管同心轴线重合，焊接时，焊缝要饱满，保证冻结管有足够强度，以免拔管时冻结管断裂。

4）冻结管安装完毕后，用木塞等封堵管口，以免异物掉进冻结管。

5）在冻结管内下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支架。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

6）在局部冻结位置，非冻结段的冻结管外套Ф108×20mm的软质保温筒保温，外面再用塑料薄膜包裹扎紧。

3测斜和试漏

1）下好冻结管后，采用灯光测斜法测斜，并复测冻结孔深度。

2）完成测斜后进行打压试漏。冻结管试漏压力控制在1.0～1.2MPa之间，稳定30分钟不降者为试漏合格。

4水平冻结孔施工

根据预留孔位，用开孔器（配金刚石取芯钻）按设计位置开孔，开孔直径125mm，当开到1500mm时停止125mm孔的取芯钻进，安装孔口管，孔口管的安装方法为：首先将孔口处凿平，安装四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝等密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，开孔直径为91mm，一直将混凝土墙开穿，这时，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门，如图7所示，其中，701为地层，702为地下连续墙和内衬墙，703为孔口管，704为闸阀，705为孔口装置，706为钻杆707为小闸阀。

冻结制冷系统安装步骤具体实施时，包括如下步骤：冻结制冷设备选型与管路设计，冻结站布置与设备安装，管路连接、保温与测试仪表安装，溶解氯化钙和机组充氟加油，设备安装完毕后进行调试和试运转，具体介绍如下：

1冻结制冷设备选型与管路设计

1）冷冻机根据需冷量确定，可选用W—YSLGF300Ⅱ型、YSKF212.5型等。

2）选用IS150-125-315盐水循环泵一台，流量200m3/h，扬程32m，电机功率30kw。

3）选用IS125-100-250冷却水循环泵1台，流量100m3/h，扬程20m，电机总功率11kw；

4）选用DBNL3-50型冷却塔4台，每台电机总功率1.5kw。

5）设盐水箱一个，容积3.4m3。

6）盐水干管和集配液管均选用Ф159×5mm钢管，集、配液管与羊角连接选用1.5"高压胶管。

7）在去、回路盐水管路上安装压力表、温度传感器和控制阀门。在盐水管出口安装流量计，盐水箱中安装液面传感器。

8）在配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制冻结器盐水流量。

9）冻结器连接采用串并联方式，每组串联2～3个冻结孔。

10）冻结站冷却水新鲜用量为10m3/h。

11）选用N46冷冻机油，R22制冷剂。

12）氯化钙溶液（盐水）比重为1.260～1.265。

2冻结站布置与设备安装

站内设备主要包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等，如图8所示，其中1为冷却塔，2为清水池，3为清水泵，5为起动柜，8为盐水干管。

3管路连接、保温与测试仪表安装

盐水和冷却水管路铺在地面管架上，法兰连接。温度计、压力表和流量计安装按有关规范进行。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温层厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎，集配液圈与冻结管的连接用耐高压胶管。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用软质泡沫塑料保温材料保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温。

4溶解氯化钙和机组充氟加油

先在盐水箱内注入约1/4的清水，然后开泵循环并逐步加入固体氯化钙，直至盐水浓度达到设计要求。溶解氯化钙时要除去杂质。盐水箱内盐水不能太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。

5设备安装完毕后进行调试和试运转。

在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行，冻结系统运转正常后进入积极冻结。

具体实施时，地面测温孔施工方法同冻结孔，具体地，进行测温孔的钻进及测温管的安装，钻进水平测温孔，并安装孔口管。

进洞口地连墙上的小测温孔采用Ф50mm取芯钻钻进，不得钻透地连墙。如钻孔中出水，下Ф48×3mm焊接钢管作为测温管，测温管外需缠麻丝密封，并用膨胀螺栓固定在地连墙上。

盾构进洞前准备步骤具体包括：洞圈注浆球阀的布设和止水装置的安装，脚手架搭设，进洞前姿态复核测量，预先安装洞门插板做好二次进洞的准备，在洞门圈上安装两道挡土板，二次进洞措施，具体分别介绍如下：

1洞圈注浆球阀的布设和止水装置的安装

为了防止盾构进洞时漏泥浆，及时压注液浆，在洞圈周围布设5～8个注浆球阀。洞圈止水装置安装结束后，当洞圈特殊环管片脱出盾尾后，立即用弧形钢板与其焊接成一个整体，完成洞门封堵。

2脚手架搭设

在盾构基座定位加固完成后，在洞圈上搭设稳固的脚手架，便于洞门凿除施工。

3进洞前姿态复核测量

在进洞前40米，应精确做好轴线贯通测量工作，以后根据盾构推进的轴线偏差情况，每推10～15m，复核一次。最后10环的推进，盾构轴线与设计轴线的偏差，应尽可能控制在30mm内，使盾构以最佳姿态进洞。

4预先安装洞门插板做好二次进洞的准备

为了防止盾构进洞时漏泥浆，及时在渗漏点压注液浆，在洞门圈上焊接螺杆，安装预先加工好的插板，在插板上预留5只1.5寸注浆球阀。当盾构支撑环脱出后即封闭插板进行注浆，实现二次进洞（或是二次以上进洞），如图9所示，其中，901为洞圈钢板，902为预留槽，903为50*50的角铁。

5在洞门圈上安装两道挡土板

在洞门钢圈的内侧安装一道挡土板，挡土板上开小的枪口。在洞门圈的外侧安装一道增强型挡土板，如图10所示，其中1001为1mm弹簧钢板（下部半圈），1002为挡土板（整圈），1003为M16螺栓，1004为手枪板，1005为橡胶板（整圈），1006为洞门圈。

6二次进洞措施

为了二次进洞需要，防止盾构进洞时漏泥浆，及时在渗漏点压注液浆，在洞圈上预先设置“泥沙阻止装置”，方法是在洞圈内焊接二道弹性钢板，钢板之间放入成环海绵，以达到防止泥沙流失的目的；同时在洞圈上预备封门装置，并预留5只1.5寸注浆球阀，以便于二次进洞的洞门注浆。

积极冻结步骤为冻结施工第一阶段，在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。要求一周内盐水温度降至-20℃以下，该步骤具体描述如下：

1在积极冻结完成前，盾构切口与冻土墙间保持10米以上的安全距离，留下足够的调节距离；

2及时根据测量结果进行姿态调整，确保盾构以最佳姿态进入冻结区；

3提高盾构机的检查和保养频率；

4盾构推进与冻结保持密切配合，根据冻结进度确定推进进度；

5在进洞前10～20环位置，在管片脱出盾尾后，间隔1～2环，连打三道环箍，防止进洞时水土流失。

6积极冻结完成的标志是：

1）冻结孔完成相互搭接；

2）冻土墙完全成型，且实测冻土墙厚度达到设计要求；

3）是否达到设计要求，通过测温孔温度验算判断。

维护冻步骤为冻结施工第二阶段，在积极冻结完成后，冷冻即转入维护冻结。

在维护冻结阶段，有三项主要工作，三项工作必须密切配合，同时进行，同时完成。

1第一项工作：洞门混凝土开凿

实测测温孔温度，使冻土墙平均温度和厚度达到设计值，检查冻土墙与地下连续墙界面温度不高于-5℃，可破盾构出洞口地连墙钢筋混凝土。破盾构出洞口地连墙钢筋混凝土时，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。

原则上冻结15天后可进行部分破壁，在部分破壁过程中，如发现有渗水点，要及时进行封堵，以防水土流失，影响冻土墙交圈；如未发现异常情况，可直接进入下一层破壁。

破壁时不能一次完成，分4～5层分层剥离，槽壁保留厚度不小于300mm，并保留钢筋，以保护冻土墙。

通过测温孔观测计算，确认冻土墙达到设计厚度及强度，当槽壁破壁厚度还剩下不小于300mm时，在洞门上有分布的打若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况，如图11所示，1101为探空，1102为洞门。按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用风镐进行凿窝，窝直径400mm，窝深在200～400mm，探孔打好后，即可用电锤打探孔，穿透剩下槽壁，进入冻土内，探孔进入冻土内深度控制在10～15cm。采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于-2℃。盾构在进洞之前，必须具备如下条件方可进洞，如表1所示。

表1盾构进洞条件

序号	内容	指标
			1	冻土墙厚度设计厚度	≥设计厚度
2	冻土的平均温度	≤-14℃
			3	各探孔温度	≤-2℃
4	盐水温度	-28℃～-30℃
			5	盐水去回路温度差	≤2℃

当通过探孔实测温度判断冻土墙与槽壁完全可靠胶结方可全部破壁,最后一层破壁时间不宜超过2天，以防冻土墙融化，影响其强度。

最后一层破壁须采用分层分块进行，防止破坏冻土墙，造成不良后果。

1）在维护冻结情况下开凿洞门混凝土（此时洞门处有结霜现象）；

2）洞门采用全断面粉碎与分块相结合的方式开凿；

3）凿除洞门前，在洞门上打5个探孔，进一步确认冻土墙的止水效果。探孔打穿地墙前须由冻结方测温，在确认安全后方可打穿；

4）开凿施工必须准备充裕的施工力量，以最快的速度破除洞门混凝土；

5）凿除洞门时分三层逐层进行，第一层20cm，最后一层20cm。

2第二项工作：盾构鼻尖抵达冻土墙

1）盾构推进必须根据洞门的开凿进度控制推进速度；

2）及时调整盾构偏差，确保盾构以最佳姿态靠近冻土墙；

3）在靠近冻土墙前解除盾构联锁，确保刀盘24小时连续转动，以防冻住。解除联锁工作由盾构安装调试单位负责完成，并现场指导盾构司机熟练掌握解锁后的盾构操作要领；

4）盾构逼近冻土墙时，当班班长及盾构司机应密切注意刀盘马达的油压显示，如有升压趋势，即可认为切口已至冻土墙边缘，此时应立即降低推进速度，同时适度调低密封舱压力；

5）有专职人员昼夜对需控制的构（建）筑物进行沉降监测，及时观察结构的变形情况。将监测数据及时反馈给盾构司机，及时调整施工参数。

3第三项工作：停冻拔管和进洞准备

在盾构进洞时，机头靠上冻土墙并做好密封后可停止冻结，进入拔管工序。拔管方法与步骤为：

1）用一只1m3左右的盐水箱储存盐水，在盐水箱中安装总功率为100～150kw电热管加热盐水；

2）以每2～3组冻结孔为一批，利用流量为50m3/h以上盐水泵循环盐水，先用40～50℃的盐水循环10分钟左右，即可进行边循环边试拔；

3）待冻结管周围冻土融化3～5cm时，及时用起管机或千斤顶起拔松动冻结管；

4）用起重机或卷扬机快速拔出已松动的冻结管；

5）拔管后用低标号水泥砂浆封孔；

6）预计正常起拔力为6～10吨。冻结管的破断力约为32吨，要求起拔力小于20吨；

7）用两个10吨的千斤顶进行试拔，拔起0.5m左右时，便可停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。然后用20T吊车快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，冻结管不能蹩劲，拔管时要常转动冻结管，冻结管不能硬拔，如拔不动时，要继续循环热盐水解冻，直至拔起冻结管，如图12所示，其中1201为盐水泵，1202为冻结管。

8）盾构推进范围内的竖向冻结管需拔离盾构上部外壳0.3m，然后再进行二次冻结。待所有冻结管全部拔完后，即可恢复冻结，确保冻结加固体的可靠性。

维护冻结完成的标志是：

1）洞门混凝土开凿完成；

2）盾构鼻尖抵达冻土墙；

盾构穿越冻土墙进洞步骤为冻结施工第三阶段，具体包括如下步骤：

1充分做好前期准备工作，确保连续施工；

2解除盾构连锁，确保刀盘连续转动；

3在洞门混凝土清理干净，且冻结孔已拔管并灌入盐水后，盾构立即尽快推进并拼装管片，尽量缩短进洞时间；

4按一次进洞计划，作二次进洞准备，现场准备充分的二次、三次进洞设备、物资和人力；

5进洞期间，安排技术、施工和安全人员进行全程监督，杜绝安全事故隐患，安排专人对洞口上的密封装置做跟踪观察，确保防水密封装置安全、牢靠。

6进洞段施工技术措施

1)严格控制盾构正面平衡压力

在进洞段盾构施工过程中必须严格控制切口平衡土压力，使得盾构切口处的地层有微小的隆起量来平衡盾构背土时的地层沉降量。同时也必须严格控制与切口平衡压力有关的施工参数，如出土量、推进速度、总推力、实际土压力围绕设定土压力波动的差值等。防止超挖、欠挖尽量减少平衡压力的波动。在盾构进入加固区以后，土压和总推力适当减小，保证洞门的安全。

2)严格控制盾构的推进速度

盾构进洞段施工时，推进速度应放慢，尽量做到均衡施工，减少对周围土体的扰动，避免在途中有较长时间耽搁。如果推得过快则刀盘开口断面对地层的挤压作用相对明显，在加固区前的推进速度在2～3cm/min，进入加固区以后推进速度控制在1cm/min。

3)严格控制盾构纠偏量

在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大。每环检查管片的超前量，隧道轴线和折角变化不能超过0.3％。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，相对区域油压的变化量随出土量和千斤顶行程逐渐变化。采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地面的影响。在盾构进入加固区前应根据洞门中心调整好盾构进洞位置与姿态，避免在进入加固区以后再调整盾构姿态。

4)严格控制同步注浆量和浆液质量

严格控制同步注浆量和浆液质量，务必做到三点：

1）保证每环注浆总量；

2）保证每箱土要均匀合理地压注；

3）浆液的配比和稠度必须符合质量标准。

通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。每环的压浆量一般为建筑空隙的200％～250％，即每推进一环同步注浆量为2.76m3～3.45m3。泵送出口处的压力应控制在0.3MPa左右，稠度控制在9～11cm。

5)严格控制盾尾油脂的压注

在同步注浆量充足的前提下，盾构机的盾尾密封功能就显得特别重要。为了顺利、安全的进洞，必须切实地做好盾尾油脂的压注工作。每班上班时检查并保证储桶内有充足的油脂。推进时油脂开关用自动档根据压力情况自动补压（同时配备专人观察，需要时人工压注），杜绝因人为欠压造成的漏浆、漏水现象。

6)防止管片被拉开加固措施

当二次进洞注浆注好后，盾尾将和管片脱开，在摩擦力的作用下管片容易受拉，使环缝拉开，故脱开时盾构机中上部千斤顶使用预先加工好的顶块撑牢后，盾构推进实现盾尾与管片的分离。分离后洞门圈焊接弧形板密封洞门，保证洞门安全。

7)打设降压井

如在进洞地基加固范围内存在微承压水和承压水，为防止在进洞过程中出现透水现象，应及时有效的采取补救措施，打设降压井降微承压水和承压水。

在一实施例中，本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法还包括：衬砌壁后二次注浆步骤：进洞段施工中，在隧道内进行二次衬砌壁后注浆，具体说明如下：

在进洞段施工中，要进行二次壁后注浆，特别是在推进最后几环盾尾进入加固区，同步注浆无法进行时候。浆液采用双液浆（每3环压一环），每环2～3m3（在实际压注中将根据各监测数据及压力进行适当的调整）。在管片脱出盾尾5环后，对管片的建筑空隙进行双液二次注浆。浆液通过管片的注浆孔注入地层，并在施工时采取推进和注浆联动的方式，注浆未达到要求，盾构暂停推进，以防止土体变形。壁后二次注浆根据监测情况随时调整，从而使进洞段地层变形量减至最小。二次注浆结束后，必须立即将闷头拧紧。

在一实施例中，本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法还包括：盾构进洞后对成型隧道的保护步骤，具体说明如下：

1)及时、多次复紧最后20环管片纵、环向螺丝；

2)在进洞过程中，用槽钢将最后15环管片连接成一体，防止盾构管片间出现张缝，整环管片共拉5道12#槽钢对拼（如图13所示，其中1301为12号槽钢，1302为20mm拉结板），通过拉接板与管片连接（拉接板固定在环向螺栓上）；

3)洞圈特殊环管片脱出盾尾后，立即用弧形钢板与其焊接成一个整体，并立即进行洞门注浆，用浆液充填管片和洞圈间隙，防止水土流失，并在洞口向内15环的B块上隔环安装2寸注浆球阀，并在现场配备两台注浆设备，作为融沉注浆及应急注浆之用；

4)盾构进洞后在冻结孔内充填1：1的水泥浆封孔；

5)洞门注浆完成后，立即着手安排井接头施工；

6)通过隧道内管片注浆孔完成融沉注浆，直至稳定。

在一实施例中，本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法还包括：冻结引起的地表隆起和融沉处理步骤，具体描述如下：

土层冻胀主要是地层中孔隙水结冰膨胀引起的，多数土层结冰时均要产生冻胀，冻胀量的大小与土层力学特性，约束条件，冻结速度，土层含水量及水分迁移的多少有关，水变冰的体积膨胀量约9%，而土体膨胀量一般约为3%～4%，如采用全深冻结，冻胀量可能很大，而采用局部冻结冻胀量将大大降低。根据上海地铁和煤矿冻结施工监测，冻土墙内的地表冻胀隆起一般不大于20mm。

融沉主要是冻土融化时排水固结引起的，滞后于冻土的融化，冻土融化时的沉降量与冻土厚度、冻土的特性有关。根据施工经验和土工试验，冻土融化后，其标高可能略低于原始地层的标高，为减少融沉量，采用局部冻结，减小冻土体积。地层融沉可采用从地面注浆和隧道内注浆相结合的方式来处理。隧道底部的冻土体可以应用倾斜冻结孔进行强制分两组化冻，利用隧道内管片上预留的注浆球阀进行注浆，从而控制隧道的沉降。顶部和两侧也从隧道内进行分层跟踪注浆处理。冻结管拔除后及时预埋注浆管，根据监测报表数据分析指导施工，适时注浆；隧道沉降控制措施主要利用隧道管片注浆孔进行适当的跟踪注浆，减小冻结对周围环境的影响。

本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法在具体实施时，需要用到的设备及材料分别如表2及表3所示。

表2主要设备表

序号	设备名称	数量	规格尺寸	主要性能	备注
						一	打钻
1	钻机	2台	XY-4	22KW
						2	泥浆泵	2台	BW-200/50	14.5KW
3	除砂泵	1台	自制
						4	测斜仪	1	经纬仪	最大测深50m
5	电焊机	3台	ZX-400
						6	泥浆测定仪	1台
7	试压泵	1台		最大泵压2.5MPa
						二	冻结
1	冷冻机	2台	YSLGF300	电机功率125KW
						2	冷却塔	2台	DBNL3-100
3	盐水泵	1台	IS200-150-315	电机功率30KW
						4	清水泵	1台	IS125-150-250	电机功率11KW
5	流量计	2台
						6	抽氟机	1台
7	测温仪	1套
						8	盐水箱	1个	自制

表3主要材料表

序号	名称	规格尺寸	单位	数量	备注
						1	无缝钢管	φ108×5mm	m	2320	冻结管
2	无缝钢管	φ102×5.5mm	m	20	接箍
						3	无缝钢管	φ159×7mm	m	150	盐水干管
4	无缝钢管	φ133×5mm	m	50	水管
						5	聚乙烯塑料管	φ62×5mm	m	2320	供液管

6	高压胶管	1.5"	m	420	冻结器与集配液管连接
						7	焊管	1.5"	m	100	羊角器
8	钢板	4mm	m2	36	水箱
						9	三翼钻头	φ140mm	个	6
10	牙轮钻头	φ140mm	个	6
						11	金刚石钻头	φ160mm	个	12
12	钻杆	Φ75mm	m	30
						13	氟里昂	R22	kg	600
14	冷冻机油	N40	kg	250
						15	氯化钙	纯度70%	t	28
16	重铬酸钠		kg	30
						17	氢氧化纳		kg	20
18	截止阀	φ150mm	个	12
						19	截止阀	φ100mm	个	2
20	截止阀	1.5"	个	135
						21	法兰	φ150mm	副	25
22	法兰	φ100mm	副	10
						23	角钢	50×50mm	m	50
24	方木		m3	3
						25	螺栓、螺母		个	200
26	保温材料		m3	25

本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法在具体实施时，需要注意如下事项：

冻结孔孔位偏差不应大于50mm。

冻结孔钻进深度应确保冻结管能下到设计深度。

冻结孔钻孔的偏斜率控制在1%以内。

工作井周边的冻结孔距围护墙的距离不大于0.4m。

冻结管和测温管耐压不低于1.0MPa。

保证冻结孔的充填质量，以防沉降。

为了预防冻胀和融沉，设计选用标准制冷量较大的冷冻机组，在短时间内把盐水温度降到设计值，以加快冻土发展，提高冻土强度，减少冻胀和融沉量。

预计融沉量较大的部位可采取压浆充填，把融沉造成的危害降低到最低限度。

考虑到冻胀力对于结构造成的影响，积极冻结期内，通过T1、T2测温孔监测冻土向外围发展情况，依据冻土发展状态调整盐水温度和盐水流量，必要时可采取间歇式冻结,控制冻土发展量；维护冻结期（大约冻结15天以后）采取提高盐水温度，以减少冻胀和融沉。

在打第一个冻结孔时，分析主要地层钻进过程的参数变化情况，检查地质、水文情况，如有异常，及时采取针对性措施。

制订严格的冻结施工质量标准。控制冻结孔间距。如个别超标，应整体分析交圈情况，决定是否采用补孔措施。

不同的地质条件采用不同的钻进参数，严格控制钻进压力。

钻进过程中严格监测孔斜，施工前几个孔时要增加测斜频率。测斜后要及时绘制钻孔偏斜透视图，发现超偏及时纠正。

每个冻结器都要安装控制阀门，及时调整各个冻结器的流量。通过流量和温度测定，随时掌握冻结器的运行情况。

本发明实施例的有益效果在于，本发明的地铁盾构隧道冰冻进洞方法，可以提高冻土强度，增强隔水效果，并能在不需要洞门地基加固时迅速解冻。另外，冻土墙与地铁车站地下连续墙的水平作用力不会大于土层的被动土压力。再者，本方法的施工设备体积小，不受地层深度的限制。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种地铁盾构隧道冰冻进洞方法，其特征在于，所述的方法包括：

冻土参数确定步骤：计算冻土墙厚度，并确定冻土墙深度、冻土墙宽度及加固参数；

冻结孔布置步骤：布置三排冻结孔，第一排冻结孔的个数为13，距离地连墙300至400mm，开孔间距800mm；第二排冻结孔个数为7，中部间距1600mm，两端间距800mm，第三排冻结孔个数为11，开孔间距800mm；

测温孔布置步骤：每个进洞口在地面布置4个测温孔，所述测温孔的深度比冻结孔的冻结深度小0.5m；在每个洞口地连墙上布置9个小测温孔，所述小测温孔直径为50mm，深度以孔底距离土层100mm为准；

冻结孔施工步骤：进行冻结孔的钻进及冻结器的安装，钻进水平冻结孔，并安装孔口管；

冻结制冷系统安装步骤：进行管路设计，在去、回路盐水管路上安装压力表、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，并采用串并联方式连接冻结器；进行冻结站内设备的布置及安装；进行管路连接、保温与测试仪表安装；溶解氯化钙和机组充氟加油；

测温孔施工步骤：进行测温孔的钻进及测温管的安装；钻进水平测温孔，并安装孔口管；

盾构进洞前准备步骤：进行洞门圈注浆球阀的布设和止水装置的安装，搭设脚手架，安装洞门插板，在洞门圈上安装两道挡土板，洞门圈内焊接二道弹性钢板并在钢板之间放入成环海绵，同时在洞门圈上预备封门装置，并预留5只1.5寸注浆球阀；

积极冻结步骤：根据测量结果对盾构进行姿态调整，根据冻结进度确定推进进度在进洞前10～20环位置，在管片脱出盾尾后，间隔1～2环，连打三道环箍；

维护冻结步骤：进行洞门混凝土开凿，控制盾构鼻尖抵达冻土墙，停止冻结并将竖向冻结管拔离盾构上部外壳；

盾构穿越冻土墙进洞步骤，

其中，所述的方法还包括：地表隆起及融沉处理步骤：采用局部冻结降低膨胀量，采用从地面注浆和隧道内注浆相结合的方式处理地层融沉，以及

其中，在所述盾构进洞前准备步骤中，所述安装洞门插板的步骤包括：在渗漏点压注液浆，在洞门圈上焊接螺杆，安装预先加工好的插板，在插板上预留5只1.5寸注浆球阀，当盾构支撑环脱出后即封闭插板进行注浆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：衬砌壁后二次注浆步骤：进洞段施工中，在隧道内进行二次衬砌壁后注浆。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法还包括：成型隧道的保护步骤：盾构进洞后对成型隧道进行保护，盾构进洞后在冻结孔内充填1：1的水泥浆封孔，洞门注浆完成后，进行井接头施工，然后通过隧道内管片注浆孔完成融沉注浆。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算冻土墙厚度，包括：根据下述公式计算冻土墙厚度h：

$h={\[\frac{{\mathrm{kBPD}}^2}{4\mathrm{\σ}}\]}^{1/2}$

其中，——冻土抗折强度，

P——荷载，

D——开挖直径，

B——系数，

K——安全系数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冻结孔施工步骤中，所述冻结器的安装完毕后，所述的方法还包括：用木塞封堵管口，在冻结管内下入供液管，供液管底端连接0.3m高的支架，然后安装去、回路羊角和冻结管端盖，在局部冻结位置，非冻结段的冻结管外套用Ф108×20mm的软质保温筒保温，外面再用塑料薄膜包裹扎紧。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冻结孔施工步骤中，在钻进水平冻结孔，并安装孔口管之前，所述的方法还包括：1)下好冻结管后，采用灯光测斜法测斜，并复测冻结孔深度；2)完成测斜后进行打压试漏，冻结管试漏压力控制在1.0～1.2MPa之间。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，冻结孔施工步骤中，安装孔口管的步骤包括：将孔口处凿平，安装四个膨胀螺丝，而后在孔口管的鱼鳞扣上缠好麻丝或棉丝作为密封物，将孔口管砸进去，用膨胀螺丝上紧，上紧后，再去掉螺母，装上DN125闸阀，再将闸阀打开，用开孔器从闸阀内开孔，将混凝土墙开穿。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在盾构进洞前准备步骤中，所述在洞门圈上安装两道挡土板的步骤包括：在洞门圈的内侧安装一道挡土板，挡土板上开小的枪口，在洞门圈的外侧安装一道增强型挡土板。