水平凍結洞門加固工程斷管的探討及研究

1、水平凍結洞門加固工程斷管的探討及研究（李懂懂）盾構法施工已成為地鐵隧道不可缺少的一部分，盾構法由于具有在施工中不受季節(jié)、風雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動，掘進速度快，施工勞動強度低等特點而在地鐵項目施工得到廣泛應用。由于地質條件的復雜性，在采用盾構法施工的過程中，一般都要對洞口周圍土體進行加固。地層凍結法加固技術可靠并且對施工的條件要求較寬，國際工程界認為，在難以應用其他地層加固方法時，它是最終的解決方案。但在采用冷凍加固的同時通常會出現(xiàn)一些技術性問題，針對出現(xiàn)的一些問題我們來進行探討與研究。某地鐵工程盾構機接收采用水平冷凍法加固，實施過程中出現(xiàn)凍結過程中冷凍管斷裂，后期接收拔管不順利

2、，最后采取鉆機套取冷凍管的方法。雖然最終接收順利完成，但實施過程中風險較大，出水出砂較多。以下對事故原因進行分析，提出一些技術措施，避免以后發(fā)生同樣事故。一、工程概況及設計方案1. 地質情況某車站南北兩側的端頭井處地層自上而下分別為：雜填土1層、砂質粉土32層、粘質粉土33層、粘質粉土34層、粉質粘土22層、砂質粉土36層、粉砂51c層和細砂52層。其中加固區(qū)范圍內地層為全斷面細砂52層。第(2)52層：細砂，褐黃、黃色，飽和，中密密實，顆粒成分由石英、長石、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，平均層底標高58.15m。2. 地下水情況根據區(qū)間地質勘察報告顯示，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，兩個加固端頭井加固區(qū)均在地下水位以下。3. 設計方案本工程采用水平全深凍結方案：即在工作井內的洞圈內外側布置三圈水平凍結孔，見下圖，平均溫度為-10，凍土平均發(fā)展速度按0.026m/d計算。 圖3.2-2 鉆孔孔口密封裝置圖序號圏徑（mm）孔數(個)孔間距（mm）孔深（m）進入土體（m）W1-W32圏80003278414.1Z1-Z15圏56001510816.1N1-N9圈2700810345.0N0

4、 113524.5合計56二、施工中出現(xiàn)的問題在冷凍機開機20天左右開始陸續(xù)出現(xiàn)冷凍管漏液現(xiàn)象，內圈24個冷凍管，80%出現(xiàn)漏液，采取內圈停機，下套管繼續(xù)冷凍。盾構機接近凍結區(qū)后開始進行內圈凍結管化凍拔出作業(yè)，用70-80度熱鹽水通入凍結管2小時后，使用倒鏈拔出，結果凍結管被拔斷，斷口位于兩根凍結管絲扣連接處母絲底部（見圖），其余凍結管試拔，也出現(xiàn)同樣事故，因地下連續(xù)墻和墻外維護樁均已破除，冷凍面暴露，最后調用鉆機進行套管鉆進將內圈冷凍管分別套出，拔管作業(yè)持續(xù)9天，造成較大隱患，在盾構機出洞過程中，進行了大量注漿作業(yè)，仍然有大量水和砂進入車站。雖然接收作業(yè)成功，但面臨了較大的事故隱患。通過取出

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

6、結管冷凍期間斷裂原因分析冷凍管凍結期間斷裂在工程實踐中時有發(fā)生，個別管的斷裂一般是材質、加工缺陷、焊接缺陷等。但此次斷管呈現(xiàn)規(guī)律性，內圈近乎全斷，外圈僅斷2根，因此可以排除材質、加工、焊接等。主要考慮地質和鉆孔施工方式的原因。事故分析過程中有提出是止水帷幕下沉造成剪切斷管，但經分析，如果是帷幕下沉，斷管應該是外圈上部先斷裂，中部內圈外圈應都斷裂，不會形成外圈不斷內圈斷的現(xiàn)象。經過對本項目地質資料和連續(xù)墻結構資料以及鉆孔記錄的仔細分析，結果形成以下圖紙：鉆孔依次穿過地下連續(xù)墻、維護樁、砂層、止水帷幕、砂層。從拔出來的凍結管前端鉆頭可以看出，鉆頭直接小于凍結桿外徑，另外根據鉆孔記錄和鉆孔作業(yè)工人描

7、述，止水帷幕極為致密。因此鉆桿是擠過止水帷幕層的，鉆桿與止水帷幕間間距極小。根據凍結記錄，冷凍機開啟后，當天鹽水溫度已降至零度以下，斷管發(fā)生于開機后20天左右，根據凍結發(fā)展速度繪圖如下：可以看出，在積極冷凍的第16天外圈孔已經交圈，內圈還在發(fā)展中。到第20至21天，中間未凍結區(qū)域被分成獨立的3塊。結合以上因素，對斷管判斷如下：斷管是因為地下連續(xù)墻、止水帷幕和外圈凍結孔交圈，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的繼續(xù)發(fā)展，水壓持續(xù)升高，形成內在應力，橫向推動止水帷幕，由于凍結管是擠入止水帷幕，且在止水帷幕外的凍結管上已形成的圓柱狀凍結體，與凍結管形成了螺桿和螺母狀態(tài)，鎖死了凍結

8、管應力釋放范圍，使處于連續(xù)墻和止水帷幕間的凍結管處于受拉狀態(tài)，且低溫也造成凍結管有收縮應力，在這兩種力量的作用下，越靠內側的凍結管受力越大，超出了凍結管連接處最薄弱處的抗拉能力，因此被拉斷。外圈凍結管由于受力狀況好于內圈管，且隨著凍結的發(fā)展，中間夾層的自由水減少，橫向拉力達到最大后逐步減少，因此外圈凍結管未產生普遍斷管現(xiàn)象。對以上判斷的計算驗證1. 計算凍結管薄弱處的抗拉強度：凍結管選用的是8163-20號無縫鋼管，查手冊可知，抗拉強度410-550Mpa, 屈服強度245MPA伸長率20%，108*8管，車螺紋后薄弱處壁厚4mm，其抗拉強度計算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.封閉空間內水壓力的增長：當外圈交圈后，封閉空間內體積不斷減少，為凍結區(qū)域中水壓力持續(xù)增大，當沙土骨架中間隙被水徹底充滿后，達到飽和狀態(tài)，未凍結部分體積縮小會導致水壓力持續(xù)上升，在凍結工程施工中，封閉的凍結區(qū)域應當設置泄壓孔，在壓力超過0.3Mpa時，應當泄壓。因此沒有泄壓措施，封閉的未凍結區(qū)域壓力會進一步增長。3.各個凍結管受力計算凍結在第15-16天外圈已經開始交圈，凍結管形成的凍結體半徑按16*2.6=416cm，但內圈凍結管間距大沒有交圈。第1

10、8天時未凍結區(qū)域面積S=397904.88-（15+9）*6880.84=232764.72 cm²當壓力達到0.3MPA時，橫向拉力總計Q=232764.72*0.3*10=698.29T平均每根管受力為698.29/55=12.70T，另外計算可知，當壓力發(fā)展到1.26MPA時，凍結管就可以被拉斷。第20天時內圈N1-N8孔圍合空間減去N9孔凍結體面積，未凍結面積為17558.15 cm²,0.3Mpa時，Q=17558.15*0.3*10=52674.45kg=52.67T,該橫向拉力由N1-N9承擔，每一個凍結管承擔52.67/9=5.85T。另外第20天外圈和N1

11、內圈間面積為290534.26 cm²，減去15個Z孔凍結面積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根凍結管承擔，平均489.33/55=8.90T對于N1-N8凍結管來說，承擔兩面的拉力5.85+8.90=14.75T通過計算，如果在壓力達到0.3MPA時不采取泄壓措施，當壓力進一步升高到1.09MPA時，N1-N8管承受的拉力將大于管子的抗拉強度，將被拉斷。當N1-N8管拉斷后，應力將重新分布，N9管獨自承擔

12、中部52.67噸拉力附加原來由N1-N8承擔的Z-N的拉力8.90*8=71.2T拉力，也將被拉斷。隨著中間9根凍結管退出受力，由Z1-Z15承受拉力，在壓力為0.44MPA時也將拉斷。（0.3MPA時（489.33+52.67）/15=36.13T，0.44MPA時，拉力為53.55T）當N和Z凍結管拉斷后，全部力量由外圈W凍結管承受，（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0.94MPA，W管也可能斷裂。當N和Z凍結管拉斷后，受力模型可以看做是四周固定的圓板，在中部凍結管拉斷的過程中，圓板中部會有微量的向外蠕變

13、，起到了延緩壓力增長的作用，同時隨著冷凍管的斷裂，使地層水和冷凍液聯(lián)通交換，客觀上起到了泄壓的作用，同時隨著凍結壁的繼續(xù)擴大，未凍結區(qū)域減少，總體橫向拉力達到最大值后開始減小,因此外圈孔不會全部斷裂。4.通過計算可以驗證，當封閉的未凍結區(qū)域壓力達到1.09MPA時，會發(fā)生冷凍管在薄弱處拉斷的事故。五、結論：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資料不夠完整，沒有關于止水帷幕的描述。2. 鉆孔施工過程中發(fā)現(xiàn)了止水帷幕，但沒有引起重視，沒有采取應對措施。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力無法逐步釋放。同時鉆桿卡死，也對后期拔

14、管造成困難。4. 凍結管普遍漏液后，應當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小時的化凍時間是不夠的，一方面是因為冷凍管中下套管，從套管中化凍，傳遞到地層需要時間更長。6. 在知道內圈冷凍管普遍斷管后，應采取備用措施拔管，不應在連續(xù)墻和維護樁破除后再慢慢分析、論證。應及時封閉凍土暴露面，并調用多臺鉆機進行套管拔除。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，在剩余幾個洞口加固中應當采取以下措施：1. 控制冷凍管長度，將連接處留到止水帷幕外側1m 以外，避開應力集中區(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空間，有利于應力釋放，也有利于后期拔管作業(yè)。3.