地铁隧道盾构出洞口液氮竖直冻结加固技术

 

摘要：上海轨道交通13号线世博园区专用交通联络线工程淡水路站—马当路站区间隧道下行线盾构出洞口采用液氮竖直冻结加固。介绍了液氮冻结壁及冻结孔的设计、液氮冻结施工流程、冻结效果和拔除冻结管的过程。

关键词：地铁隧道；盾构出洞土体加固；液氮冻结

 

1 工程概况

      上海轨道交通13号线世博园区专用交通联络线工程淡水路站—马当路站区间隧道下行线，盾构从马当路车站出发。马当路车站位于马当路与建国东路交叉口，地处市中心繁华地段；车站基坑开挖深度约为22 m，采用地下连续墙进行基坑围护。Ω6.34 m盾构在马当路端头井处出洞，洞门直径6.7 m，洞门中心标-14.083 m；端头井底板面标高-18.808 m，地面标高+3.2 m。

      盾构出洞洞门口已进行高压旋喷加固，加固区域为：盾构上边缘3.5 m；下外边缘3 m；左右外边缘3 m；出洞轴线方向加固宽度为6 m。由于马当路端头井盾构出洞范围下部位于微含承压水的⑤1-2层灰色粉质黏土中，为使盾构机安全始发，决定采用“单排孔液氮快速冻结”的竖直冻结法补充加固洞门区域的施工方案。出洞口的土层主要为④层灰色淤泥质黏土、⑤1-1层灰色黏土和⑤1-2层灰色粉质黏土。

2 单排孔液氮快速冻结方案

      在盾构出洞口周围土层中布置单排垂直冻结孔，对车站底板面标高以下3 m至隧道洞门圈以上3.5 m（共13.8 m）的范围进行冻结加固，在洞门外侧形成一道与工作井地下连续墙紧贴的封闭冻土墙，起到防止冻结加固区外的泥砂和地下水，特别是洞圈以下微承压水进入盾构出洞口的作用。

3 冻结施工

3.1 施工顺序

      液氮冻结加固地层的主要施工顺序为：施工准备→冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统→安装检测系统→液氮冻结→探孔检验→凿除洞门→盾构顶进至洞门→拔除冻结管→盾构正常顶进→融沉注浆。液氮冻结主要参数见表1，冻结孔布置见图1。

3.2 施工情况

      1）设计冻结孔12个，实际钻孔13个，在D6和D7之间补1个冻结孔B1（因D6处的地下连续墙外鼓）。

      2）液氮竖直冻结工程于2009年4月27日开钻，5月4日钻孔全部结束。

      3）液氮冻结管安装时，每根冻结管作为1组。冻结管内下双供液管，1根作为去路（深25 m），1根作为回路（深11.2 m）。在每组冻结管的液氮去、回路出口处设测温装置，控制进出口处液氮温度约-85℃。每1组输入口上都安装DN25低温截止阀，用来控制液氮的流量。

      4）液氮冻结系统由液氮循环干管（去路干管）、液氮控制阀门、冻结器等组成。整个管路连接完成，对从槽车出来的供液不锈钢软管、液氮循环干管、供液管、排气管等采用聚乙烯材料进行保温。

      5）冻结时，采用液氮槽车，液氮通过输送干管送到工作面，通过液氮控制阀门后进入冻结器，最后通过回路排气管引出端头井地面，然后排出。

      6）5月5日开始正式液氮冻结，截止5月15日积极冻结共计10 d。液氮量实际使用每天3车，每车约16t，共计使用液氮约485 t。

3.3 主要冻结施工参数

      设计要求的主要冻结施工参数和实测数据见表2。

3.4冻结效果

      5月14日，在盾构出洞圈范围内以“米”字形施工了9个探孔（T1～T9，见图2），孔深为进入外部土层50～100 mm，此时无泥水流出。各探孔测得的温度见图2。

      通过测温孔、探孔测温确定，冻结壁厚度＞1 100 mm，达到设计要求，冻结壁与连续墙完全胶接，凿除洞门无泥水流出，满足盾构出洞条件。

3.5 拔除冻结管

      5月16日约21∶00盾构机刀盘靠上冻土，22∶00开始拔除冻结管。拔管时，先在盐水箱中安装总功率为80 kW的电热管；用电热管加热盐水至90℃，以单个冻结孔分别循环热盐水，一般循环15～20 min即可，然后用25 t吊车拔除冻结管（拔管后用水泥砂浆对冻结孔进行封孔）。

      5月17日11∶00，13根冻结管全部顺利拔除，确保盾构安全出洞。

4 结语

      上海轨道交通13号线世博园区专用交通联络线工程淡水路站—马当路站区间隧道马当路站下行线盾构出洞，针对地层情况，采用了局部冻结方式，形成“上小下大”的塔形冻结壁，达到了预期效果。液氮冻结速度快、效果显著，对工期要求紧、抢险或者局部堵水等地下工程有较明显优势；但液氮冻结地层平均温度较低，盾构机出洞穿越冻结区时须连续作业，不能停顿。