新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究.pdf

第1期（总第232期）2024 年 2 月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGN o.1 (S e r i a l N o.2 3 2)F e d.2 0 2 4136新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究陈 培 新（上海隧道工程有限公司 盾构工程分公司，上海 200127）摘要：冻结孔钻孔及封孔是冻结法连接通道施工的关键环节，其每个环节的质量控制不当均可能引起施工风险。结合以往冻结法连接通道冻结孔施工过程中的风险案例，分析常规冻结孔钻孔密封及封孔工艺存在的不足，研究 1 种新型预埋孔口管的冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术，同时通过试验验证工艺的可行性，为以后冻结法连接通道安全施工提供支撑。关键词：冻结法；连接通道；冻结孔钻孔；预埋孔口管；封孔中图分类号：U455 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2024）01-0136-05收稿日期：2023-04-21作者简介：陈培新（1985），男，高级工程师，硕士，主要从事隧道工程施工及相关方面的研究。DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2024.01.030随着城市的不断发展，城市功能需求越来越高，向地下空间延伸的要求日渐增多。机械法地下隧道以其适用于多种地质、施工精确度高、隐蔽性好、噪声及振动引起的环境影响小、施工质量高、作业安全、挖掘措施经济等优点在我国地下空间开发过程中得到了长足的发展和应用。众多的地下隧道开发，存在许多相互连通的需求，如轨道交通和公路隧道设置的联络通道、深层排水隧道管网与入流井之间的横通道。目前，地下连接通道大都采用冰冻法矿山暗挖，其施工的好坏直接影响到隧道结构和隧道功能。冻结法连接通道施工主要包括冻结孔钻孔、积极冻结、开挖构筑、冻结孔封孔、充填及融沉注浆等阶段1。冻结孔钻孔及封孔施工时作业空间小、施工环境较差、施工质量的控制难度较大，容易引发渗漏风险，特别是带泵房的连接通道位于隧道最低点，渗漏引起水土涌进隧道会在短时间内失去抢险的空间，从而引发周边环境的安全风险。本文首先进行传统冻结孔钻孔密封及封孔技术和工程风险案例的分析，研究冻结孔传统工艺的不足及其不同阶段渗漏发生的原因，然后通过将孔口管预埋在隧道管片结构中、设置多道密封保证钻孔施工的安全，结合预埋结构优化封孔工艺，提高冻结孔钻孔及封孔施工的安全性和可靠性，相关结构通过试验验证工艺的可行性，为冻结孔施工工艺升级提供依据。1 传统冻结孔密封及封孔工艺分析1.1 冻结孔钻孔密封及封孔工艺目前，冻结法连接通道施工一般在主隧道贯通后进行，冻结孔施工主要采用夯管法和跟管钻进法2。冻结孔钻孔施工需要在隧道管片上按照冻结管设计位置及角度使用水钻开孔安装孔口管，冻结管钻孔时的密封为孔口管、闸阀、孔口装置、密封垫、盘根及压紧装置组成的密封体系，见图 1。冻结孔施工完成后孔口管与冻结管之间的环形空间需要先通过旁通阀进行注浆填充，然后拆除密封装置利用环形钢板进行焊接封闭，见图 2。冻结孔封孔首先将孔口管和冻结管割除至管片内一定深度，剩余冻结管填充水泥砂浆，然后利用钢板焊接封堵孔口管，孔内安装 2 根膨胀螺栓，最后砂浆抹平后再设置封孔盖板，见图 3。1372024 年第 1 期陈培新：新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究地层隧道管片膨胀螺丝孔口管密封垫闸阀密封垫孔口装置钻杆压紧装置盘根小闸阀钢板图 1 冻结孔钻进时常规密封体系混凝土管片冻结管环形钢板一膨胀螺栓旁通阀环形钢板二环形空间孔口管图 2 冻结孔环形空间封闭膨胀螺栓混凝土管片冻结管膨胀螺栓封孔盖板孔口封板砂浆填充地层图 3 冻结孔常规封孔措施1.2 传统工艺存在的问题1）冻结孔钻孔密封效果差。钻进施工时冻结管与孔口装置之间采用盘根进行密封，耐压能力较差，无法抵抗外界地层的水土压力，钻孔过程中存在一定程度的水土流失。闸阀的设置只能在岩芯钻杆钻穿管片后拔出时能够发挥作用，一旦冻结管钻进进入地层就会因冻结管的存在而失去保护作用。某城市轨道交通联络通道隧道顶部埋深约34.3 m，位于1黏土、2粉质黏土地层，下部冻结管进入2T粉砂地层，渗透系数为 1.2510-4 cm/s，隧道下部 1 根冻结管钻进 4.2 m 时发生闸阀与孔口装置之间的密封垫破坏，引起外界水土进入隧道，见图 4，钻孔设备无法将冻结管全部拔除，旁通阀压注双液浆因水头压力过大无法封堵通道，最后通过在渗漏点处包裹布料形成靠山后压注聚氨酯才堵住渗漏通道，大量的水土流失导致隧道管片产生碎裂，隧道结构最大沉降 21 mm，收敛变形最大7 mm，联络通道上方地面沉降最大 42 mm。图 4 密封垫破损引发的冻结孔渗漏2）环形空间封闭措施可靠性不足。冻结管路连接完成后积极冻结会引起土体冻胀，环形空间封闭钢板会受到外界水土压力和冻胀力的作用，一旦焊接质量不好就会引起冻结孔渗漏。某城市轨道交通联络通道隧道顶部埋深为21.9 m，位于1-1砂质粉土夹粉质黏土、1-2砂质粉土地层，其中层为承压含水层，渗透系数为2.0110-4 cm/s，积极冻结时土体产生冻胀引起地层压力增大，隧道下部 2 处冻结管的环形空间封闭钢板处脱焊，冻结管弹出引起渗漏导致大量水土流失、地面塌陷和管片碎裂，见图 5，最后通过隧道内反压、地面压注聚氨酯才封堵渗漏通道，隧道结构最大沉降 112 mm，收敛变形最大 36 mm，联络通道上方地面最大沉降 125 mm。图 5 环形钢板封闭钢板脱焊引起的渗漏1382024 年第 1 期陈培新：新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究3）冻结封孔措施渗漏风险大。冻结加固体解冻后冻结孔封孔会受到原状水土压力的作用，施工质量控制不当会引发渗漏风险，见图 6。图 6 封孔施工不当引起的渗漏某城市公路隧道连接通道顶部埋深为 32.3 m，位于2黏质粉土夹粉质黏土层，冻结封孔后停冻20 多天，10 多处孔封孔盖板出现了不同程度的局部鼓突状态，2 孔变形严重引起水土流失，最终通过渗漏点上方注入高性能快凝聚氨酯和冻结孔孔口四周包围焊接钢板箱罩封堵渗漏通道，隧道结构沉降最大为 4 mm，收敛变形最大 2 mm，联络通道上方地面最大沉降 24 mm，联络通道结构沉降最大为5 mm。2 新型冻结孔密封及封孔技术研究针对传统工艺存在的问题，为了控制冻结孔施工阶段的风险，冻结孔孔口管临时结构结合钻孔和封孔要求与管片结构一体化设计，冻结孔设计时避开管片主筋、手孔及管片防水条位置，满足施工和管片永久结构的需求。2.1 冻结孔组合密封体系冻结孔孔口管结构设计为预埋部分和外接部分。管片生产时将孔口管预埋部分、钢闷头、手孔盒子等组合预埋件按照冻结孔位置及设计角度进行预埋，见图 7。冻结孔施工阶段将钢闷头及泡沫取出，孔口管外接部分与孔口管预埋部分通过丝牙和密封橡胶圈进行连接，见图 8。预埋孔口管结构可以避开主筋、手孔和防水结构，提高安装固定的可靠度和施工效率。冻结孔钻进时采用组合式密封装置，以孔口装置、2 道橡胶密封垫为基础组合，每道橡胶密封垫及两侧的法兰通过螺栓压密，冷冻管插入密封垫，密封垫产生弹性变形箍紧冷冻管起到止水效果，2 道橡胶密封垫之间的腔体通过孔口装置的旁通球阀压注密封油脂，形成共同止水，同时可以根据隧道外地层水土压力选择多道组合形成多腔密封止水，最后 1 道橡胶密封垫设置端部压板，防止密封垫反转，见图 9。冻结孔组合密封体系提高了钻孔阶段的密封效果。手孔盒子密封橡胶圈钢闷头泡沫止水橡胶圈孔口管预埋部分主隧道管片图 7 隧道管片预埋孔口管结构手孔盒子密封橡胶圈止水橡胶圈孔口管预埋部分主隧道管片孔口管外接部分旁通球阀图 8 钻孔阶段孔口管结构手孔盒子主隧道管片孔口管外接部分孔口管预埋部分止水橡胶圈密封橡胶圈临时闷头冻结管端部压板螺栓连接孔口装置密封油脂橡胶密封垫0.5 寸旁通球阀1 寸旁通球阀图 9 钻孔钻进阶段密封结构2.2 环形空间双重密封冻结孔钻孔注浆结束，拆除孔口装置，保留 1道橡胶密封垫，再安装封闭套管，封闭套管与冻结管焊接固定，橡胶密封垫和封闭套管共同构建积极冻结期间的密封，提高冻结期间环形空间密封的可靠度，避免积极期间出现冻结管与孔口装置之间的焊接破坏，见图 10。1392024 年第 1 期手孔盒子主隧道管片孔口管外接部分孔口管预埋部分1 寸旁通球阀橡胶密封垫冻结管临时闷头环形空间封闭套管环形钢板水泥浆液图 10 钻孔后密封结构2.3 冻结孔可靠封孔连接通道施工完成后停止冻结，将冻结管内部盐水放出，拆除封闭套管和孔口管外接部分，将冻结管割除至管片内一定深度后利用水泥砂浆或混凝土将冻结管填充密实，然后拧紧钢闷头，钢闷头与手孔盒子焊接加固，最后利用水泥砂浆将手孔盒子抹平。后期封孔采用钢闷头与预埋孔口管之间的螺丝+橡胶圈+焊接的方式，效率和可靠性更高，冻结加固体融沉后封孔处不易产生渗漏，同时最后水泥砂浆将手孔盒子抹平，隧道外观更好，见图 11。手孔盒子冻结管孔口管预埋部分主隧道管片水泥浆液钢闷头水泥砂浆图 11 冻结孔封孔结构3 新型冻结孔密封及封孔试验3.1 孔口管预埋件水压试验为了验证孔口管预埋结构的防水性能，预埋件加工组装完成后利用 G 型夹具、密封钢板和密封垫圈进行水压试验，观察其渗漏情况，见图 12。密封钢板设置 2 根不锈钢软管作为装置的进水口及排气口，注满水后关闭排气口进行分级加压试验，00.4 MPa 每升压 0.1 MPa 稳压 5 min，0.50.7 MPa每升压 0.1 MPa 稳压 15 min，达到设计压力 0.8 MPa时稳压 30 min。通过试验，水压力达到设计压力0.8 MPa，孔口管预埋件未有漏水情况出现，孔口管预埋结构的水密性符合要求，见表 1。陈培新：新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究不锈钢软管G 型夹具密封钢板孔口管预埋件压力表加压装置图 12 孔口管预埋件水压试验装置表 1 孔口管预埋件水压试验统计表序号压力值/MPa稳压时间/min渗漏情况10.15未渗水20.25未渗水30.35未渗水40.45未渗水50.515未渗水60.615未渗水70.715未渗水80.830未渗水3.2 冻结孔密封水压试验冻结管一般采用 89 mm 的无缝钢管，冻结孔密封是通过橡胶密封垫的弹性变形箍紧冻结管形成止水，同时还需考虑过大的撑开系数可能导致橡胶的撕裂。橡胶密封垫参考盾构始发洞门袜套的材料，采用硬度为邵尔 A 605橡胶材料，厚度为15 mm，设计3种撑开系数分别为1.5（58 mm）、1.7（52 mm）、1.9（48 mm）的橡胶密封垫。试验首先将冻结管插入橡胶密封垫观察撑开情况，同时反复撑开验证密封垫的疲劳破坏，然后将冻结管、单道橡胶密封、密封装置、预埋孔口管管片、反力体系连接起来，见图 13，利用旁通阀加水观察渗漏情况，分级加压试验，每升压 0.1 MPa 稳压15 min。通过试验，3 种规格的密封垫均未出现撕裂现象，反复撑开未出现疲劳破坏，冻结孔单道橡胶密封的耐水压能力能够达到 0.6 MPa，橡胶密封效果较好，见表 2。综合考虑橡胶搭接长度、撑开效果、施工因素选用撑开系数为 1.7 的橡胶密封垫。冻结管预埋孔口管管片冻结管密封装置千斤顶反力架图 13 冻结孔密封结构水压试验装置1402024 年第 1 期陈培新：新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔施工技术研究表 2 冻结孔密封结构水压试验统计表序号压力值/MPa稳压时间/min橡胶密封垫内径 48 mm 内径 52 mm 内径 58 mm10.115未渗水未渗水未渗水20.215未渗水未渗水未渗水30.315未渗水未渗水未渗水40.415未渗水未渗水未渗水50.515未渗水未渗水未渗水60.615未渗水未渗水未渗水70.715未渗水少量渗水少量渗水80.815少量渗水少量渗水少量渗水3.3 冻结孔钻孔试验为了验证冻结孔钻进时的实际工况，室外场地利用跟管钻进设备模拟冻结管钻孔过程。钻进过程中钻机 1824 min 能够钻穿管片，但是钻杆的高速旋转引起了橡胶密封垫的较大磨损，磨损量达到 8 mm，后续在钻进前，在钻杆上涂抹黄油润滑减小摩擦，橡胶密封未再出现磨损，橡胶密封垫能够适应高速转动的实际工况，孔口管拆除后进行封孔，封孔过程简单，隧道观感好，钻孔试验相关照片见图 14。a）冻结孔钻孔 b）钻穿管片 c）钻进后密封垫 d）钢闷头封孔图 14 钻孔试验相关照片4 结语通过冻结法连接通道传统钻孔密封及封孔工艺和施工案例的分析，传统冻结孔钻孔易破坏管片结构，钻孔时的密封耐压效果差，后期冻结孔封孔工艺复杂且效果差，容易引起工程风险。本文研究了新型冻结法连接通道冻结孔钻孔密封及封孔结构，并通过试验验证了工艺的可行性。1）孔口管预埋结构密封性能较好，能满足0.8 MPa 水压要求，同时钢闷头可以用于后期封孔。2）冻结孔组合式密封结构单道橡胶密封垫能满足 0.6 MPa 水压要求，双道橡胶密封及密封油脂能够满足当前大部分连接通道的施工要求，同时可选择多道组合形成多腔密封止水应对更为复杂的工况。3）新型结构能够适应当前钻孔设备的施工要求，封孔工艺简单，能够提升冻结孔施工的施工效率和安全性。参考文献:1 陈湘生.地层冻结法 M.北京:人民交通出版社,2013.2 朱径,马进.长距离水平冻结孔施工技术在广州地铁的应用 J.安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2006(5):12-15161ABSTRACTSResearch Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China;2.School of Transportation,Southeast University,Nanjing 211189,China)Abstract:In response to the regional traffic problems during peak hours in the morning and evening of Shanghais airport,optimization models for single roads such as North Guangshun Road,Xiehe Road,Fuquan Road,and Jinzhong Road were constructed,as well as variable lane cluster control and signal timing optimization models for the airport area road network based on multi-objective programming and hybrid genetic algorithm.Quantitatively compare from two dimensions:traffic efficiency and environmental emission benefits.The results showed that the proportion of improvement in morning peak hours after variable lane cluster control and signal timing optimization was greater than that in evening peak hours,and the optimization of road network traffic efficiency and environmental emission benefits reached 17.46%and 20.53%,respectively.The optimization effect of variable lane clusters is more significant and stable than that of single lanes,which is more conducive to the overall improvement of road network traffic efficiency.The research conclusion can provide theoretical support and reference for the intelligent control of urban variable lane clusters.Key words:variable lane cluster control;signal timing optimization;multi-objective planning;hybrid genetic algorithm;traffic efficiency;environmental emission benefitsAnalysis&Application of Comprehensive Utilization of Surplus Space in Shield TunnelsZHU Jie(Shanghai Urban Construction Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200125,China)Abstract:The surplus space below the shield tunnel is used as a passage for municipal pipelines,which improves the comprehensive utilization rate of shield space resources and also solves the needs of municipal pipeline construction.It is low-carbon,environmentally friendly,and has good economic benefits.There is a DN1 200 water supply pipe installed in the Zhuhai Avenue Tunnel,with reserved channels for high-voltage power pipes and communication pipes.In conjunction with the Zhuhai Avenue Tunnel project,the compliance of municipal pipelines with tunnel construction will be studied.Focus on analyzing the process layout,entry and exit tunnel routing,lifting and transportation routes,and construction timing of municipal pipelines,and propose the construction steps for the DN1 200 water supply pipe to be synchronized with the shield tunneling main body and the later construction of power cables.At the same time,an analysis is conducted on the safety of municipal pipelines during tunnel construction.Measures such as setting maintenance valves,exhaust valves,and drain valves are adopted for the water supply pipes,and the tunnel wastewater drainage system is used to discharge water from the pipelines.Finally,research the fire safety measures for high-voltage power cable cabins to ensure the safe operation of tunnels and municipal pipelines.Key words:shield tunnel;excess space;comprehensive utilization;process layout;lifting construction;pipeline drainageResearch on Drilling Sealing&Sealing Construction Technology for Freezing Holes in New Freezing Method Connection ChannelsCHEN Pei-xin(Shield Engineering Branch,Shanghai Tunnel 162ABSTRACTSEngineering Co.,Ltd.,Shanghai 200127,China)Abstract:Drilling and sealing of frozen holes is a crucial step in the construction of connecting channels using the freezing method.Improper quality control in each step may lead to construction risks.Based on previous risk cases in the construction process of freezing holes connecting channels using the freezing method,this paper analyzes the shortcomings of conventional freezing hole drilling sealing and sealing technology,and studies a new type of freezing method connecting channel freezing hole drilling sealing and sealing construction technology for pre-embedded hole mouth pipes.At the same time,the feasibility of the technology is verified through experiments,providing support for the safe construction of freezing method connecting channels in the future.Key words:freezing method;connecting channels;freeze hole drilling;pre-embedded orifice pipe;sealing holesResearch on the Method of Big Data Quality Evaluation for Municipal EngineeringZHANG Wen-ting(China Municipal Engineering Central South Design&Research Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China)Abstract:Big data has been widely used in municipal engineering,but the problems of sparsity and low quality of big data need to be solved urgently.Therefore,a method for evaluating the quality of big data is proposed,which includes 7 primary characteristic indicators,38 secondary measurement indicators,and an arithmetic weighted average calculation formula.The practical cases of topographic maps and BIM libraries verify that the method is applicable,effective,and correct,and it has certain reference value for the practical application of big data quality evaluation in municipal engineering.Key words:big data;quality;evaluation methodExploration of Economic Refined Design Method for Bridge Pile Foundations in Soft Soil RegionsZHAI Dong(Tongji University Architectural Design&Research Institute Group Co.,Ltd.,Shanghai 200092,China)Abstract:In order to fully leverage the economic benefits of bridge pile foundations during the design phase,starting from the theoretical basis of calculating the bearing capacity of drilled cast-in-place piles in soft soil areas,the index of vertical bearing capacity provided by the concrete volume of unit volume pile foundation is proposed.Through further theoretical formula derivation,multi-dimensional analysis and summary of the changes in indicators that affect the economic performance of pile foundations are conducted,providing reference for further optimizing the design methods of pile foundation economic performance in engineering practice.By analyzing the contribution ratio and parameter sensitivity of the diameter and length of drilled cast-in-place piles to the bearing capacity of pile foundations in different soil layers,a more economical and efficient adjustment direction for pile foundations can be obtained,and further correction can be made based on local comprehensive unit prices to guide pile foundation design and selection,and to achieve high economic benefits.Key words:bridge pile foundation;bored cast-in-place piles;pile foundation bearing capacity;economic indicators;design methods