[黑龙江]冻结法在富水砂层地质条件下盾构开仓中的应用

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1、冻结法在富水砂层地质条件下盾构开仓中的应用哈尔滨地铁项目部刘天祥摘要本文根据哈尔滨地铁一号线哈尔滨东站站～南直路站区间盾构开仓成功实践，针对富水砂层地质条件下盾构施工特点，在开仓之前采用人工冻结加固土层施工技术，以测温数据指导施工，确保加固体强度及密水效果满足盾构开仓施工要求，实现盾构开仓安全、质量目标。简要内容：1、工程概况；2、水文地质；3、施工方案选择；4、施工设计；5、体会与结论关键词城市地铁富水砂层土层冻结加固盾构开仓1、工程概况哈尔滨东站站～南直路站区间位于哈尔滨市道外区桦树街道路下方，区间

2、全长514.943m，采用两台德国产维尔特土压平衡盾构机进行施工，该盾构机外径6.28m，主机长度9.6m，重300t。在前期试掘进施工过程，渣土改良效果较差，盾构机始发掘进39m时，刀盘扭矩较大，螺旋机出渣不连续，渣土温度高，土仓加水、加泡沫充分搅拌后，只有污水从螺旋机内流出，从换刀仓门预留球阀插入钢筋1000mm，均为较密实的砂土，由此判断刀盘及土仓均已结饼，需开仓进行清理。为避免在开仓过程中，刀盘前方水砂通过仓门涌入隧道内造成盾构机淹没、地表塌陷等一系列灾难性事故，经多方论证，决定采用人工冻结对刀

3、盘前侧土层进行加固，常压进场清理的方案。2、工程地质特征哈尔滨东站站～南直路站区间地处松花江河漫滩地区，开仓位置隧道顶部埋深9.8m，隧底埋深15.8m，地下水位埋深2.5m，盾构区间穿越的地层主要为稍密的2层粉砂和中密的3层中砂，局部为中密的3T2层粉砂。3层中砂、3T2层粉砂呈中-低压缩性，具有一定承载力，但极易扰动，扰动后强度将会明显降低；而且3层中砂层为微承压含水层，水头高度5.3m～5.6m富水性好，开挖面极不稳定。3、施工方案的选择3.1冻结方案选择综合考虑富水砂层地层易流失特性，为确保加固

4、体有足够强度及密水性，采用垂直钻孔冷冻加固刀盘前方及两侧土体，并采取降水井辅助降水的加固方法，即在盾构机刀盘及掌子面前方利用垂直冻结孔加固地层，使掌子面左右两侧、上部和前方范围内土体冻结，形成“∩”状冷冻加固体，第6页共6页冻结体形成后，启动降水井将水位降至盾体以下后常压进仓作业，如下图所示。盾体土仓刀盘冻结加固区降水井3.2施工机具选择考虑环境影响等各方面因素，钻孔选用YGL-100型钻机一台，BW-250/50型泥浆泵2台，冻结管选用φ127×4.5mm20#低碳无缝钢管，采用外管箍焊接连接；供液管

5、采用φ48mm焊管；测温管采用φ48×3mm无缝钢管，冷冻机组选用设备功率为220KW的W-YSGF300II型螺杆机组2台。4、施工设计4.1、冻结参数设计（1）荷载计算加固体所承受荷载、计算模型如图1所示，为安全起见，其所承受荷载按照模型最深处16.0m计算。应用重液理论计算水土压力，其始发端洞口的水土压力为：P=0.013H（1）P——计算点的水土压力（Mpa）；H——计算点深度（m）。隧道轴线标高为107m，隧道直径为6.28m时，开洞口的底缘深度为15.84取16.0m。则计算得到水土压力为：

6、P≈0.208MPa第6页共6页图1冻结加固体荷载计算模型（2）加固体厚度计算假定加固体为整体板块而承受水土压力，运用日本计算理论计算加固体的厚度其计算公式为：（2）式中各符号取值如下表所示：计算得冻土墙厚度为1.43m运用日本计算理论的数据及结果表1冻土平均温度℃冻土弯拉强度σ-10℃水土压力P加固体开挖内直径D系数β安全系数k计算加固体厚度h-101.8Mpa0.208MPa6.28m1.21.51.43m为安全起见，加固体厚度取2.0m，冻土深度超过盾构机刀盘边缘3.0m，采用剪切力验算加固体厚度

7、，刀盘周边验算加固体剪切应力。其计算公式为:（3）剪切应力验算数据及结果表2水土压力P加固体开挖内直径D冻土抗剪强度τ-10℃加固体厚度h剪切应力τ0.208Mpa6.28m1.5Mpa2.0m0.16Mpa<<[τ]-10℃(安全)第6页共6页运用我国建筑结构静力计算理论公式进行验算，圆板中心所受最大弯曲应力计算公式为：（4）运用我国建筑结构静力计算理论计算数据及结果表3水土压力P加固体开挖内直径D冻土泊松比μ计算加固体厚度h计算得加固体最大弯拉应力σmax冻土弯拉强度σ-10℃安全系数k0.208M

8、Pa6.28m0.352.00.644MPa1.8MPa2.79当加固体厚度为2.0m，安全系数为2.79，满足要求。（3）冻结孔布置根据理论计算，为保证加固体厚度，冻结孔需布置3排，孔距0.8m，梅花形布置，A型孔1排，共计8个，位于盾构机正上方，孔深9.3m，即孔底距盾构机顶部0.5m；B型孔2排，共计29个，冻结孔距刀盘800mm，孔深19m，低于盾构机底部3m；刀盘左右两侧各设置3个冻结孔，孔深19m；同时设置2个测温孔T1、T2，