水平凍結(jié)洞門(mén)加固工程斷管的探討及研究

1、水平凍結(jié)洞門(mén)加固工程斷管的探討及研究（李懂懂）盾構(gòu)法施工已成為地鐵隧道不可缺少的一部分，盾構(gòu)法由于具有在施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響，施工中沒(méi)有噪音和擾動(dòng)，掘進(jìn)速度快，施工勞動(dòng)強(qiáng)度低等特點(diǎn)而在地鐵項(xiàng)目施工得到廣泛應(yīng)用。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在采用盾構(gòu)法施工的過(guò)程中，一般都要對(duì)洞口周圍土體進(jìn)行加固。地層凍結(jié)法加固技術(shù)可靠并且對(duì)施工的條件要求較寬，國(guó)際工程界認(rèn)為，在難以應(yīng)用其他地層加固方法時(shí)，它是最終的解決方案。但在采用冷凍加固的同時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)性問(wèn)題，針對(duì)出現(xiàn)的一些問(wèn)題我們來(lái)進(jìn)行探討與研究。某地鐵工程盾構(gòu)機(jī)接收采用水平冷凍法加固，實(shí)施過(guò)程中出現(xiàn)凍結(jié)過(guò)程中冷凍管斷裂，后期接收拔管不順利

2、，最后采取鉆機(jī)套取冷凍管的方法。雖然最終接收順利完成，但實(shí)施過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較大，出水出砂較多。以下對(duì)事故原因進(jìn)行分析，提出一些技術(shù)措施，避免以后發(fā)生同樣事故。一、工程概況及設(shè)計(jì)方案1. 地質(zhì)情況某車站南北兩側(cè)的端頭井處地層自上而下分別為：雜填土1層、砂質(zhì)粉土32層、粘質(zhì)粉土33層、粘質(zhì)粉土34層、粉質(zhì)粘土22層、砂質(zhì)粉土36層、粉砂51c層和細(xì)砂52層。其中加固區(qū)范圍內(nèi)地層為全斷面細(xì)砂52層。第(2)52層：細(xì)砂，褐黃、黃色，飽和，中密密實(shí)，顆粒成分由石英、長(zhǎng)石、云母片等組成，含少量粒徑約5mm的小姜石。本層層厚1.6012.70m，平均層厚6.46m，層底埋深23.8036.30m，平均層底埋深

3、29.94m，層底高程52.1962.46m，平均層底標(biāo)高58.15m。2. 地下水情況根據(jù)區(qū)間地質(zhì)勘察報(bào)告顯示，某車站北端頭井地下水位在地面以下18.1米，南端頭井地下水位在地面以下17米，兩個(gè)加固端頭井加固區(qū)均在地下水位以下。3. 設(shè)計(jì)方案本工程采用水平全深凍結(jié)方案：即在工作井內(nèi)的洞圈內(nèi)外側(cè)布置三圈水平凍結(jié)孔，見(jiàn)下圖，平均溫度為-10，凍土平均發(fā)展速度按0.026m/d計(jì)算。 圖3.2-2 鉆孔孔口密封裝置圖序號(hào)圏徑（mm）孔數(shù)(個(gè))孔間距（mm）孔深（m）進(jìn)入土體（m）W1-W32圏80003278414.1Z1-Z15圏56001510816.1N1-N9圈2700810345.0N0

4、 113524.5合計(jì)56二、施工中出現(xiàn)的問(wèn)題在冷凍機(jī)開(kāi)機(jī)20天左右開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)冷凍管漏液現(xiàn)象，內(nèi)圈24個(gè)冷凍管，80%出現(xiàn)漏液，采取內(nèi)圈停機(jī)，下套管繼續(xù)冷凍。盾構(gòu)機(jī)接近凍結(jié)區(qū)后開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)圈凍結(jié)管化凍拔出作業(yè)，用70-80度熱鹽水通入凍結(jié)管2小時(shí)后，使用倒鏈拔出，結(jié)果凍結(jié)管被拔斷，斷口位于兩根凍結(jié)管絲扣連接處母絲底部（見(jiàn)圖），其余凍結(jié)管試拔，也出現(xiàn)同樣事故，因地下連續(xù)墻和墻外維護(hù)樁均已破除，冷凍面暴露，最后調(diào)用鉆機(jī)進(jìn)行套管鉆進(jìn)將內(nèi)圈冷凍管分別套出，拔管作業(yè)持續(xù)9天，造成較大隱患，在盾構(gòu)機(jī)出洞過(guò)程中，進(jìn)行了大量注漿作業(yè)，仍然有大量水和砂進(jìn)入車站。雖然接收作業(yè)成功，但面臨了較大的事故隱患。通過(guò)取出

5、的凍結(jié)管可以看出斷管位于凍結(jié)管連接處公絲和母絲連接內(nèi)管壁處，是最薄弱處。（外管壁處由于進(jìn)行了焊接，相當(dāng)于補(bǔ)強(qiáng)）。三、原因分析1. 事故表象是冷凍效果不理想，接收時(shí)漏水漏砂，無(wú)謂的增加了大量的注漿工作，特別是聚氨酯等高價(jià)注漿材料用量過(guò)大，增加了工程成本。2. 直接原因是拔除冷凍管時(shí)斷裂，無(wú)法將整條冷凍管順利拔除，采取措施不堅(jiān)決，造成冷凍體暴露時(shí)間過(guò)久，冷凍體有化凍現(xiàn)象。但我認(rèn)為根源是在積極凍結(jié)期間的漏液事故實(shí)際上是冷凍管已經(jīng)斷裂。事故發(fā)生的鏈條如下：冷凍管斷裂漏液、套管冷凍、冷凍管拔出時(shí)斷管、鉆機(jī)套管鉆進(jìn)取出、冷凍體暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、漏水漏砂。3. 因此本次事故的根源是凍結(jié)期間冷凍管已經(jīng)斷裂。四、凍

6、結(jié)管冷凍期間斷裂原因分析冷凍管凍結(jié)期間斷裂在工程實(shí)踐中時(shí)有發(fā)生，個(gè)別管的斷裂一般是材質(zhì)、加工缺陷、焊接缺陷等。但此次斷管呈現(xiàn)規(guī)律性，內(nèi)圈近乎全斷，外圈僅斷2根，因此可以排除材質(zhì)、加工、焊接等。主要考慮地質(zhì)和鉆孔施工方式的原因。事故分析過(guò)程中有提出是止水帷幕下沉造成剪切斷管，但經(jīng)分析，如果是帷幕下沉，斷管應(yīng)該是外圈上部先斷裂，中部?jī)?nèi)圈外圈應(yīng)都斷裂，不會(huì)形成外圈不斷內(nèi)圈斷的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)對(duì)本項(xiàng)目地質(zhì)資料和連續(xù)墻結(jié)構(gòu)資料以及鉆孔記錄的仔細(xì)分析，結(jié)果形成以下圖紙：鉆孔依次穿過(guò)地下連續(xù)墻、維護(hù)樁、砂層、止水帷幕、砂層。從拔出來(lái)的凍結(jié)管前端鉆頭可以看出，鉆頭直接小于凍結(jié)桿外徑，另外根據(jù)鉆孔記錄和鉆孔作業(yè)工人描

7、述，止水帷幕極為致密。因此鉆桿是擠過(guò)止水帷幕層的，鉆桿與止水帷幕間間距極小。根據(jù)凍結(jié)記錄，冷凍機(jī)開(kāi)啟后，當(dāng)天鹽水溫度已降至零度以下，斷管發(fā)生于開(kāi)機(jī)后20天左右，根據(jù)凍結(jié)發(fā)展速度繪圖如下：可以看出，在積極冷凍的第16天外圈孔已經(jīng)交圈，內(nèi)圈還在發(fā)展中。到第20至21天，中間未凍結(jié)區(qū)域被分成獨(dú)立的3塊。結(jié)合以上因素，對(duì)斷管判斷如下：斷管是因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻、止水帷幕和外圈凍結(jié)孔交圈，從而在其中部形成了封閉區(qū)域，此區(qū)域中所含地下水由于凍結(jié)的繼續(xù)發(fā)展，水壓持續(xù)升高，形成內(nèi)在應(yīng)力，橫向推動(dòng)止水帷幕，由于凍結(jié)管是擠入止水帷幕，且在止水帷幕外的凍結(jié)管上已形成的圓柱狀凍結(jié)體，與凍結(jié)管形成了螺桿和螺母狀態(tài)，鎖死了凍結(jié)

8、管應(yīng)力釋放范圍，使處于連續(xù)墻和止水帷幕間的凍結(jié)管處于受拉狀態(tài)，且低溫也造成凍結(jié)管有收縮應(yīng)力，在這兩種力量的作用下，越靠?jī)?nèi)側(cè)的凍結(jié)管受力越大，超出了凍結(jié)管連接處最薄弱處的抗拉能力，因此被拉斷。外圈凍結(jié)管由于受力狀況好于內(nèi)圈管，且隨著凍結(jié)的發(fā)展，中間夾層的自由水減少，橫向拉力達(dá)到最大后逐步減少，因此外圈凍結(jié)管未產(chǎn)生普遍斷管現(xiàn)象。對(duì)以上判斷的計(jì)算驗(yàn)證1. 計(jì)算凍結(jié)管薄弱處的抗拉強(qiáng)度：凍結(jié)管選用的是8163-20號(hào)無(wú)縫鋼管，查手冊(cè)可知，抗拉強(qiáng)度410-550Mpa, 屈服強(qiáng)度245MPA伸長(zhǎng)率20%，108*8管，車螺紋后薄弱處壁厚4mm，其抗拉強(qiáng)度計(jì)算S=（R²-r²）=3.14

9、*(5.4²-5.0²)=13.06cm²最小拉斷拉力Q=410*13.06*10=53546kg=53.55T2.封閉空間內(nèi)水壓力的增長(zhǎng)：當(dāng)外圈交圈后，封閉空間內(nèi)體積不斷減少，為凍結(jié)區(qū)域中水壓力持續(xù)增大，當(dāng)沙土骨架中間隙被水徹底充滿后，達(dá)到飽和狀態(tài)，未凍結(jié)部分體積縮小會(huì)導(dǎo)致水壓力持續(xù)上升，在凍結(jié)工程施工中，封閉的凍結(jié)區(qū)域應(yīng)當(dāng)設(shè)置泄壓孔，在壓力超過(guò)0.3Mpa時(shí)，應(yīng)當(dāng)泄壓。因此沒(méi)有泄壓措施，封閉的未凍結(jié)區(qū)域壓力會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。3.各個(gè)凍結(jié)管受力計(jì)算凍結(jié)在第15-16天外圈已經(jīng)開(kāi)始交圈，凍結(jié)管形成的凍結(jié)體半徑按16*2.6=416cm，但內(nèi)圈凍結(jié)管間距大沒(méi)有交圈。第1

10、8天時(shí)未凍結(jié)區(qū)域面積S=397904.88-（15+9）*6880.84=232764.72 cm²當(dāng)壓力達(dá)到0.3MPA時(shí)，橫向拉力總計(jì)Q=232764.72*0.3*10=698.29T平均每根管受力為698.29/55=12.70T，另外計(jì)算可知，當(dāng)壓力發(fā)展到1.26MPA時(shí)，凍結(jié)管就可以被拉斷。第20天時(shí)內(nèi)圈N1-N8孔圍合空間減去N9孔凍結(jié)體面積，未凍結(jié)面積為17558.15 cm²,0.3Mpa時(shí)，Q=17558.15*0.3*10=52674.45kg=52.67T,該橫向拉力由N1-N9承擔(dān)，每一個(gè)凍結(jié)管承擔(dān)52.67/9=5.85T。另外第20天外圈和N1

11、內(nèi)圈間面積為290534.26 cm²，減去15個(gè)Z孔凍結(jié)面積15*8494.87=127423.05 面積為163111.21 cm²Q=163111.21*0.3*10=489333.63kg=489.33T 該拉力由W、Z和N1-N8，共32+15+8=55根凍結(jié)管承擔(dān)，平均489.33/55=8.90T對(duì)于N1-N8凍結(jié)管來(lái)說(shuō)，承擔(dān)兩面的拉力5.85+8.90=14.75T通過(guò)計(jì)算，如果在壓力達(dá)到0.3MPA時(shí)不采取泄壓措施，當(dāng)壓力進(jìn)一步升高到1.09MPA時(shí)，N1-N8管承受的拉力將大于管子的抗拉強(qiáng)度，將被拉斷。當(dāng)N1-N8管拉斷后，應(yīng)力將重新分布，N9管獨(dú)自承擔(dān)

12、中部52.67噸拉力附加原來(lái)由N1-N8承擔(dān)的Z-N的拉力8.90*8=71.2T拉力，也將被拉斷。隨著中間9根凍結(jié)管退出受力，由Z1-Z15承受拉力，在壓力為0.44MPA時(shí)也將拉斷。（0.3MPA時(shí)（489.33+52.67）/15=36.13T，0.44MPA時(shí)，拉力為53.55T）當(dāng)N和Z凍結(jié)管拉斷后，全部力量由外圈W凍結(jié)管承受，（489.33+52.67）/32=16.94T,其臨界值為22.31/16.94*0.3=0.94MPA。如果壓力超過(guò)0.94MPA，W管也可能斷裂。當(dāng)N和Z凍結(jié)管拉斷后，受力模型可以看做是四周固定的圓板，在中部?jī)鼋Y(jié)管拉斷的過(guò)程中，圓板中部會(huì)有微量的向外蠕變

13、，起到了延緩壓力增長(zhǎng)的作用，同時(shí)隨著冷凍管的斷裂，使地層水和冷凍液聯(lián)通交換，客觀上起到了泄壓的作用，同時(shí)隨著凍結(jié)壁的繼續(xù)擴(kuò)大，未凍結(jié)區(qū)域減少，總體橫向拉力達(dá)到最大值后開(kāi)始減小,因此外圈孔不會(huì)全部斷裂。4.通過(guò)計(jì)算可以驗(yàn)證，當(dāng)封閉的未凍結(jié)區(qū)域壓力達(dá)到1.09MPA時(shí)，會(huì)發(fā)生冷凍管在薄弱處拉斷的事故。五、結(jié)論：事故發(fā)生是多方面原因造成的，主要有：1. 總承包方提供的地質(zhì)資料不夠完整，沒(méi)有關(guān)于止水帷幕的描述。2. 鉆孔施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了止水帷幕，但沒(méi)有引起重視，沒(méi)有采取應(yīng)對(duì)措施。3. 鉆孔作業(yè)中，鉆頭直徑小于鉆桿直徑，造成鉆桿卡死于止水帷幕中，造成鉆桿所受各種應(yīng)力無(wú)法逐步釋放。同時(shí)鉆桿卡死，也對(duì)后期拔

14、管造成困難。4. 凍結(jié)管普遍漏液后，應(yīng)當(dāng)采取清水沖洗稀釋措施，大量氯化鈣鹽水存在于封閉的砂土層中，造成冷凍效果下降。5. 在拔管作業(yè)中，僅2-3小時(shí)的化凍時(shí)間是不夠的，一方面是因?yàn)槔鋬龉苤邢绿坠埽瑥奶坠苤谢瘍?，傳遞到地層需要時(shí)間更長(zhǎng)。6. 在知道內(nèi)圈冷凍管普遍斷管后，應(yīng)采取備用措施拔管，不應(yīng)在連續(xù)墻和維護(hù)樁破除后再慢慢分析、論證。應(yīng)及時(shí)封閉凍土暴露面，并調(diào)用多臺(tái)鉆機(jī)進(jìn)行套管拔除。六、為避免事故發(fā)生可以采取的措施為了保證其余洞口的接受和始發(fā)作業(yè)順利，避免同類事故的再次發(fā)生，在剩余幾個(gè)洞口加固中應(yīng)當(dāng)采取以下措施：1. 控制冷凍管長(zhǎng)度，將連接處留到止水帷幕外側(cè)1m 以外，避開(kāi)應(yīng)力集中區(qū)。2. 鉆頭直徑大于鉆桿1cm, 使鉆桿在止水帷幕中能有一定自由活動(dòng)空間，有利于應(yīng)力釋放，也有利于后期拔管作業(yè)。3.