盾构进洞杯形冻结温度场现场实测研究

第2期（总第197期）2018年4月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGＮｏ．２　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．１９７）Ａｐｒ．　２０１８

113盾构进洞杯形冻结温度场现场实测研究

王 星 童

（中铁二院北方勘察设计有限责任公司，山东 济南 250000）

近年来，人工土层冻结技术被广泛应用在软土层中轨道交通隧道加固施工、联络通道加固施工及盾构进出洞冻结加固施工中[1-2]。其中，盾构进出洞冻结加固工程中，冻结孔布置方式多采用水平方向环形布置，形成杯形冻结壁[3]。由于环形冻结孔冻结条件下形成的冻结温度场不仅受到同一圈中相邻冻结管的影响，还受到临圈冻结管的影响，因而杯形冻结温度场的形成与发展较为复杂[4-5]。国内外对盾构进出洞水平冻结加固杯形冻结温度场的研究较少，研究其温度场的发展规律和特征具有重要现实意义。基于天津市地下铁道二期工程L3天津站盾构进洞水平冻结加固工程，结合站址土层分布情况，对其冻结温度场发展规律进行全过程实测研究。根据实测数据，分析冻结盐水温度、不同主面、界面位置冻结温度的发展规律和杯体及冻结管底部冻结壁厚度的发展规律。1 工程概况及监测设计1.1 工程概况

天津市地下铁道二期工程L3天津站—金狮桥站区间，左、右线盾构到达天津站盾构进洞，盾

收稿日期：2017-12-14作者简介：王星童（1985—），男，工程师，硕士，主要从事地下工程的研究和设计工作。摘要：基于天津站盾构进洞水平冻结加固工程，通过对杯形冻结温度场发展的现场实测，分析研究盐水温度变化及不同主面、界面冻结温度场发展规律。监测结果表明：在微承压性富水粉砂层地质工况下利用冻结法加固岩土体可行；杯体主面、界面岩土体冻结温度发展规律基本相同；杯底范围岩土体受杯体冻结壁的影响，冻结发展速度更快，基本呈线性发展；土体与地连墙交界面冻结温度发展速度较内部土体快；冻结30 d，杯体主面、界面冻结平均温度分别可达-14.22 ℃和-10.30 ℃，杯底冻结平均温度可达到-25 ℃。关键词：盾构进洞；杯形冻结；温度场；现场实测中图分类号：U455.43 文献标志码：a 文章编号：1004-4655（2018）02-0113-04DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2018.02.0033

构进洞口中心标高（绝对标高）为-22.730 m，地面标高约为+2.700 m。洞口形状为圆形，洞口开口净直径为6.7 m。由于受施工现场环境的限制，参考天津地区其他盾构进洞冻结加固的施工经验，采用地下水平冻结法加固土体，以确保盾构的顺利进洞。根据地质资料，盾构进洞冻结加固地层从上至下依次为：⑥1粉质黏土、⑦1粉质黏土、⑦4粉砂、⑦5粉质黏土。盾构机主要穿越⑦1粉质黏土、⑦4粉砂。根据地勘资料及工程实际施工情况，⑦4粉砂中含水量较大，水压相对较高，具有一定的承压水性。杯底冻结壁厚度取3.5 m，杯体冻结壁厚度取1.2 m，冻结壁形式及地层分布见图1。

+2.700 m（地面标高） 地层柱状图

⑦1粉质黏土

⑦4粉砂

⑦5粉质黏土

⑧1粉质黏土⑧3黏土⑥1粉质黏土①1杂填土①2素填土

11 0003 500-26.770 m（基坑底板）A圈A圈

B圈C圈D圈C圈B圈-22.730 m（洞口中心线）9001 200 9001 200

1 20048 002盾构推进方向

图1 冻结帷幕设计剖面及地层柱状图

根据冻结帷幕设计，冻结孔按水平方向布置，

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冻结孔总数53个。杯体冻结孔沿开洞口φ7.5 m圆形布置，开孔间距为0.76 m（弧长），冻结孔数31个， 长度为13.1 m。杯底冻结孔沿开洞口φ5.1 m、φ2.7 m圆形布置，开孔间距为1.144~1.212 m（弧

长），冻结孔数21个，冻结孔长度4.7 m。开洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度4.7 m，冻结孔的布置见图2。

A25A24A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10C5C6A11A12A13A14A15A16A17A18A19A20A21A22A23A26A27A28A29A30A31B1B2B3B4B5B6B7

B8B9B10B11B12B13B14C1C2C3

C4C5C6C7C7C3770

-22.730(洞口中心线）内衬洞口中心线C1

内衬洞口中心线-26.770(基坑底板）图例冻结孔测温孔卸压孔

图2 冻结孔、测温孔布置立面图

冻结分为积极冻结期和维护冻结期。为确保冻结效果，结合天津地区冻结经验，积极冻结期时间定为30 d。积极冻结期盐水温度控制在-28~-30 ℃，维护冻结期盐水温度控制在-25~-28 ℃。1.2 冻结监测方案

根据课题研究及设计要求，盐水去、回路干管各设置一个测温点，冻结岩土体范围共布设8个测温孔。C1及C6布置在杯体冻结管圈径外；为更好监测杯底冻结管底部冻结温度场的发展规律，C1~C4布置在同一水平面上且均位于富水粉砂层中；C5、C6位于洞口顶部黏土层中；C7、C8位于洞口底部富水粉砂层中且位于杯体冻结圈径内。测温孔深度为7.2 m、5.5 m。采用冻结温度场检测专用系统——“OCEAN 1 000温度监控系统”对冻结温度进行实时监测。测温孔中测温点布置如表1所示。表1 测温孔测温点布置一览表测温孔测点深度/m测温孔测点深度/m

C1C1-12.1

C2C2-11.2C1-23.0C2-22.3C1-34.0C2-33.5C1-45.0C2-44.5C1-56.0C2-55.5C1-67.0C2-66.0注：表1中只给出C1和C2的测温点布置，其余各测温孔测温点布置与之类似2 杯形冻结温度场监测分析2.1 盐水去、回路温度监测分析

通过对盐水干管温度的监测，绘制盐水去、回路温度变化曲线（见图3）。

/

、

图3 盐水温度变化曲线

由图3可知：盐水去、回路温差保持在-1.1~ -1.6 K，冻结30 d时，温差-1.11 K，且基本保持稳定。2.2 测温孔温度发展规律

以测温孔C1和测温孔C2为例进行分析，冻结各阶段各测温孔测点温度随冻结时间及空间的变化曲线见图4、图5。

/

图4 C1测温孔温度-时间曲线

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图 5 C2测温孔温度-时间曲线

由图4可知：受地下连续墙的影响，地下连续墙与土体交界面处的测温点C1-1温度始终较其他5个测温点低，且差值较大。测温点C1-2~C1-6受下连续墙影响小，其温度发展规律基本相同。

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且同一冻结时间点各测点温度相差较小（差值在0.4~1.2 K之间）。由图5可知：受地下连续墙的影响，测温点C2-1温度较其他测温点低。测温点C2-1~C2-4温度发展趋势可分成3个阶段，冻结初期的温度急剧下降段、冻结中期的温度平缓下降段和冻结后期的温度急剧下降段[6]。2.3 杯体主面冻结壁平均温度

取测温点C1-3对应位置为研究对象，运用“用温度曲线包络图面积除以计算截面冻结壁厚度”的方法计算出不同冻结时间点杯体主面冻结壁平均温度，绘制成曲线（见图6）。

//d

图6 杯体主面冻结壁平均温度发展曲线

由图6可知：冻结初期杯体主面冻结壁平均温度基本呈线性发展，冻结后期稳定，主面冻结壁平均温度稳定在-14 ℃左右。2.4 杯体界面冻结壁平均温度

同样取测温点C1-3对应位置为研究对象，通过运用“用温度曲线包络图面积除以计算截面冻结壁厚度”的方法计算出不同冻结时间点杯体界面冻结壁平均温度，绘制成曲线（见图7）。

//d

图7 杯体界面冻结壁平均温度发展曲线

由图7可知：积极冻结期间杯体界面冻结壁平均温度基本呈线性发展，后期温度变化速率减小。由于界面温度同时受2个冻结孔的影响，冻结后期界面温度仍保持较大的下降速度。2.5 主面冻结壁发展规律

沿隧道纵向3个不同深度位置杯体圈径以外主面冻结壁发展规律曲线见图8。

/

06.10 06.15 06.20 06.25 06.30 07.05 07.10日期

图8 主面冻结壁厚度发展曲线

由图8可知：3个不同位置主面冻结壁发展规律大致相同。地下连续墙与土体交界面处冻结壁发展速度最大，其余两处基本一致。冻结30 d时，3个不同位置主面冻结壁厚度分别为0.879 m、0.768 m和0.807 m。2.6 界面冻结壁发展规律

沿隧道纵向3个不同深度位置杯体圈径以外界面冻结壁发展规律曲线见图9。

06.10 06.15 06.20 06.25 06.30 07.05 07.10/m

日期

图9 界面冻结壁厚度发展曲线

由图9可知：冻结壁交圈时间7~9 d。地下连续墙与土体交界面处冻结壁发展速度最大，其余两处基本一致。冻结30 d时，3个不同位置界面冻结壁厚度分别为0.843 m、0.719 m和0.762 m。2.7 杯底冻结管底部冻结壁发展

利用测温孔C3、C4杯底位置测温点的监测数据，计算分析杯底冻结管底部冻结壁发展情况

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（见图10）。

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06.10 06.15 06.20 06.25 06.30 07.05 07.10日期图10 杯底冻结管底部冻结壁厚度发展曲线

杯底冻结管拔除过程中杯底冻结管底部的冻结壁要求有一定的厚度，若厚度不满足，则杯底冻结管拔除过程中将难以抵抗水土压力，存在涌水涌砂风险。由图10可知：冻结20 d时，测温孔处杯底冻结管底部形成冻结壁，且发展速度较快，基本呈线性增加。计算得冻结30 d时，测温孔C3位置杯底底部冻结壁厚度约为0.285 m，测温孔C4位置约为0.175 m，满足冻结管拔除施工对冻结壁厚度的要求。3 结语

1）在微承压性富水粉砂层地质工况下利用冻结法加固岩土体可行，冻结壁厚度及平均温度能够满足设计及盾构进洞施工要求。2）相比较之下，土体与地下连续墙交界面处冻结壁厚度大且平均温度低，极大降低盾构进洞施工中界面处渗漏水的风险。3）杯体主面在冻结初期冻结壁平均温度迅速下降，基本呈线性发展；冻结中期下降速度减小，冻结后期趋近平缓；冻结30 d时，达-14.22 ℃。杯体界面与主面类似；但后期仍保持较大的下降趋势；冻结30 d时，达到-10.30 ℃。杯底冻结土体平均温度在积极冻结期基本呈线性降低，初期和后期下降快，中期下降放缓[7]。4）杯体冻结壁主、界面发展规律基本相同。冻结30 d时，杯体主、界面冻结壁厚度均能保持在0.762~0.879 m，保证冻结壁厚度要求。5）冻结20 d时，杯底冻结管底部有冻结壁形成，且发展速度较快；冻结30 d时，冻结壁厚度约为0.175~0.285 m，能减小杯底冻结管拔除过程中涌水涌砂的风险。

参考文献：

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表2 E1地震作用下P2墩弯矩及能力验算表

类别弯矩/kN·m能力验算/kN·m常规抗震设计思路21 68023 695改进的抗震设计思路8 32013 542在常规和改进的抗震设计思路下，P2墩的设计参数对比见表3。表3 2种设计思路设计参数对比表

类别常规抗震设计思路改进的抗震设计思路

固定墩支座吨位/MN5527.5

立柱短边主筋布置2层 32@1001层 32@100

φ1.5 m桩基15根长56 m15根长42 m

由表3可知，改进的抗震设计思路，在正常运营阶段，固定墩的经济性明显优于常规抗震设计思路，而其他墩的设计参数基本一致。5 结语

建设运营阶段，改进的抗震设计思路经济性明显优于目前设计院较常规采用的抗震设计方法。虽然发生地震后的养护费用相对较高，但由于地震属于偶然荷载，其发生具有一定的概率性。长久来看，改进的减隔震设计思路，仍是经济可行的。

参考文献:

[1] 住房城乡建设部关于房屋建筑工程推广应用减隔震技术的若干意见(暂行):建质[2014]25号[Z].[2] 候冠文.矮墩大跨连续梁体系桥纵向减隔震设计[J].中国市政工程,2012(6):20-23.[3] 陈鹏,周颖.摩擦摆支座隔震结构实用设计方法[J].地震工程与工程振动,2017(1):56-63.（上接第112页）