水平冻结洞门加固工程断管的探讨及研究.docx

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水平冻结洞门加固工程断管的探讨及研究

水平冻结洞门加固工程断管的探讨及研究

（李懂懂）

盾构法施工已成为地铁隧道不可缺少的一部分，盾构法由于具有在施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动，掘进速度快，施工劳动强度低等特点而在地铁项目施工得到广泛应用。

由于地质条件的复杂性，在采用盾构法施工的过程中，一般都要对洞口周围土体进行加固。

地层冻结法加固技术可靠并且对施工的条件要求较宽，国际工程界认为，在难以应用其他地层加固方法时，它是最终的解决方案。

但在采用冷冻加固的同时通常会出现一些技术性问题，针对出现的一些问题我们来进行探讨与研究。

某地铁工程盾构机接收采用水平冷冻法加固，实施过程中出现冻结过程中冷冻管断裂，后期接收拔管不顺利，最后采取钻机套取冷冻管的方法。

虽然最终接收顺利完成，但实施过程中风险较大，出水出砂较多。

以下对事故原因进行分析，提出一些技术措施，避免以后发生同样事故。

一、工程概况及设计方案

1.地质情况

某车站南北两侧的端头井处地层自上而下分别为：

杂填土

1层、砂质粉土

32层、粘质粉土

33层、粘质粉土

34层、粉质粘土

22层、砂质粉土

36层、粉砂

51c层和细砂

52层。

其中加固区范围内地层为全断面细砂

52层。

第

（2）52层：

细砂，褐黄、黄色，饱和，中密~密实，颗粒成分由石英、长石、云母片等组成，含少量粒径约5mm的小姜石。

本层层厚1.60~12.70m，平均层厚6.46m，层底埋深23.80~36.30m，平均层底埋深29.94m，层底高程52.19~62.46m，平均层底标高58.15m。

2.地下水情况

根据区间地质勘察报告显示，某车站北端头井地下水位在地面以下18.1米，南端头井地下水位在地面以下17米，两个加固端头井加固区均在地下水位以下。

3.设计方案

本工程采用水平全深冻结方案：

即在工作井内的洞圈内外侧布置三圈水平冻结孔，见下图，平均温度为-10℃，冻土平均发展速度按0.026m/d计算。

图3.2-2钻孔孔口密封装置图

序号

圏径（mm）

孔数（个）

孔间距（mm）

孔深（m）

进入土体（m）

W1-W32圏

8000

32

784

14.1

Z1-Z15圏

5600

15

1081

6.1

N1-N9圈

2700

8

1034

5.0

N0

1

1352

4.5

合计

56

二、施工中出现的问题

在冷冻机开机20天左右开始陆续出现冷冻管漏液现象，内圈24个冷冻管，80%出现漏液，采取内圈停机，下套管继续冷冻。

盾构机接近冻结区后开始进行内圈冻结管化冻拔出作业，用70-80度热盐水通入冻结管2小时后，使用倒链拔出，结果冻结管被拔断，断口位于两根冻结管丝扣连接处母丝底部（见图），其余冻结管试拔，也出现同样事故，因地下连续墙和墙外维护桩均已破除，冷冻面暴露，最后调用钻机进行套管钻进将内圈冷冻管分别套出，拔管作业持续9天，造成较大隐患，在盾构机出洞过程中，进行了大量注浆作业，仍然有大量水和砂进入车站。

虽然接收作业成功，但面临了较大的事故隐患。

通过取出的冻结管可以看出断管位于冻结管连接处公丝和母丝连接内管壁处，是最薄弱处。

（外管壁处由于进行了焊接，相当于补强）。

三、原因分析

1.事故表象是冷冻效果不理想，接收时漏水漏砂，无谓的增加了大量的注浆工作，特别是聚氨酯等高价注浆材料用量过大，增加了工程成本。

2.直接原因是拔除冷冻管时断裂，无法将整条冷冻管顺利拔除，采取措施不坚决，造成冷冻体暴露时间过久，冷冻体有化冻现象。

但我认为根源是在积极冻结期间的漏液事故实际上是冷冻管已经断裂。

事故发生的链条如下：

冷冻管断裂漏液、套管冷冻、冷冻管拔出时断管、钻机套管钻进取出、冷冻体暴露时间过长、漏水漏砂。

3.因此本次事故的根源是冻结期间冷冻管已经断裂。

四、冻结管冷冻期间断裂原因分析

冷冻管冻结期间断裂在工程实践中时有发生，个别管的断裂一般是材质、加工缺陷、焊接缺陷等。

但此次断管呈现规律性，内圈近乎全断，外圈仅断2根，因此可以排除材质、加工、焊接等。

主要考虑地质和钻孔施工方式的原因。

事故分析过程中有提出是止水帷幕下沉造成剪切断管，但经分析，如果是帷幕下沉，断管应该是外圈上部先断裂，中部内圈外圈应都断裂，不会形成外圈不断内圈断的现象。

经过对本项目地质资料和连续墙结构资料以及钻孔记录的仔细分析，结果形成以下图纸：

钻孔依次穿过地下连续墙、维护桩、砂层、止水帷幕、砂层。

从拔出来的冻结管前端钻头可以看出，钻头直接小于冻结杆外径，另外根据钻孔记录和钻孔作业工人描述，止水帷幕极为致密。

因此钻杆是挤过止水帷幕层的，钻杆与止水帷幕间间距极小。

根据冻结记录，冷冻机开启后，当天盐水温度已降至零度以下，断管发生于开机后20天左右，根据冻结发展速度绘图如下：

可以看出，在积极冷冻的第16天外圈孔已经交圈，内圈还在发展中。

到第20至21天，中间未冻结区域被分成独立的3块。

结合以上因素，对断管判断如下：

断管是因为地下连续墙、止水帷幕和外圈冻结孔交圈，从而在其中部形成了封闭区域，此区域中所含地下水由于冻结的继续发展，水压持续升高，形成内在应力，横向推动止水帷幕，由于冻结管是挤入止水帷幕，且在止水帷幕外的冻结管上已形成的圆柱状冻结体，与冻结管形成了螺杆和螺母状态，锁死了冻结管应力释放范围，使处于连续墙和止水帷幕间的冻结管处于受拉状态，且低温也造成冻结管有收缩应力，在这两种力量的作用下，越靠内侧的冻结管受力越大，超出了冻结管连接处最薄弱处的抗拉能力，因此被拉断。

外圈冻结管由于受力状况好于内圈管，且随着冻结的发展，中间夹层的自由水减少，横向拉力达到最大后逐步减少，因此外圈冻结管未产生普遍断管现象。

对以上判断的计算验证

1.计算冻结管薄弱处的抗拉强度：

冻结管选用的是8163-20号无缝钢管，查手册可知，抗拉强度410-550Mpa,屈服强度≥245MPA伸长率20%，Ф108*8管，车螺纹后薄弱处壁厚4mm，其抗拉强度计算

S=∏（R²-r²）=3.14*（5.4²-5.0²）=13.06cm²

最小拉断拉力Q=410*13.06*10=53546kg=53.55T

2.封闭空间内水压力的增长：

当外圈交圈后，封闭空间内体积不断减少，为冻结区域中水压力持续增大，当沙土骨架中间隙被水彻底充满后，达到饱和状态，未冻结部分体积缩小会导致水压力持续上升，在冻结工程施工中，封闭的冻结区域应当设置泄压孔，在压力超过0.3Mpa时，应当泄压。

因此没有泄压措施，封闭的未冻结区域压力会进一步增长。

3.各个冻结管受力计算

冻结在第15-16天外圈已经开始交圈，冻结管形成的冻结体半径按16*2.6=416cm，但内圈冻结管间距大没有交圈。

第18天时

未冻结区域面积

S=397904.88-（15+9）*6880.84=232764.72cm²

当压力达到0.3MPA时，横向拉力总计

Q=232764.72*0.3*10=698.29T

平均每根管受力为698.29/55=12.70T，

另外计算可知，当压力发展到1.26MPA时，冻结管就可以被拉断。

第20天时

内圈N1-N8孔围合空间减去N9孔冻结体面积，未冻结面积为17558.15cm²,0.3Mpa时，Q=17558.15*0.3*10=52674.45kg=52.67T,该横向拉力由N1-N9承担，每一个冻结管承担52.67/9=5.85T。

另外第20天外圈和N1内圈间面积为290534.26cm²，减去15个Z孔冻结面积15*8494.87=127423.05面积为163111.21cm²

Q=163111.21*0.3*10=489333.63kg=489.33T该拉力由W、Z和N1-N8，共32+15+8=55根冻结管承担，平均489.33/55=8.90T

对于N1-N8冻结管来说，承担两面的拉力5.85+8.90=14.75T

通过计算，如果在压力达到0.3MPA时不采取泄压措施，当压力进一步升高到1.09MPA时，N1-N8管承受的拉力将大于管子的抗拉强度，将被拉断。

当N1-N8管拉断后，应力将重新分布，N9管独自承担中部52.67吨拉力附加原来由N1-N8承担的Z-N的拉力8.90*8=71.2T拉力，也将被拉断。

随着中间9根冻结管退出受力，由Z1-Z15承受拉力，在压力为0.44MPA时也将拉断。

（0.3MPA时（489.33+52.67）/15=36.13T，0.44MPA时，拉力为53.55T）

当N和Z冻结管拉断后，全部力量由外圈W冻结管承受，（489.33+52.67）/32=16.94T,其临界值为22.31/16.94*0.3=0.94MPA。

如果压力超过0.94MPA，W管也可能断裂。

当N和Z冻结管拉断后，受力模型可以看做是四周固定的圆板，在中部冻结管拉断的过程中，圆板中部会有微量的向外蠕变，起到了延缓压力增长的作用，同时随着冷冻管的断裂，使地层水和冷冻液联通交换，客观上起到了泄压的作用，同时随着冻结壁的继续扩大，未冻结区域减少，总体横向拉力达到最大值后开始减小,因此外圈孔不会全部断裂。

4.通过计算可以验证，当封闭的未冻结区域压力达到1.09MPA时，会发生冷冻管在薄弱处拉断的事故。

五、结论：

事故发生是多方面原因造成的，主要有：

1.总承包方提供的地质资料不够完整，没有关于止水帷幕的描述。

2.钻孔施工过程中发现了止水帷幕，但没有引起重视，没有采取应对措施。

3.钻孔作业中，钻头直径小于钻杆直径，造成钻杆卡死于止水帷幕中，造成钻杆所受各种应力无法逐步释放。

同时钻杆卡死，也对后期拔管造成困难。

4.冻结管普遍漏液后，应当采取清水冲洗稀释措施，大量氯化钙盐水存在于封闭的砂土层中，造成冷冻效果下降。

5.在拔管作业中，仅2-3小时的化冻时间是不够的，一方面是因为冷冻管中下套管，从套管中化冻，传递到地层需要时间更长。

6.在知道内圈冷冻管普遍断管后，应采取备用措施拔管，不应在连续墙和维护桩破除后再慢慢分析、论证。

应及时封闭冻土暴露面，并调用多台钻机进行套管拔除。

六、为避免事故发生可以采取的措施

为了保证其余洞口的接受和始发作业顺利，避免同类事故的再次发生，在剩余几个洞口加固中应当采取以下措施：

1.控制冷冻管长度，将连接处留到止水帷幕外侧1m以外，避开应力集中区。

2.钻头直径大于钻杆1cm,使钻杆在止水帷幕中能有一定自由活动空间，有利于应力释放，也有利于后期拔管作业。

3.控制内外圈交圈时间，使内圈冻结交圈略早于外圈，减少应力集中。

4.在内圈合适位置打三个泄压孔，有压力升高现象，则打开泄压阀门泄压。

5.拔管作业合理控制化冻时间，并准备管钳等设备，先行转动冻结管，再拔除。

6.做好应急准备措施，如无法拔除，及时用套管钻机套出冷冻管。

7.储备物资（包括保温板、钢丝网等）如拔除时间过长，一方面应保障未拔除冷冻管继续进行维护冻结，另一方面应将暴露的冷冻土体及时铺设保温材料，避免土体融化坍塌。