水平注浆结合冷冻法在端头地层加固中的应用.docx
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水平注浆结合冷冻法在端头地层加固中的应用
水平注浆结合冷冻法在端头地层加固中的应用
1、工程概况
地铁3号线河口站～玉湖站盾构区间起于河口快速路隧道下方的河口站，止于东方道的玉湖站，西～南区间采用两台盾构先后从玉湖站左、右线始发，河口站接收。
区间内初见水位埋深2.00～2.50m（标高1.17～0.30m）；静止水位埋深1.30～1.70m（标高1.97～0.90m）。
表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。
沼泽相沉积层粉质粘及下组陆相冲积层粉质粘土属不透水～微透水层，可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层。
第五组陆相冲积层粉土、粉砂透水性好，为承压含水层。
第四组滨海潮汐带沉积层粉质粘土及第三组陆相冲积层粉质粘土透水性较差，可视为承压含水层隔水底板。
根据本场地抽水试验结果，该承压水水头大沽标高约为-0.207m。
河口站主体结构已完工、地面已恢复交通，端头加固区域位于河口站高架桥头与下沉隧道相接处，日常交通繁忙，不具备加固条件。
图2-02河口站接收盾构井现状
图2-03河口站接收端头地面位置图
图2-04河口站接收端头位置图
1.1河口站接收端头地质情况
河口站接收端头位于河口下沉隧道正下方，隧道顶覆土厚度约12.5m，主要地层为⑦粉质粘土层、⑧1粉质粘土层、⑧2-1粉土层、⑧2-2粉砂层、⑨1粉质粘土层。
地层承载力较均匀，但⑧2-1粉土层和⑧2-2粉砂层含水量大且具有微承压性，存在突发性的涌水、涌泥风险，易引起开挖面失稳和地面沉降。
1.2加固方案的选择
该工程盾构接收端土体承压水水头和渗透性较大，地下水具一定的流动性，再考虑地连墙施工质量等因素，单独采用冻结法加固也不适宜。
综合分析后，决定采用冻结法和水平注浆相组合的加固方法。
加固长度按照盾构机长度加2.4m计算，水平注浆加固长度为11m（地连墙外侧），注浆加固范围为盾构隧道范围及周边4m。
水平冻结情况：
水平冻结外圈纵加固长度9m，内层强冷冻加固体纵向加固长度为3.5m；盾构机外围冻结厚度1.25m（即冻结直径为9.2m）。
明洞尺寸（净空）为：
长11.5m，宽9.25m，高7.66m（站台层接收井部位净高），侧墙厚800mm、顶板厚600mm（现有中板），采用C30混凝土浇筑箱体。
由于车站结构已施工完成，明洞需进行植筋。
2、施工方法
2.1水平注浆施工
水平注浆采用全断面分层注浆，纵向加固长度为11米，径向加固范围隧道开挖工作面及开挖轮廓线以外4米。
图1全断面分层注浆图
2.1.1注浆参数
注浆参数包括注浆压力、扩散半径、加固范围、注浆工艺、注浆速度、注浆注入量等，见表1。
表1注浆主要参数
注浆参数
取值范围
注浆压力
2.0～2.2bar
浆液扩散半径
设计为0.8m，可根据实际地质情况进行调整。
注浆加固范围
径向设计为开挖轮廓线外4m，纵向为11m。
注浆工艺
前进式分层注浆（地质条件较差）；
钻杆后退式分层注浆（成孔条件好）。
注浆速度
110L/min。
浆液注入量
根据实际情况进行调整，达到注浆压力的1.5～2倍，即可封孔停止注浆。
2.1.2注浆材料
注浆材料为水泥—水玻璃双液浆，水泥为普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度为35Be，模数2.4～2.8，浆液配比参数如下表。
表2浆液配比参数表
名称
浆液配比
W:
C（水灰比）
C:
S（体积比）
普通水泥-水玻璃双液浆
（0.8～1）:
1
1:
（1～0.5）
2.1.3注浆顺序
注浆采取从上往下，间隔跳孔，先外圈，后内圈的顺序进行。
2.1.4注浆工艺
①首先利用取芯钻机对衬砌结构（800mm）和地连墙结构（1000mm）进行取芯，本次取芯厚度1700mm，预留外侧钢筋及保护层厚度100mm；②再安装孔口密封装置；③利用钻机钻取剩余100mm部分地连墙混凝土；④再用钻机进行正常钻进，钻机钻孔深度达到要求后，开始进行注浆，边注浆边后退钻杆，注浆压力控制值为2.0～2.2bar。
钻孔注浆时，为了避免泥砂的大量流失引起地表沉降，钻孔退钻后，应快速将注浆管接到孔口管上，尽快组织注浆作业，施工中可根据地质情况进行适当调整以保证注浆效果提高作业效率。
2.2冻结加固施工
2.2.1冻结孔布置
水平冻结最外圈加固长度9m，内层强冷冻加固体厚度3.5m，盾构机洞门圈外围冻结厚度1.25m（即冻结直径为9.2m）。
水平冻结孔分三圈布置，见图2。
表3冻结孔布置参数表（单洞）
序号
参数名称
单位
数值
备注
外圈
中圈
内圈
中心
1
冻结孔布置圈径
m
Φ7.8
φ5.2
φ2.6
—
2
冻结孔有效深度
m
11
5.5
5.5
5.5
3
冻结孔个数
个
34
16
8
1
4
冻结孔开孔间距
m
0.766
1.021
1.020
—
5
冻结孔总长度
m
511.5
6
冻结孔总数
个
59
图2冻结孔布置图
盾构接收端冻结图
2.2.2测温孔布置
共布置5个测温孔，C1、C2深度为5.5m（入土深度为3.5m），C3、C4、C5深度为11m，入土深度为9m，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。
测温孔管材选用Φ48×8mm低碳无缝钢管。
2.2.3钻孔施工
（1）冻结管、测温管和供液管规格
冻结管选用ф89×8mm，20低碳钢无缝钢管,丝扣连接,另加手工电弧焊焊接。
本次冻结管为避免盾构推进区拔管出现断管现象，推进区内的冻结管由一整根6m成孔，外圈冻结管也采用6m一根冻结管连接，减少了施工的焊缝，避免了由冻结管焊缝多引起的拔管断管问题，增加了盾构进洞的安全性。
内圈测温管采用ф32×3mm低碳无缝钢管。
供液管用ф48×3.5mm钢管，冻结器羊角均用1.5"钢管加工。
（2）钻孔设备选型
钻机选用MD-80型锚杆钻机,钻机扭矩2000N·M推力17KN,并配备BW-450/5型注浆泵。
（3）钻孔施工技术要求
冻结管、测温管管材采用20号优质碳素结构钢，其材料性能必须符合规范要求。
冻结孔开孔位置误差不得大于100mm，冻结孔开孔间距误差不得大于100mm，冻结孔最大偏斜值不得大于100mm（冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间的距离），外圈孔不宜内偏，且所有钻孔均应进行终孔测斜，并绘制钻孔偏斜图和各钻孔位置成孔图，据此确定是否补孔及补孔位置。
冻结管下放后应进行水压试验，试验压力为0.8MPa，经试压30min内压力下降不超过0.05MPa，再延续15min压力不变为合格。
冻结管下放长度不得小于设计深度，不大于设计深度50mm。
2.2.4冻结工艺
（1）冻结制冷设备选型与管路设计
左、右线冻结共用一个冻结站，单洞最大需冷量为5.28×104kcal/h，因此选择制冷设备如下：
1）选用螺杆机组两台套（一台套备用）及水泵两台套，机组设计工况制冷量为8.75×104Kcal/h，电机功率90-110KW。
2）每个洞圈盐水循环选用IS150-125～315水泵一台，流量100m3/h，电机功率30KW。
3）冷却清水循环选用IS150-125～315型水泵一台，流量100m3/h，电机功率30KW。
4）冷却塔选用KST-80型二台，电机功率4KW，补充新鲜水10m3/h。
5）设盐水箱一个，容积3m3。
6）设清水箱一个，容积8m3。
7）盐水管路和集配液圈均选用ф133×4.5mm钢管。
8）冷却水管用ф133×4.5mm无缝钢管。
9）在去、回路盐水管路上安装压力表、温度计和控制阀门。
10）在配液圈与冻结器之间安装阀门，以便控制冻结器盐水流量。
11）冻结器连接采用每6～8个串联一组方式，组组之间并联（附图7）。
12）其他
冷冻机油：
选用N46冷冻机油。
制冷剂：
选用氟利昂R22制冷剂。
冷媒剂：
选用氯化钙溶液（盐水）作为冷媒剂。
（2）冻结制冷站布置
根据现场施工环境，拟将冻结站安装在车站中板或地面上，冻结站建在远离加固洞圈位置，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。
冻结站布置具体以实际布置为准。
（3）设备安装、管路连接
1）所有设备及装置先在地板上画出位置，设备完全就位后，再用膨胀螺栓在设备四脚全部可靠固定。
2）盐水、清水管路用法兰盘连接，在盐水管路和冷却水循环管路上设置阀门和温度测点、压力表等测试组件。
3）集、配液圈与冻结器羊角的连接用耐压值为0.8MPa的高压橡胶管，每组冻结管的进出、口各装阀门一个，以便控制流量。
4）每6～8个冻结器串联为一组，每组串联回路设一个测温点。
5）盐水管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，保温厚度为30mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。
6）冷冻机组的蒸发器及低温管路用保温板或棉絮保温，盐水箱用50mm厚的保温板或棉絮保温。
（4）溶解氯化钙和机组充氟加油
先在盐水箱内注入约1/4体积的清水，然后开启盐水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。
机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。
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。
（5）冻结运转
设备安装完毕后进行调试和试运转。
在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。
在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土墙发展情况，必要时调整冻结系统运行参数。
冻结系统运转正常后进入积极冻结。
此阶段为冻结帷幕的形成阶段，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，设计冻结时间38天（实际以现场检测冻结壁厚度、强度达到设计要求为准），要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。
表主要冻结施工参数一览表（单洞）
序号
参数名称
单位
参数
备注
1
冻结孔深度
m
11（5.5）
外圈/中圈/内圈
2
冻结帷幕设计厚度
m
3.5
3
冻结帷幕平均温度
℃
≤-10
4
积极冻结时间
天
38
5
冻结孔（总）数
个
59
6
冻结孔（总）长度
m
511.5
7
冻结孔开孔间距
m
0.764/1.021/1.020
外圈/中圈/内圈
8
冻结孔偏斜
mm
≤100
9
设计最低盐水温度
℃
-28`~-30
冻结7天盐水温度
达到-20℃以下
10
单孔盐水流量
m3/h
5
11
冻结管规格
mm
φ89×8
20#低碳钢无缝钢管
12
测温孔总数
个
5
φ32×3mm无缝钢管
13
冻结需冷量
kcal/h
4.2×104
工况条件
14
冷冻机
台
2
两洞一站，一台备用
15
最大用电量
kw
460
16
用水量
m3/h
10
新鲜水补充
3、融沉注浆
3.1融沉注浆的原则
洞门冷冻的解冻采用自然解冻，盾构机进入明洞以后，零环同步注浆完成24小时后，停止冷冻，开始自然解冻，3天后根据监测信息（土体温度、沉降变换）积极组织注浆，控制融沉。
冻结期间需密切监测地面变形，当一天隆起0.5mm，可采取间歇式冻结和降低循环冷液流量以缓解冻胀压力。
融沉注浆应配合测温孔测温及隧道变形监测进行，利用盾构隧道管片上的预留注浆孔和钢环外冷冻杆孔（拆机拔完冷冻管）做为地层融沉注浆孔。
注浆顺序为：
隧道底板→隧道两侧→隧道顶板。
3.2融沉注浆的工艺
1）浅层注浆（二次注浆）
接收段管片拼装完成、盾构接收后，利用吊装孔进行单孔一次注浆量控制在约0.5m3。
注浆前，将待注浆的其相邻的注浆管阀门全部打开，注浆过程中，当相邻孔连续出浆时关闭邻孔阀门，定量压入惰性浆后即可停止本孔注浆，关闭阀门，然后接着对邻孔注浆。
遇到注浆管内窜浆固结而引起堵管时，需用加长冲击钻头钻通。
融沉注浆期间，地表构造物是测量监测的重点对象，根据地面变形监测结果情况，调整劳动组织，适时进行反复注浆，直至地面变形基本稳定。
2）深层注浆
深层注浆分两种情况：
1、浅层注浆完成后效果不佳，2、钢环外维持冷冻管拔出，利用冷冻管洞封堵。
在孔内插入直径为32mm的芯管作为注浆管，芯管分4节，每节1m长，丝扣连接。
注浆芯管前端部200mm为均匀花管。
注浆芯管下到设定的注浆深度后，开泵注5分钟，注浆量为40升，注浆管向上提200mm，再注浆40升，注浆管向上提200mm。
注浆管每提1m高，注浆量为200升，注浆压力不大于0.5MPa。
②单孔双液注浆结束后，用惰性浆液封孔，以便复用，做好施工记录，便于后期处理做为施工依据。
3.3注浆材料
融沉补偿注浆材料以单液水泥浆为主，水泥-水玻璃双液浆为辅，以少量、多次、均匀为原则，注浆压力不大于0.5MPa；浆液为单液浆，重量配比为：
水：
水泥＝1：
0.8～1；水泥-水玻璃双液浆配比为：
水泥和水玻璃的溶液体积比为1：
1，其中水泥浆水灰比为1：
1，水玻璃溶液采用B35～B40水玻璃加1～2倍体积的水稀释。
3.4融沉注浆的结束标准
1）当地层沉降大于0.5mm/d或累计沉降大于3mm时，应进行融沉补偿注浆；当地层隆起达到3mm时应暂停注浆。
2）当冻结壁全部融化，且在未注浆的情况下实时监测测地层沉降持续1个月每半个月不大于0.5mm，即可停止融沉补偿注浆。
4、结束语
本文结合地铁盾构接收的工程实例，证明了冷冻法配合水平注浆方式对端头地层加固的合理性，端头加固方法以及相应的施工工艺和质量保证措施为类似工程提供借鉴。
1盾构加固区内，由于地层经加固处理后地层强度、止水性、均匀性、整体稳定性都有改善，因此掘进时的沉降很小，一般在3mm以下。
2在砂性土层中盾构接收时，由于砂性土的自稳性差、流动性大、渗透系数较大，易发生流砂和涌水现象，加固区的长度必须大于盾构主机的长度。
3水平注浆可以很好地封堵地下水、固结地层和预防涌砂作用；冻结法形成杯状冻结体，固结地下砂层，冻结体的强度较高，也提高了周围软土的自稳能力。
4对于水平注浆导致路面抬升的问题，还需要进一步优化注浆压力和注浆量。
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