高承压含水层中更换盾尾刷长距离液氮冻结技术

以杭州庆春路过江隧道为例,论述了长距离液氮冻结需要解决的关键技术,介绍了该工程的冻结参数设计、施工工艺以及测温系统布设与冻土帷幕判断、盾尾刷更换应具备的条件、强制解冻设计及盾构重新推进条件判断等.结果表明,长距离液氮冻结在封水应用中有着显著成效,与注浆法和盐水冻结法相比技术可靠、安全性好、节约工期,解决了承压含水层中封水更换盾尾刷的难题.     

盾构尾刷冻结法更换的温度场数值分析

 对上海长江隧道长距离盾构掘进中盾尾刷更换预案的冻结法施工温度场进行三维有限元数值分析,对此特殊冻结法的可行性和可靠性进行论证。根据冻结法盾尾刷更换方案,依照实际工程的地质条件、盾构和管片结构以及密封油脂等相关介质的热物理性质,考虑盾尾刷更换的具体工艺,采用ANSYS软件对盾尾刷更换施工过程进行温度场数值计算,在此基础上对冻土帷幕的发展、厚度变化和封闭性进行分析。结果表明,开始冻结后在盾尾可以很快形成封闭的环形冻土帷幕并稳定发展,拆卸临时管片进行盾尾刷更换过程中,冻土帷幕略有弱化但很快转入继续增长并进入稳定的安全状态,论证设计的冻结法盾尾刷更换方法的可行性和可靠性。     

富水砂层中钢管片冻结法更换盾尾刷技术探析

通过介绍钢管片冻结法更换盾尾刷技术在佛山地铁某盾构区间富水砂层中的应用,包括停机位置选择、补浆加固、冻结钢管片和预拆环拼装与设计、地层冻结、预拆环拆除、盾尾刷更换等一些列施工环节,来阐述钢管片冻结法更换盾尾刷技术在富水砂层等软弱地层中具有更好的安全性、经济性、高效性。相比较地面注浆加固,混凝土管片开孔冻结等传统加固措施,钢管片冻结法更换盾尾刷技术具有更好土体冻结效果,盾构周边冻结帷幕发展速度快,能够较好节省施工工期、同事减少工程预算开支和施工难度,降低在软弱地层中更换盾尾刷的风险,确保在盾尾刷更换期间的安全,值得在软弱地层中大力推广。     

大直径泥水盾构液氮冻结更换盾尾刷施工研究

以南京纬三路超大直径泥水盾构为例,介绍了江底高压水环境下液氮冷冻法更换盾尾刷的施工工艺,阐述了围岩冻结设计方法及液氮冻结设备,并对液氮冷冻温度进行了监测,为工程施工提供了依据。     

液氮冻结技术在盾构工程中的应用综述

液氮冻结技术在盾构工程中的应用已日渐成熟,通过对液氮冻结技术在我国盾构工程中应用案例的归纳,总结出液氮冻结技术与传统防渗加固法的不同。目前,液氮冻结技术主要集中在盾构机进出洞阶段和盾尾刷检修和更换方面,另外,在清障施工、隧道修复和盾构隧道对接等方面也发挥着极其重要的作用。液氮冻结技术与传统方法相比,在施工的便捷性和安全性方面均有着无可比拟的优点,其应用广泛绿色环保的特点也尤为突出。从施工实践来看,液氮具有极低的沸点,冻结效率有了极大的提升,对一些突发性的事故处理能够最大限度的降低风险和减小损失,冻结效果也更为明显。     

北京地铁17号线朝十区间盾尾刷更换技术研究

对北京地铁17号线朝阳港站 十里河站区间的盾尾刷更换原因和施工风险进行了分析,给出了风险应对措施;详细介绍了该工法的施工工艺、施工参数和主要应急措施等。以北京地铁17号线朝阳港站 十里河站区间左线盾构机更换盾尾刷为工程背景,介绍了一种盾尾刷更换的施工方法,该方法在盾构机掘进至更换盾尾刷位置时,通过盾体和管片上的注浆孔先后向盾尾、土仓和盾体四周注高粘度膨润土及注聚氨酯,并施做了止水环箍;之后打开管片更换盾尾刷并涂盾尾油脂,管片拼装后盾构机恢复掘进。该工法在实际工程中得到了成功应用,取得了很好的实施效果,可为今后类似工程提供技术参考依据。     

盾构拼装机改进加长臂更换盾尾刷技术应用

盾尾密封刷主要起止水、止泥浆的作用。由于盾尾刷的寿命具有时效性,盾尾刷需要定期定掘进距离进行更换,若超出其使用寿命则盾尾刷存在可能失效的风险,造成盾尾漏水、漏浆,进而影响盾构管片的拼装质量和盾尾同步注浆效果,严重时则会造成地面沉降过大等一系列岩土环境问题。隧道掘进中更换盾尾刷通常采用管片前移法,在整环进行平移过程中,姿态难以控制,可能存在纵向螺栓孔错位情况,整环管片在拉、推的过程中,稍微出现超过3mm的旋转,就能导致纵向螺栓无法重新安装的情况。因此,本文以郑州轨道交通5号线土建01标盾构区间工程为研究背景,对盾构拼装机进行加长臂改进,利用改进后的盾构拼装机,对盾尾管片环进行拆卸,更换盾尾刷完成后,重新拼装盾尾处管片环,以降低掘进过程中更换盾尾刷的难度及不利影响。通过实际工程应用,改进加长臂的盾构拼装机能较好的满足施工要求。     

盾尾刷更换时冻土帷幕强度数值分析

盾构长距离掘进对盾尾刷造成过大磨损时会使其因失去密封作用而需更换,盾尾刷更换的难点在于管片拆卸后盾尾的密封止水加固。本文结合某过江隧道盾尾刷更换工程,对该工程承压含水层范围内的冻土帷幕进行强度验算,按是否考虑0.3MPa的承压水压力分两种情况进行三维数值模拟,主要得出:两种情况下σx、σy、σz方向的应力基本全部为压应力,拉应力值太小,可忽略不计;最大压应力值均为1.47MPa,最大剪应力值均为0.49MPa;拉、压、剪应力值的安全系数均远大于2,其安全储备得以保证。更换盾尾刷时冻土帷幕能够起到很好的止水和稳定地层作用,其设计温度和厚度满足强度要求。所得结果为今后类似工程设计提供了理论依据。     

泥水盾构高水压条件下盾尾刷的更换技术

以广深港客运专线狮子洋隧道盾构施工为例,从工艺原理、工艺流程、盾尾刷更换技术、质量控制等几个方面,详细论述了泥水盾构高水压条件下盾尾刷的更换技术。通过更换后的使用效果,反馈该技术运用的科学性和适用性,为类似项目的盾构施工提供了很好的借鉴和参考。     

盾尾刷环形密封系统单元试验及水密性机制研究

盾构法已经成为了城市地铁隧道建设的主流施工法，由于盾尾刷密封效果不佳导致的漏水、漏浆等重大安全责任事故屡屡发生。通过建立盾尾刷-油脂腔密封系统密封单元试验装置，探讨油脂稠度、油脂压力、盾尾间隙对其水密性能的影响。试验结果表明：(1)根据油脂锥入度不同，盾尾密封渗漏出现两种模式：锥入度低时渗漏物为外界泥水，锥入度高时渗漏物为外界泥水与油脂混合物。为提高盾尾密封性能，油脂锥入应控制180～200(1/10 mm)范围内。(2)盾尾渗漏临界压力可由油脂压力、贴合力确定，略微小于油脂压力，因此工程中设定油脂压力比盾尾空隙中泥水或注浆浆液压力大0.5 MPa是合理的。(3)盾尾渗漏临界压力受油脂压力影响更大些，但盾尾刷贴合力则影响油脂逃逸和油脂压力的稳定，因此盾构掘进过程中加强盾尾刷和密封系统的管理以避免砂浆侵入导致盾尾刷失去弹性引起的密封失效。研究成果可为盾尾密封系统的设计和施工管理提供参考。     

杭州庆春路过江隧道施工风险控制实例分析

 介绍杭州庆春路过江隧道施工过程中的风险控制,分析盾构出洞时洞门涌泥水及加固区土体坍塌的原因、规避及处理措施;分析两线盾构先后穿越钱塘江大堤时大堤沉降明显不同的原因,结合工程实践提出泥水盾构过堤控制沉降的措施;分析工程中盾尾密封失效的原因,并介绍在江底高承压水地层中采用液氮冻结封堵地下水和修复盾尾刷的方法。工程实践表明,良好的洞门密封可以避免洞门涌水和加固区土体坍塌;持续降雨和泥水压力的剧烈波动会加剧大堤的沉降,而通过优化盾构掘进参数,可以降低盾构施工对大堤的扰动;液氮冻结法可以安全地封堵地下水,更换第一道尾刷并且增设一道尾刷的方案可以成功地消除盾尾漏浆涌水的风险。     

液氮冻结技术在地铁端头井加固中的应用

液氮冻结具有系统简单、冻结速度快、温度低和冻土强度高等特点,在城市地下工程建设中得到广泛应用。为了对某一地铁端头井进行加固,保证盾构机进洞安全,利用液氮冻结技术进行加固。经现场温度实测与分析,冻结效果达到了设计要求。运用数值模拟软件对液氮冻结和常规盐水冻结效果进行模拟,结果表明,液氮冻结土体5d左右就基本交圈,而常规盐水冻结需要30d左右才可以交圈,充分显示了液氮冻结技术低温、快速等优点。     

软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究

研究软弱地层联络通道冻结法施工的冻结温度场、解冻温度场、冻胀融沉发展规律,是解决其冻胀及工后融沉预测与控制的前提。以软土隧道联络通道冻结法工程为背景,对冻结温度场、解冻温度场、地表变形、深层土体冻胀融沉及温度变化规律等进行了全程实测,对冻结壁的形成及解冻全过程进行了分析。结果表明:冻结过程温度变化规律可分为温度快速下降、降温减慢、降温速度加快、土体温度稳定、维护冻结等5个阶段。解冻期间,土体温度经历快速回升、0℃附近稳定、温度持续回升3个阶段。冻结圆柱交圈是产生迅速冻胀的临界时间点,冻胀主要发生在冻结18~45 d;联络通道解冻15 d,部分土体温度达到0℃附近,冻土进入相变阶段,因此应在15 d后开始融沉跟踪注浆;入土深度越大土体相变阶段持续时间越长,粉土融沉主要发生在解冻前2个月,其完全解冻需要100 d左右,此为跟踪注浆至少应持续时间。深部土体温度、冻胀融沉位移均随深度增大呈线性递增。实测拱顶冻结壁处最大冻胀及融沉位移分别是对应地表冻胀、融沉量的3.6倍、4.9倍。地表冻胀融沉槽为联络通道中线两侧符合拟正态分布规律,其影响范围约为隧道底部埋深的1.2倍。     

使用塑料冻结管的液氮冻结温度场试验研究

温度场分析是判断冻结土体性状进而反映冻结效果的重要手段,而盾构出洞液氮冻结加固中使用塑料冻结管对温度场的分布有较大影响。为获得使用塑料冻结管液氮冻结温度场的分布规律,以相似理论为基础,使用塑料冻结管进行上海淤泥质黏土的液氮冻结物理模拟试验,得出结论如下:沿塑料冻结管长度方向,冻结管壁的温度差别较大,造成不同位置冻结壁的发展范围不均匀,在冻结循环的末端管壁温度最高,冻结效果相对较差。冻结形成冻结区内的温度分布曲线较陡直,而在冷却区的温度分布曲线较平缓,其温度梯度较使用钢管的液氮冻结时小。在土层性质确定的情况下,液氮灌注状况、冻结管间距、冻结时间是影响液氮冻结效果的主要因素。冻结过程中,采用较小的冻结管间距,可以加快冻结速度,缩短冻结时间,发挥液氮冻结优势。研究结果表明,塑料冻结管可以应用于液氮冻结加固施工,研究成果可以为液氮冻结的工程应用提供有益的参考。     

斜井液氮补强冻结温度场分布特征

 针对地下有流水时盐水帷幕冻结方法无法形成封闭冻结壁的情况,采用液氮低温快速冻结的方式对未封闭区域进行补强冻结,对施工过程中土体的温度场分布进行监测和分析,得出以下基本结论：冻结管出口氮气温度低于－100 ℃时,冻结管内处于氮气和液氮的混合状态,可以有效发挥液氮快速冻结的优势,而供液管上开孔的结构,会影响冻结管内不同位置液氮量的分布,从而影响冻结效果。由于地下水流动会带走部分冷量,冻结区域封闭前后,土体降温速度差别较大,并且地下水的流动会影响冻结壁温度场的分布规律。由于液氮气化温度低,所以冻结形成的冻结壁温度梯度大,均匀性较差;停止冻结后,冻结孔位置土体温度升高迅速,而远离冻结孔的土体升温缓慢,这样缩小了冻结壁内的温度梯度。研究结果表明,利用液氮快速冻结的特点,进行盐水帷幕冻结下的补强冻结,可以有效封堵地下流水,解决盐水冻结不能形成封闭冻结帷幕的难题。     

常州砂性地层联络通道解冻规律研究

人工冻结联络通道施工常采用跟踪注浆解决软弱地层工后融沉问题,为此必须掌握解冻温度场的变化规律。以常州市轨道交通1号线某隧道联络通道冻结法施工为背景,将冻结阶段现场实测与温度场数值模拟进行对比,验证数值模拟方法正确性,并通过数值模拟对自然解冻与强制解冻规律进行分析。结果表明,60 ℃~90 ℃循环热水强制解冻周期为33.5~22 d,较自然解冻周期的160 d缩短了5~7倍,不同温度的强制解冻解冻周期大致呈线性变化。强制解冻完成次序依次为上部结构、冻结管内侧土体、冻结管外侧土体、集水井底部。冻结壁厚度不同工程可采用不同温度热水循环进行强制解冻,冻结壁厚度较薄时可适当降低热水温度;强制解冻融沉注浆前期应将重点放在联络通道上部结构侧边及顶部,后期应将重点放在底部。     

人工冻结粉土未冻水含量测试试验研究

未冻水含量测试是冻土科学研究中的一个重点和难点问题。为测定粉土中未冻水含量,将小体积土样冻透后,放置在温度恒定的空气中,依靠自然对流加热融化,记录其中心温度–时间变化曲线。根据牛顿冷却定律,建立一个反映冻土温度随时间变化的计算模型,应用该模型拟合温度–时间曲线的融土部分,得到融土与空气表面的对流传热系数;拟合温度–时间曲线的相变部分,确定某地区的粉土冻结点。根据冰的质量和相变过程吸收热量的关系,建立冻透状态下未冻水含量的计算模型及测试方法。应用该方法进行粉土未冻水含量测试,结果表明,该粉土冻结至－4 ℃时未冻水含量在3.75%左右。反演土样融化过程的理论计算温度与实测值吻合较好,表明了提出的理论模型及测试方法的可行性。     

冻结加固盾构端头土体温度场数值分析

在人工冻结加固盾构到达端头土体施工过程中,土体温度是关系到冻土帷幕发展情况以及确定盾构机推进时机的重要参数。以南京地铁二号线集庆门车站北端头盾构进洞冻结加固工程为背景,利用大型有限元数值分析软件建立数学模型对冻结和自然解冻温度场进行计算,研究了多圈水平冻结条件下温度空间分布及温度随时间变化规律,并对左线开挖后垂直冻结管停冻和不停冻两种方案对温度场的影响进行对比,研究表明:采用多圈水平冻结并合理布置冻结圈径可以显著加快冻结壁的形成,从而缩短工期;自然解冻时存在两个解冻锋面,其中管片散热对解冻影响较大;自然解冻时温度上升速率先快后慢,而解冻锋面推进速度则越来越快;在左线开挖后可以停止左、右线洞门之间垂直冻结管的冷媒循环,同样能够保证右线冻结壁厚度达到设计要求。