冻结法在矩形顶管中端头土体加固技术措施及应用

 冻结法在矩形顶管中端头土体加固技术措施及应用

黄贤春  黄欢

广州市城市建设工程监理有限公司   广东广州510000

摘要：鉴于周边环境及地下管线错综复杂，顶管上方地层有深厚砂层，水压力较大，围岩稳定性较差，且地下水位揭露较浅，后续凿除地连墙过程操作不慎容易造成涌水、涌砂、掌子面失稳，顶管施工过程中可能引发涌水涌砂，导致管线沉降变形破坏的风险。以广州市轨道交通十三号线某站出入口及活塞风道矩形顶管进出洞为背景。重点介绍端头工作井内地面冻结孔造孔施工、冷冻站冻结系统安装、端头周围地层冷冻加固、顶管顶进、融沉注浆等主要工序，该方法解决了在地下通道建设中地面无法对顶管始发接受井洞门前范围土体进行垂直冻结加固的难题，为后续类似地铁站出入口等施工部位顶管施工端头土体冻结法提供了参考和借鉴。

关键词：矩形顶管、地面冻结孔造孔、地层冷冻加固、顶管顶进、土体加固

1、工程概述

广州市轨道交通十三号线某车站顶管专项施工工程共设置3条顶管，分别为C、D出入口顶管及活塞风道顶管。活塞风道顶管长46.71m，从2#竖井始发，明挖主体接收；D出入口顶管长45.45m，从D出入口始发，明挖主体接收；C出入口顶管长44.8m，从1#竖井始发，明挖主体接收。顶管埋深约10m，截面尺寸7700X5100mm。

顶管施工平面位置示意图

本工程冻结加固主要目的为顶管始发和接受破除洞门时封水，冻结强度达到设计要求后，凿除地下连续墙，拔出推进区域内的冻结管，顶管可直接推进，并于顶管隧道另一端进行过顶管接收，完成整个顶管隧道施工任务。

2、冻结布孔原则及布置方案

（1）冻结孔布置原则

冻结孔布置要求能达到冻土墙设计厚度；冻结孔开孔位置误差不宜大于100mm，冻结孔终孔允许偏斜150mm；顶进时推进范围内冻结管需拔除，推进范围外侧冻结管不拔除。

（2）冻结孔布设方案

垂直冻结孔布设：根据设计计算，车站出入口及活塞风道顶管垂直冻结设计冻结壁厚度1600mm 。顶管垂直冻结共设计ø127×5mm冻结孔29个，测温孔6个，冻结管设计总长度505.18m，积极冻结天数≥20d，冻结总需冷量约8.08×104 Kcal/h。

3、冻结法施工工法

根据土层资料及类似工程施工经验，顶管冻结施工采用“垂直冻结加固端头范围土体后，进行顶管推进施工”的施工方案，即：在顶管始发/接收端头采用冻结法加固地层，使端头土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土墙，然后在冻土墙中采用顶管推进施工。其优点：冻土墙均匀性好且与端墙结构结合严密，加固与封水效果良好，施工安全可靠。

3.1 施工流程

主要包括端头工作井内地面冻结孔造孔施工、冷冻站冻结系统安装、端头周围地层冷冻加固、顶管顶进、融沉注浆等主要工序。

3.2 冻结孔施工

（1）先由图纸依据设计相关参数计算出每个冻结孔在钻孔平面上面的坐标（X，Y），实地放样，对于部分和结构冲突部分孔位进行适当调整，开孔位置较设计不得大于100mm。

（2）冻结管、测温管和供液管规格：垂直冻结管选用Ф127×5mm低碳无缝钢管，单根管材长度8-9米为宜，另备用部分单根为1.0m的用于最后收尾，采用外管砸连接后对焊。测温管材质同冻结管，供液管采用Ф48mm钢管/PE管。

（3）冻结孔质量要求

施工前应根据端头井结构图对冻结孔开孔位置准确定位。冻结孔开孔位置误差不大于100mm。冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度。冻结管端头不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

（4） 冻结管钻进与冻结器安装

1）按冻结孔用Φ142mm取芯钻开孔，钻进过程中采用泥浆护壁，以防止塌孔。

2）为了保证钻孔精度，开孔段钻进是关键。钻进前10m钻孔时，要反复校核钻杆垂直度，调整钻机位置，并采用减压钻进。

3）冻结管下入地层后必须进行试压，试验压力应为冻结工作面盐水压力的1.5～2.0倍，且不小于0.8MPa。在冻结管内下入供液管，供液管底端连接支架，保证供液管底部不与冻结管底连接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。

4）测温孔施工方法和要求与冻结孔相同。在下放好的测温管内灌入部分比重1.26～1.265的盐水。

3.3 冻结制冷系统设计与安装

3.3.1冻结制冷设备选型与管路设计

（1）冻结孔采用Φ127×5mm的低碳无缝钢管，单座顶管垂直冻结加固总需冷量为8.08×104 Kcal/h，计划配备工况制冷量12.9万kcal/（h·台）的TSLC1000.1WBF，或制冷能力相当的冷冻机机组2台（备用1台，可切换使用），正常工作时其中1台供1座待推进的端头井冻结运转，另外1台作为备用，每台冷冻机组电机功率136kw。以C口始发井冻结总需冷量为例：

冻结需冷量计算：Q=Π*D*L*q*K

式中:L—冻结总长度（L1=505.18m、L2=100m、L3=50m）；

D—冻结管直径（直径Φ=0.127m、Φ=0.045m、Φ=0.159m）；

q—冻结管散热系数（280kcal/(h·m2)）；

K—冷量损失系数，可取K=1.2～1.25；

Q=1.2×3.14×0.127×505.18×280+1.2×3.14×0.045×100×280+1.2*3.14*0.159*100*280

=8.08×104 Kcal/h

3.3.2管路连接、保温与测试仪表安装

盐水和冷却水管路用法兰连接，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。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。

3.3.3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。盐水箱内的盐水不能灌得太满，以免高于盐水箱口的冻结管盐水回流时溢出盐水箱。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

3.3.4冻结工作面保温

在整个冻结加固区域内敷设保温层。敷设范围不得小于设计冻结壁边界外2m。保温材料采用阻燃（或难燃）的软质塑料泡沫软板，导热系数不应大于0.04W/m.h,吸水率不应大于2%，且不得浸泡在水中。采用保温板材时，应采用专用胶水将保温板密封贴在隧道管片上，板材之间不得有缝隙。

3.4 冻结运转

3.4.1管路测试及积极冻结

全部冷冻系统安装完成后，首先进行盐水系统试运转，清水系统不参与运转、冷冻机处于停机状态运转12小时并观察液位，液位无变化方可确认制冷系统密闭无漏点。

冷冻站正常运转7天盐水温度降至-18℃以下，积极冻结15天盐水温度降到-24℃以下。开始冻结后，要巡回检查冻结器是否有断裂漏盐水的情况发生，一旦发现盐水漏失，立即关闭阀门。并根据盐水漏失情况采取补救措施。

3.4.2 顶管实施条件判定与维护冻结

端头井顶管推进前现场冻结效果应该具备以下条件：

（1）积极冻结时间达到设计要求，并要求盐水温度达到设计最低盐水温度-28℃，盐水去回路温差不大于2℃。

（2）在待推进区域内侧设泄压孔或打探孔，泄压孔和探孔无带有压力的水、泥喷出。

（3）始发端垂直冻结注意事项：维持冻结，在洞门打设探孔，无水留出方能进行下一步工序。分层凿除洞门连续墙。安装钢套箱，内部填充砂土。将洞门范围的冻结管拔出解冻，洞门两侧2m范围维持冻结。顶管机顶进至冻结墙外侧。停止洞门两侧2m范围冻结。

   3.4.3 停止冻结及冻结孔拔除

顶管顺利推进后即可停止冻结，割除外露冻结管，并对冻结管钻孔进行充填和防渗处理，及时进行充填注浆。在顶管机始发推进之前，所有位于顶管推进轮廓内的冻结管需一次性全部拔除，拔除后填充砂浆料，不再进行二次冷冻和拔管。待顶管机顺利始发冷冻停止后，其余冻结管可以拔除。

3.5  融沉注浆

3.5.1 注浆时机

停止冷冻后现场根据沉降监测情况选择融沉注浆时机，持续时间为1~2个月，此融沉注浆采用单液浆为主，注浆比例为1:1，双液注浆为辅。且实测地表沉降速率连续2次小于0.5mm/15d时，可停止融沉补偿注浆。

3.5.2注浆工艺

冻结壁的融化是从外壁和内壁两个方向同时进行的，外侧注浆主要利用通道内预留的注浆孔以及部分穿透冻结壁的注浆孔，注浆范围从地连墙往内延伸2m。

（5）融沉注浆结束标准

实测地面沉降持续时间不少于1～2个月，当冻结壁完全融化，且实测地面沉降持续一个月每半个月不大于0.5mm即可停止融沉补偿注浆。3个月内停止融沉补偿注浆后，若地面沉降半个月大于0.5mm时，应继续进行融沉补偿注浆。融沉注浆采取时间和沉降双控原则。

4、结束语

选用盐水作为介质与冷却水循环泵的冷冻法在出广州轨道交通十三号线某站中出入口及活塞风道矩形顶管进出洞中成功应用，该方法解决了在地下通道建设中地面无法对顶管始发接受井洞门前范围土体进行垂直冻结加固的难题，保证矩形顶管的顺利进出洞的完成。在工程的实际结果证明，该冷冻法是矩形顶管进出洞施工中端头土体加固处理非常有效可行的技术措施，具有推广应用的价值。

参考文献

[1]广州地铁集团有限公司 城市轨道交通工程联络通道冻结法技术规程

[2]旁通道冻结法技术规程 DG/TJ08-902-2016

[3]城市轨道交通技术规范 GB50490-2009

[4] 安宇.浅谈冻结法在地铁施工中的应用[J] 研究探讨，2018（8）：155-156