盾构进出洞冻结加固技术

摘要：人工地层冻结法在1862年首次得到应用工程中，1993年被应用于地铁建设，上世纪60年代末首次应用于我国地铁建设。冻结法在地铁建设中得到了越来越普遍的应用。本文以昆明地铁冻结施工为案例介绍盾构进出洞施工中的冻结法加固设计及施工应用技术。

关键词：冻结法 盾构 加固 进出洞 1 引言

在地铁盾构法施工中，盾构始发出洞及到达接收进洞施工风险大，且多造成了重大损失。尤其在昆明高富水的软弱地层中，盾构安全进出洞是工程成败的主要、关键技术。本文结合昆明地铁的工程实践，对人工地层冻结技术在盾构进出洞中的设计及应用进行探讨。 2 工程概况

昆明地铁5号线六标包括河～广～怡两个盾构区间。盾构施工采用2台盾构机从河尾村站先后始发，过广福路站后，二次始发到达怡心桥站。两区间左线共有4个端头，广福路站的始发接收端头地基采用‘水泥系+冻结法’的加固。 2.1 工程地质

洞门位置主要土层自上而下分述如下：

（2）2-2层泥炭质土：黑色，软塑，以黏性土为主，含有腐烂的朽木及有臭味，干强度及韧性较好；具高压缩性、孔隙比大、含水率高等特征；各钻孔均揭露该层，呈层状分布，层厚1.20~5.60m，平均厚度3.43m；层面埋深3.80~11.90m；层面标高1876.26~1884.18m；承载力特征值fak=40kPa，岩土施工工程等级为Ⅰ级。

（2）5-3层粉砂：灰褐色，饱和，中密，成分以石英，长石为主，微胶结，级配一般，具中等压缩性；有2个钻孔揭露该层，呈透镜状分布，层厚2.00~2.40m，平均厚度2.20m；层面埋深10.20~11.80m，层面标高1876.15~1877.16m；承载力特征值fak=100kPa，岩土施工工程等级为Ⅰ级。

（2）3-3层粉质黏土：褐灰色、灰绿色，可塑，主要成份以黏粒为主，粉粒次之，具中等压缩性；有7个钻孔揭露该层，呈透镜状分布，层厚1.00~3.10m，平均厚度2.00m；层面埋深8.70~13.50m，层面标高1874.45~1879.24m；承载力特征值fak=100kPa，岩土施工工程等级为Ⅱ级。

（2）4-3层粉土：灰褐色，潮湿，中密，土质较均匀，含少量粉砂粒，具中等压缩性土；各钻孔均揭露该层，呈层状分布，层厚1.00~12.50m，平均厚度4.94m；层面埋深

7.10~15.00m，标高1872.95~1881.08m，承载力特征值fak=120kPa，岩土施工工程等级为Ⅱ级。 （3）2-3层粉质黏土：褐灰色、灰绿色，可塑，主要成份以黏粒为主，粉粒次之，具中等压缩性；各钻孔均揭露该层，呈层状分布，层厚1.10~21.50m，平均厚度7.86m；层面埋深11.50~27.60m，标高1859.74~1876.24m；承载力特征值fak=110kPa，岩土施工工程等级为Ⅱ级。

2.2 水文地质

1）地表水分布

本工程场地附近地表径流主要有位于车站右侧的船房河，距离车站约280m，船房河底标高1886.20m。根据现场踏勘了解，这条地表水流主要为排放城市生活及生产处理 后的废水、雨水等的排水沟渠。 2）地下水类型

上层滞水：赋存于结构松散的人工填土层中，含水量小，水位较浅，其动态受季节控制，主要接受大气降水渗入补给，对拟建工程影响小。

孔隙潜水：主要赋存于第四系冲湖积层的粉质黏土、粉土、粉砂等含水层中。场地内粉土、粉砂为主要含水层，层间水力联系较弱，透水性一般，主要接受大气降水补给，总体富 水性中等。

承压水：主要赋存于第四系冲湖积层的（2）4-3层粉土、（2）5-3层粉砂，场地内各含水层层间水力联系较弱，透水性一般，受当地气象因素的影响不显著，水位升降决定于水压传递，总体富水性中等。根据Jz-Ⅲ16-广福3钻孔附件抽水试验孔量测，（2）4-3层粉土中的承压水：静止水位2.00m、水头标高1885.95m。 3 冻结加固原理及方式 3.1 加固原理

人工地层冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，把天然岩土变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系，以便在冻结壁的保护下进行地下工程施工的特殊施工技术。其实质是利用人工制冷临时改变岩土性质以固结地层。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，根据工程需要冻结土体或采取强制解冻技术使其融化。 3.2 应用方式及特点

工程冻结制冷通常利用物质汽化吸热或物质之间的热量交换来完成实现的。因此，按土层制冷方式分为冷媒剂热传递和汽化吸热两种。

冷媒剂冻结是通过冷媒剂循环吸收土体温度，再传递给制冷剂，制冷剂循环再传递给清水循环的过程。工程中主要采用盐水冷媒剂冻结，具有施工时间长、设备较多，但技术可靠、安全性高、相对环保、污染小、噪音小的特点，工程中应用广泛。

直接汽化冻结是液态制冷剂通过管路直接输送至土体后，吸热汽化再排除气体的过程。工程上一般采用液氮作为制冷剂，具有设备简单、冻结速度快，属于深冷冻结，但造价较高、易泄露不易发现，存在氮气窒息安全风险，主要适应于局部特殊处理、快速抢险和抢工程进度的快速施工。

3.3 土层冻结形成过程

土层中水冻结过程分为5个过程。

1）冷却期：冻结管向土体供冷初期，水土温度逐渐降温至冰点；2）过冷期：由于地下水有一定流动性，自由水尚不结冰，温度降至冰点以下，出现过冷现象；3）突变期：持续冷冻降温，自由水过冷后结晶立即释放出过冷的潜热，出现升温现象；4）冻结期：突变期后温度升至接近冰点温度下来，土中水结冰，矿物颗粒胶结形成冻土；5）发展期：冻土继续降温，强度逐步增大。

4 冻结加固设计

根据本工程盾构区间端头实际情况，采用常规盐水冷媒剂冻结加固端头土体。端头地基冻结加固基于以下方面考虑冻结方案及进行冻结设计。 4.1 勘察资料

1）地面环境及地下管线资料

主要明确拟加固端头地面建（构）筑物及交通影响、地下管线的特殊保护要求，确定采用地面冻结（垂直冻结），还是地下冻结（水平冻结），或者二者结合的方式。 2）研究地质勘查图及地层组成，确定加固区域各层的厚度、相对隧道结构标高。 3）确定含水层，尤其承压含水层埋深、厚度、渗透性等，确定地下水水位、地下水流速及流向、地下水含盐量。地下水流速超过5m/d、地下水水位波动≥2m/d时，均须根据实际情况，采用化学注浆或板桩法阻止地下水流或降低流速。当地下水含盐（与海水相通、盐水污染或含盐矿物）时，须试验确定土层结冰温度。

地下水流速度主要通过钻孔抽水试验测定，并按下式估算： U=k×h/L=k×i

Umax=k×imax（√k）/15 式中：u—地下水流速（m/d）； L—产生最大水头的水平距离（m）； h—水压头（m）；

k—渗透系数，i=1时等于通过岩土层的流速（m/d）； i—水力坡度。

4）土层物理力学特性指标。主要包括土层密度、含水量、塑性指标、颗粒组成、内摩擦角和粘结力、膨胀量和承载力。含水量＜10%时，影响正常冻结。

5）地区气象、气候资料，地下热源分布情况。考虑气温及地下热源对冻结降温的影响。 6）勘察冻结施工附近200m区域内的地下工程施工。主要查明地下工程降水情况、结构渗漏水情况对冻结施工的不利影响。 4.2 冻结施工方式及目的 1）冻结施工方式

盾构区间端头冻结施工主要有地面垂直冻结、洞门水平冻结和二者相结合三种方式。三种方式中，地面垂直冻结安全性最高，且与洞门破除、盾构进出洞等地下施工无干扰，但需占用地面位置；水平冻结方式优缺点与垂直冻结相反。 本工程中各端头根据地面条件采用了洞门水平冻结方式。 2）冻结加固目的

根据端头地质及加固设计情况，冻结加固功能分为仅止水无承载要求、仅承载无止水要求和既承载又止水三种。

本工程中端头已进行了水泥系加固。冻结加固为辅助冻结加固，主要目的是隔水，与水泥系加固共同承载水土压力。因此，其冻结壁厚度及范围可小于计算值。 4.3 冻结壁设计

1）人工冻土物理力学性能

人工冻土温度在-5～-20℃范围内时，冻土物理力学指标与负温绝对值多呈线性关系。物理特性指标通过试验确定，试验方法应执行《人工冻土物理力学性能试验标准》（MT/T593）有关规定。当该地区有相关试验资料时，可根据资料对各力学指标的线性回归分析方程确定。 冻结体强度主要受冻土温度、土层颗粒组成、孔隙率、含水量影响。冻土强度主要考虑其瞬时强度（接近极限强度）和长期强度（发生蠕变破坏的最小应力）。瞬时强度约为长期强度的2～2.5倍；瞬时抗剪强度约为长期强度的1.8～2.5倍；瞬时抗拉强度约为长期强度的12～16倍[1]。

（1）单轴瞬时抗压强度 σc=h0+h1∣θ∣

σc——人工冻土瞬时单轴抗压强度（Mpa）； h0——试验常数：由试验确定；

h1——试验温度系数（Mpa/℃）：由试验确定； θ——冻土温度（-5～-20℃）（℃）。

无试验值时：粘性土：h0=1.1～2.2，h1=0.2～0.38； 砂性土：h0=5.0～8.0，h1=0.3～0.45 （2）单轴抗拉强度

试验计算公式：σt=2P/（π?D?l） P——试件拉断荷载（kN）； D——土样直径（mm）； l——土样长度（mm）。 （3）抗剪强度（库伦公式） τ=C+σ?tan（φ）

τ——瞬时抗剪强度（MPa）； C——冻土粘结力（MPa）； σ——正应力（MPa）；

φ——冻土内摩擦角（＞原状土）（°）。

C=C1+C2?∣θ∣。 （4）泊松比

泊松比即冻土横向应变值（ε2）与纵向应变值（ε1）的比值。泊松比随温度降低而线性降低[2]，但影响较小。

线性回归方程：μ=μ0-k∣θ∣

μ0——试验常数（可取地勘报告泊松比值）； k——温度系数。

2）昆明地区典型饱和软土物理力学指标

昆明地区地铁工程多涉及典型的饱和软土地层，工程中冻结法应用广泛。通过对各方试验数据的相互对比及本标段冻结法施工的实际应用比较，数据均接近，总结可供工程冻结设计参考应用的典型地层各物理力学指标的回归方程[2][3][4]。 （1）单轴瞬时抗压强度

淤泥质粉质粘土：σc=0.28?∣θ∣+0.7133 粉质粘土：σc=0.29?∣θ∣+0.8667 粉砂：σc=0.527?∣θ∣+2.45 （2）单轴抗拉强度 粘土：σt =0.05?∣θ∣+0.648 砂土：σt =0.03?∣θ∣+0.371 （3）抗剪强度

τ=0.14+0.12?∣θ∣+σ?tan（φ） （4）泊松比

淤泥质粉质粘土：μ=μ0-0.009∣θ∣ 粘土、粉土、粉砂：μ=μ0-0.007∣θ∣

昆明地区砂性粘土及砂土地层地铁施工中大量采用的冻结加固设计温度一般为-10℃，设计抗压强度常取3.4～3.6Mpa、弯曲强度常取1.8～2.0Mpa、抗剪强度常取1.5Mpa。 3）冻结壁厚度设计 （1）设计计算模型

冻结壁厚度一般根据薄板弯曲理论计算其强度及端头抗滑稳定性分析，确定冻结壁厚度。

4.4 冻结孔布置及冻结壁交圈时间

高富水软弱地层中，盾构施工应连续，避免较长时间的停机。因此，采用冻结法加固端头地基时，须确保满足盾构进出洞施工工期要求。

首先，应根据地质、水文情况及冻结设备能力确定冻结壁扩展速度：v（cm/d）；再根据规范及工期要求确定单孔冻结扩展半径、冻结孔间距及冻结壁交圈时间。 1）单孔冻结扩展半径r r=T×v

T——设计冻结壁交圈时间

v——冻结壁扩展速度（cm/d），一般盐水冻结砂土取1.7～2.2cm/d，粘土取1.4～1.65cm/d。

沉积层厚度在100m内，盐水冻结冻结壁交圈时间一般在40～55d。可根据工期要求，

初步设定积极冻结时间，确定单孔冻结扩展控制半径，然后根据扩展半径进行冻结孔的布置。 2）单排（环）冻结孔成孔控制间距Lmax Lmax=?r-Q

Q——冻结孔允许最大偏斜； H——冻结管打入长度。

R1=（2r2+2r（r2-0.25L12）1/2）1/2 R2=（R12 -0.25 L12）1/2+（r2-0.25L12）1/2+r R3=（R22 -0.25 L22）1/2+（r2-0.25L22）1/2+r 4）冻结壁交圈时间T

根据布置的冻结孔中单孔最大冻结扩展半径rm，计算冻结壁交圈时间：T=rm/v 5 冻结加固设计

根据《旁通道冻结法技术规程》，端头冻结加固采用盐水冷媒剂冻结方式，选用制冷剂R22，冷冻循环盐水比重为1.260～1.265，设计最低盐水温度-28℃～-30℃，冻结单孔盐水流量5m3/h，冻结管外径89mm。 5.1 设计冻结壁参数

设冻结壁平均温度为-10℃，冻土抗压强度σc=3.5MPa，抗弯曲强度σb=1.8MPa，抗剪强度τ=1.5MPa。洞口采取板状冻结方式加固。冻结加固体在盾构始发和接收破壁时，和水泥系加固体共同起到抵御水土压力。洞门中心水土压力P=0.25MPa。 5.2 冻结壁结构尺寸设计 1）壁厚计算

（1）日本规范计算公式，加固厚度为：

t=[2×1.2×0.25×6.72/（4×2）]1/2=1.83m （2）静力学理论弯曲验算壁厚

冻土泊松比μ=0.35，洞门中心最大弯曲应力 σmax=3（3+0.35）×0.25×6.72/（32×1.832） =1.05MPa＜σb/1.5=1.33MPa （3）静力学理论剪切验算壁厚 τmax=0.25×6.7/（4×1.83） τmax =0.23MPa＜τ/1.5=1.06MPa （4）滑移失稳验算验算壁厚

滑动力矩：M=（250/2+18.65×15.84/2+18.65×6.7/3）×6.72kN=14111.6kN 抗滑力矩：Mk=240×6.72（π/2-θ）+18.65×33.3×6.7+1340×θ×6.72

c——土层粘结力：隧道上部为水泥土弱加固区，视为原状土；隧道范围水泥土粘结力，按281.3fcu0.7078估算（kPa）； 端头土体平衡条件：k?M=Mk 安全系数k取1.5，得：θ=0.001687 t=D?sinθ=6.7×sin（0.001687）=0.012m

计算显示三轴搅拌桩水泥系加固即可满足抗滑要求。本区间端头冻结壁厚设计为2.5m。 5.3 冻结孔布置

根据本区间盾构施工进度计划安排，保证端头积极冻结时间不小于45d，砂质粘土v取18mm/d。

1）单孔冻结扩展半径r=45×18=810mm 2）冻结成孔控制间距Lmax Lmax=×810-150=1252mm

参照相关技术规范、规程，Lmax取1100mm。 3）排距（环径）控制间距 水平冻结控制环径：

R1=（2×0.812+2×0.81（0.812-0.25×1.12）1/2）1/2=1.5m R2=（1.52 -0.25×1.12）1/2+ （0.812-0.25×1.12）1/2+0.81=2.8m R3=（2.82 -0.25×1.12）1/2+

（0.812-0.25×1.12）1/2+0.81=4.1m 环径控制间距： △R1-0=1.5m

△R2-1=2.8m-1.5m=1.3m △R3-2=4.1m-2.8m=1.3m 5）水平冻结冻结孔布置

根据洞门尺寸及控制间距均匀布置。△R1-0取1.3m，△R2-1取1.3m，△R3-2取1.3m。最外圈环向间距≤0.8×1.1m=0.88m，均匀布置32个孔，间距为0.765m。详见“图5”。

6.2 施工准备

选择合适的冻结站安装场地。清理场地，并接入临电、临水。打钻期间施工用水量不大于1m3/h，积极冻结期冷却水（冷却塔2台）补给约10m3/d，冻结钻孔和冻结站安装期用电量约为127kw，积极冻结时最大用电量约为500kw；拔管用电量约为30kw。 6.3 冻结钻孔施工

水平冻结管选用的φ89×8mm低碳无缝钢管，采用内节箍对焊连接。供液管用φ48×4mm钢管，冻结器羊角均用1.5\"钢管加工。 1）结构开孔

采用水平冻结时，须首先在围护结构上、主体结构墙上（外圈）开孔；垂直冻结须进行地面开孔。

为防止水土流失，水平冻结冻结孔采用水钻二次开孔，在第一次开孔后退出水钻，安装孔口管、大球阀及密封装置，再进行二次开孔钻透结构。

按冻结孔施工方位要求调整好钻机位置，并固定好，将钻头装入孔口装置内，并将盘根轻压在盘根盒内，首先采用干式钻进，当钻进费劲不进尺时，从钻机上进行注水钻进，同时打开小阀门，观察出水、出砂情况，利用阀门的开关控制出浆量，保证地面安全，不出现沉降。

根据地质情况，软塑粘土、粉土及稍密粉细砂层可采用夯（顶）管机，硬可塑粘土、中密粉细砂、砂卵石地层采用钻机钻进。不透水层钻进时可采用清水钻进，透水地层宜采用泥浆钻进。

冻结管钻进完成后须进行打压测试。冻结孔试漏压力控制在0.8～1.0MPa，稳定30分钟压力无变化或前30分钟压降<0.05MPa，后15分钟不降为试压合格。

3）冻结器安装

冷冻孔质量检查合格后，即可下供液管与φ89冷冻管之间采用月牙板封水，并焊接去、回路羊角。供液管底端连接支架，避免供液管底部直接接触冻结管。冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与孔口管之间的间隙，然后拆卸孔口密封装置。

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

6.4 冻结制冷系统安装

冻结站安装包括氟系统、盐水系统及冷却水系统安装，主要设备包括配电柜、冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及清水池等。设备安装按设备使用说明书的要求进行。冷冻站位置选择在靠近端头的车站地面或已完成车站结构内，要求通风排热良好，确保冷却水循环系统出水温度低于制冷剂循环系统冷凝温度3～5℃。必要时安装通风机强制通风。 盐水循环系统采用配、集液圈集中回液的封闭式系统。冷冻站盐水经去路盐水干管、通过配液圈并联分配分组至冻结器、各组内冻结器间串联至集液圈，再经回路盐水干管至冷冻站盐水箱。配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制盐水流量。每组串联冻结器长度基本一致，以保证均匀供液。

3）冻结壁交圈监测分析 （1）冻结圆柱半径

根据测温监测计算冻结圆柱半径r2

2）拔管施工

水平冻结管利用48#大牙钳转动冻结管，用2吨手拉葫芦拔出冻结管（连同孔口管一起拔除）。手拉葫芦固定在搭设的脚手架上，冻结管范围内的脚手架须特殊加固使其与槽壁紧密连接便于力的传递。上述方法不能拔出时，采用两个32吨千斤顶架设在槽壁上，水平向外顶推冻结管。

图13：手动葫芦拔管图 6.7 融沉处理

为减少融沉量，解冻后进行跟踪注浆，减小冻结对周围环境的影响。

（1）利用盾构隧道管片上的预留注浆孔作为地层融沉注浆孔，从洞口开始至冻结影响范围内。注浆先下部后上部，间隔1~2环管片注浆。

（2）注浆材料：水泥单液浆或水泥—水玻璃双液浆。以水泥单液浆为主。水泥－水玻璃双液浆比为：水泥浆与水玻璃溶液体积比为1：1。水泥浆水灰比为1：0.8。注浆压力为0.4~0.5MPa。

（3）单孔一次注浆量为0.5m3，最大不超过1m3。根据地面变形监测情况做适当调整。地面沉降＞0.5mm/d，或累计沉降＞3mm时应进行融沉补偿注浆；地层隆起达到3mm时应暂停注浆。以少量多次为原则，按融化冻土体积15%控制注浆量；注浆范围为整个冻结区域。 6.8 注意事项

1）盾构穿越冻土段时，须保持连续掘进施工，防止冻结刀盘或盾体。盾构机内应配置解冻设备，刀盘前方宜注入盐水。

2）盾构进出洞施工，应合理组织各工序的衔接，洞圈内冻结孔拔除后， 能最快完成进、出洞施工。

3）盾构采用钢套筒接收时，洞门水平冻结最外圈冻结管位置应避免与钢套筒冲突。钢套筒施工时须加强对冻结管的保护。

4）在水平冻结孔开孔前，通过在洞门打小口径探孔探明盾构端头地层情况，是否喷水、涌泥砂，判断钻孔施工风险。如严重涌砂冒水，先进行水泥－水玻璃双液壁后注浆后再施工冻结孔。

5）水平冻结孔分二次开孔，来控制施工风险。一次开孔，要留不小于200mm厚结构不穿透。第二次开孔穿透在孔口管密封装置的保护下进行。

6）确保冻结管质量及焊接质量，防止拔出施工被拔断，影响盾构进出洞。

7）冻结管未拔出前，不得在洞门端头注入水泥浆或双液浆，防止冻结管被浆液裹住。 8）做好冻结施工应急方案。冻结施工应配置应急发电机、备用冻结站设备及材料，防止停电或设备故障造成长时间停机。 参考文献

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