王 超

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 211899）

0 引言

盾构法已广泛应用于各类地下工程的建设当中[1，2]，而始发和接收是其施工中的关键工序。当端头井周边地层条件较差时，需进行加固处理[3]。

在各种加固方法中，冻结加固这种加固方式强度高、隔水性好且污染小、绿色环保，已成为处理地下水的主要工法，目前已普遍应用，近年来，冻结加固在盾构隧道的施工过程中的应用已有较多实例，如向亮[4]等以兰州地铁工程为背景，得到冻结施工过程中的地表沉降监测数据，整理得到了沉降变化规律；王书磊[5]等以福州市轨道交通2号线为背景，提出了减小或规避联络通道冻结工程风险的措施；马俊[6]等以常州地铁1号线为背景，对冻结全过程进行温度与变形实测，分析了冻结温度场发展规律以及冻胀引起的地表位移变化规律；苗立新[7]等以南庆门站端头施工为背景，提出了冻结加固施工与其他施工相比需要注意温度的点等结论；丁长鑫[8]等结合上海地铁10号线的项目经验，研究了洞口土体加固的各种方案，对人工地层冻结加固技术有一定的总结。

本文以济南黄河隧道工程端头井冻结加固为例，通过冻结设计、观测冻结帷幕厚度、冻胀融沉控制和监测分析体现冻结法在盾构隧道工程中的应用；对工程中可能会出现一些风险，例如冻结管不密实、冻结管串联支路、冻结孔偏移造成冻结帷幕出现缺陷，以及盐水循环因冻结导致盐水管涨裂或者盐水泄漏入加固土体使得土体难以冻结问题等进行分析，并提出应对措施。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

始发端与接收端工作井附近的地层主要由粉质黏土、细砂组成。盾构区间地质情况见图1。

图1 盾构区间地质图Fig.1 Shield interval geological map

工程区地下水主要分布在第四系地层中，地下水类型为孔隙潜水，水位埋深0.94～11.31 m，相应高程22.50～23.95 m，加固范围内无承压水。

1.2 加固区周边管线情况

北岸始发井周边无管线，南岸接收井向东管线分布依次为自来水、污水、通信、电力、燃气。污水管道为DN800HDPE管，埋深1.48 m；通信管为φ100PVC管，埋深1.08 m；电力管为DN200涂塑钢管，混凝土包封，埋深0.6 m；燃气管道为219钢管，埋深1.37 m。雨水管道为DN1000混凝土管，承插口接头，埋深0.6 m；通信管道为φ100PVC管，混凝土包封，埋深0.5 m；电力管为DN200涂塑钢管，混凝土包封，埋深0.8 m；通信管道为PVC75管道，埋深0.9 m。

接收井端头冻结加固在搅拌桩和槽壁之间2 m范围内冻结加固，可确保冻结不会对周边管线产生冻胀影响[9]。

2 冻结设计方案

2.1 需冷量计算

在冻结加固施工前，需要对具体的需冷量[10]进行计算，作为设备选取依据。

式中：mc为冻结修正系数，冻结区取1.2，非冻结区取0.45；H为冻结总长度，冻结区：1 427.8 m（始发）、1 427.8 m（接收）；非冻结区：456.9 m（始发）、710.36 m（接收）；d为冻结管直径，127 mm；K为冻结管散热系数250 kcal/(m2·h-1)。

代入数据后得到冻结加固时需冷量为1.914×105kcal/h（单个洞门始发），2.028×105kcal/h（单个洞门接收）。

2.2 冻结设备选择

计算完需冷量后便根据工程具体情况选择对应的施工设备规模和数量。详见表1。

表1 施工设备表（单个洞门）Tab.1 Construction equipment list (single portal)

2.3 清水盐水循环设计

运用选择好的施工设备并结合冻结加固需冷量，设计具体的冻结加固循环方案如下：

（1）盐水循环设计

盐水选用氯化钙溶液，单个洞门总用量为74%氯化钙晶体约15吨。盐水干管、集配液圈由φ159×4.5焊管加工制作而成。分支选用φ48×3.5焊管加工制作，并采用橡胶软管串联。盐水泵选用2台IS150-125-315型离心式水泵，流量为200 m3/h，电机功率为30 kW。

（2）清水循环设计

清水管为φ140×3焊管加工制作。选用8 m3清水箱2个。新鲜水补充设计流量为30 m3/h。选用2台IS150-125-315型离心式水泵，流量200 m3/h，电机功率30 kW。选用KST－80型冷却塔3台。

2.4 冻结孔布置方案

为了在始发端和接收端的地层快速形成一定强度的冻结壁，有必要对冻结孔与测温孔的间距和数量等数据进行调整。

始发、接收端根据冻结孔布置尺寸和设计盐水温度（-28～-30℃）及冻结管规格φ127×5 mm等主要冻结技术参数，对于冻结壁的参数取值，取设计平均温度为-13℃，有效厚度2.0 m。

单个洞门设计采用两排共计59个冻结孔，A排30个、B排29个；冻结孔距离槽壁0.5 m，相邻排间距0.9 m，孔间距0.85 m，插花布孔。测温孔布置5个（现场施工后布置在钻孔偏斜较大处，不在盾构推进范围内设置）冻结孔特征见表2、表3。

表2 始发端冻结孔及测温孔特征表（单洞门）Tab.2 Characteristic table of freezing hole and temperature measuring hole at origin (single portal)

表3 接收端冻结孔及测温孔特征一览表（单洞门）Tab.3 List of characteristics of freezing hole and temperature measuring hole at receiving end (single portal)

2.5 冻结加固条件

为保证被加固地段可以达到盾构成功始发和接收条件，冻结加固须满足以下参数要求：

（1）冻结壁厚度≥2.0 m；

（2）冻土平均温度≤-13℃；

（3）洞周水平探孔温度≤-5℃；

（4）盐水去回温差≤2℃。

始发、接收端头土体已进行了水泥土搅拌桩加固，荷载主要由搅拌桩加固体承担，冻结法加固作用是破除洞门时临时封水，不进行冻土强度验算。

2.6 拔管方案

在盾构始发进入洞门圈后，刀盘顶部距离冻结壁20 cm时，和在盾构接收盾构机到达工作井后进行拔管作业施工，所有冻结管一次性拔除，并用M15砂浆回填冻结管孔洞。

利用人工局部解冻的方案，进行拔管：利用热盐水在冻结器里循环，使冻结管周围的冻土融化达到50～80mm时，开始拔管。

（1）盐水加热：用一只1 m3左右的盐水箱储存盐水，用18组5 kW的电热丝加热盐水。

（2）盐水循环：利用流量为50 m3/h以上的盐水泵循环盐水，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）用两个10吨的千斤顶进行试拔，拔起0.5 m左右时，便可停止循环热盐水，用压风将管内盐水排出。然后快速拔出冻结管。拔管注意冻结管与挂钩要成一线，并常转动冻结管，拔管不顺利时，要继续循环热盐水解冻。热盐水循环及吹盐水系统见图2。

图2 热盐水循环系统图Fig.2 Hot brine circulation system diagram

3 冻结效果分析

冻结加固中温度是主要的影响因素，可以通过分析各个关键点的测温孔的数据得出冻结发展速度和冻土平均温度等数据。

3.1 冻结帷幕厚度

从测温孔温度分析角度入手，测温孔内各设有5个测点，每天测温不少于1次并记录各测温孔各测点温度分析其降温情况，从而判定冻结壁发展情况。测温点位置如表4所示：

3.2 冻结发展速度和冻土平均温度的确定

（1）冻结发展速度

冻土发展速度通过监测测温孔温度变化求得，各测点冻土发展速度为测点离最近冻结管距离与冻结温度降至0℃所需时间的比值，通过计算取所有测点中最小值，确定其冻结发展半径作冻结交圈图，测量其冻结帷幕厚度是否满足要求。本工程冻土发展速度暂取28 mm/d。

（2）冻土平均温度

根据公式法计算[7]：

其中：t为冻土平均温度，℃；tb为盐水温度，℃；l为孔间距（最大孔间距），m；E为冻土厚度（取冻土最薄弱处厚度），m；tB为井帮温度（取经验值），℃。

各数值带入式（2）中确定计算结果是否满足t≤-10℃的要求。

从项目资料得，盐水温度=-29℃，孔间距＝0.85 m，冻土厚度=2 m，井帮温度＝-5℃，代入公式得t＝-10.1℃≤-10℃，即冻土平均温度满足要求。

4 施工风险分析与对策

4.1 冻胀与融沉控制

（1）冻胀控制

平均冻胀率与冻胀压力、周围土体的弹性模量等参数有关[11]。冻结区槽壁为C40钢筋砼，根据大连路盾构出洞、复兴东路盾构出洞及上中路越江隧道盾构出洞冻结加固工程监测结果，冻胀力实际数据较小，对施工影响不大。

（2）融沉控制

融沉是冻结法施工过程中的常见现象[12]，程度与融层厚度、融层土的特性相关。为尽量避免此类现象的出现，设计选用标准制冷量较大的冷冻机组，短时间内实现盐水温度控制，间歇式冻结也可减少融沉量。通过洞内跟踪注浆可降低冻结作用对周围环境的影响。冻结管拔除的同时往孔内灌注黄沙，以确保孔内充填密实，最大融沉位置考虑压浆充填。

4.2 冻结孔

土体可能由于冻结管接缝出现缝隙让盐水进入而大幅减弱冻结的效果，还有可能发生冻结孔偏移，使得冻结帷幕部分区域有所缺陷。因此在钻孔前需要确认钻机具体位置和角度等几何参数。钻孔时对冻结管分阶段焊接以减少失误，然后对钻孔几何参数和力学参数进行检验。及时画出各孔的偏斜图。检漏压力控制在0.8 MPa，稳定15分钟为合格。

4.3 冻结过程

若因故障中断冻结，会使冻结帷幕出现强度方面的缺陷，或者供冷不均匀使冻结帷幕出现强度方面的缺陷，盐水结晶也会造成循环中断或管断裂。

在供电中断的情况下，可启用现场500 kW备用发电机进行供电。准备备用水以备供水中断。准备冷冻机组以备冻结站现有的冷冻机组故障。给各支路盐水口设置阀门调节盐水流量以控制各支路温差。盐水比重不小于1.26（29.8Beo），结晶温度-38.6℃。一旦浓度偏小，及时补充CaCl2。发现盐水泄露时汇报并检查。冻结管采用内管箍加剖口焊接连接，焊缝耐压强度大于等于0.8 MPa，且冻结过程中不存在中空冻胀压力，所以冻结不会造成断管现象。所有外漏冻结管在冻结前均采用保温板保温，后期施工人员在操作时均戴劳保手套接触盐水及盐水管路，以避免人员冻伤。

4.4 破除洞门风险

地连墙破壁时间过长有可能出现局部化冻现象。万一地连墙与冻土局部胶结不良或含水层局部未冻实有可能出现局部渗漏现象。

根据温度监测情况进行分析，冻结指标达到设计要求后再破除地连墙；破除地连墙前启动降水井，水位需降至洞门底部以下1 m。破除地连墙期间加强冻结，如果破除时间过长，用聚乙烯保温板进行分区保温；双回路供电或备好发电机，以防停电；破除地连墙后如有局部渗漏可压注速凝材料堵漏，同时，现场准备足够的水源和黏土、沙袋、水泥等，必要时及时封堵洞门。

5 结语

济南黄河隧道盾构已成功始发，以上冻结加固技术得到了实际的验证，总结起来有以下几点：

（1）接收井端头冻结加固范围为2 m，避免了冻结对周边管线产生的冻胀影响。

（2）冻结加固时需冷量为：19.387×104kcal/h（单个洞门始发），20.404×104kcal/h（单个洞门接收）。根据需冷量选择合适的设备配置方案和清水盐水循环设计方案，并调整冻结孔的间距和数量以最大限度地发挥冻结效果。

（3）由于冻结区域是开放式的，槽壁为C40钢筋砼，实际冻胀力较小，对工程影响不大。

（4）在冻结加固的施工中，包括但不限于冻结孔、冻结管、地连管等处均有产生问题的风险，需注意并制定相应对策。