高流速富水砂層聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工技術(shù)研究

張曉磊

摘 要：結(jié)合北京地鐵6號(hào)線二期玉帶河大街站至郝家府站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，闡述聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工工藝，并通過整理工程實(shí)測數(shù)據(jù)以及工程實(shí)際出現(xiàn)的問題，分析了影響凍結(jié)帷幕形成的原因，最終在凍結(jié)帷幕薄弱區(qū)域采用補(bǔ)孔加固凍結(jié)等措施解決高水頭高流速全斷面富水砂層凍結(jié)難題，為以后類似工程提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：冷凍法；聯(lián)絡(luò)通道；流速；富水砂層；凍結(jié)帷幕

1 工程概況

北京地鐵6號(hào)線二期玉帶河大街站至郝家府站區(qū)間，區(qū)間于右線K39+50.000設(shè)置2#聯(lián)絡(luò)通道兼泵站，距離玉帶河大街站約790.8m，距離后加會(huì)展中心站約500m。2#聯(lián)絡(luò)通道中心標(biāo)高約為

-4.98m，地面標(biāo)高約為+20.45m，隧道中心間距為15.0m。2#聯(lián)絡(luò)通道及泵站正上方為楊坨村前銀杏樹林。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固如圖1-1所示。

2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道覆土主要為：粉土粘土填土①1層、粉土②層、細(xì)中砂②3層、中粗砂⑤1層、細(xì)中砂⑦層，圍巖穩(wěn)定性較差，較難形成自然應(yīng)力拱，施工過程中容易形成坍塌，存在一定的施工安全隱患。開挖范圍內(nèi)為細(xì)中砂⑦層：灰黃～灰色，密實(shí)，飽和，標(biāo)貫技術(shù)平均值為75，屬低壓縮性土，局部含粉細(xì)砂夾層；聯(lián)絡(luò)通道位于現(xiàn)狀潛水（二）水位線以下，側(cè)壁圍巖土體的再自穩(wěn)能力差，加上潛水（二）的影響，容易發(fā)生涌水涌砂和流土等不良現(xiàn)象，極易發(fā)生隧道坍塌。（表1）

2 凍結(jié)施工情況

2#聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)工程，共布設(shè)4個(gè)泄壓孔，左線X1、X2，右線X3、X4，泄壓孔原始?jí)毫Ψ謩e為0.1MPa、0.09MPa、0.1MPa和0.1MPa。到2014年2月9日，積極凍結(jié)26天，壓力升到0.15MPa、0.14MPa、0.15MPa和0.14MPa。到2014年2月24日，積極凍結(jié)41天，壓力未發(fā)生變化，期間也進(jìn)行泄壓，有持續(xù)清水流出，閥門關(guān)閉后，壓力迅速回升到0.15MPa。

根據(jù)凍結(jié)壁厚度測算出通道未凍區(qū)域方量約133方，由于加強(qiáng)孔距離側(cè)墻凍結(jié)約4m，加強(qiáng)孔未能將通道和集水井完全隔開，集水井與通道連通，集水井未凍結(jié)區(qū)域約20方，推算得到總未凍區(qū)約153方。根據(jù)地勘資料，該⑦號(hào)土層孔隙率約為0.39，活水方量約59.67方。同時(shí)參考1#聯(lián)絡(luò)通道，泄壓孔壓力最高也為0.15MPa。并持續(xù)泄壓，對泄壓量及水溫進(jìn)行測量記錄。

3月2日開始敞開泄壓孔泄壓，3月3日左線底部泄壓孔X2凍住，同時(shí)X1泄壓孔流量明顯減小，清水帶有氣體。從3月3日到3月12日一直持續(xù)泄壓，每天泄壓8小時(shí)，水流未見減小，泄水總量約30方。由于工期原因，擬增大放水量，故在左右線腰線往下30cm開泄壓孔，加大放水。3月13日到3月14日，大量泄壓，出水量約為38方，共計(jì)泄壓量約68方，后停止泄壓。2#聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)壁基本未交圈，可能有薄弱位置。

3 影響凍結(jié)帷幕閉合的原因排查及分析

地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程中，影響凍結(jié)帷幕閉合的原因有：

①水文地質(zhì)資料不準(zhǔn)確，凍結(jié)加固不穩(wěn)定含水層時(shí)，凍結(jié)深度凍結(jié)范圍不夠；

②所凍地層含鹽量高，較高的含鹽量將使得土層冰點(diǎn)降低、凍土帷幕厚度減小、凍土力學(xué)性能降低；

③凍結(jié)地層范圍內(nèi)水的流速過大，將地層中凍結(jié)管的冷量帶走；

④外界因素影響凍土溫度升高，使得凍土強(qiáng)度迅速降低，可能導(dǎo)致凍結(jié)帷幕部分位置形成漏洞；

⑤外部壓力大于凍結(jié)帷幕的支護(hù)力等。

2#聯(lián)絡(luò)通道右線施工探孔6個(gè)，對集水井三角區(qū)域進(jìn)行探測，集水井三角區(qū)域是否凍實(shí)，如集水井凍實(shí)，可確定通道某部位薄弱，再對通道可能薄弱區(qū)域進(jìn)行探測，逐步縮小范圍。先施工T8探孔，發(fā)現(xiàn)集水井處未凍實(shí)，隨后施工探孔T11，探測凍結(jié)壁，發(fā)現(xiàn)東側(cè)墻凍結(jié)壁在D29處薄弱且涌砂，有明顯與外界溝通跡象。

利用鉆機(jī)打深探孔測溫及相關(guān)凍結(jié)管縱向測溫進(jìn)行分析。此外并對薄弱位置凍結(jié)孔D29、D31、D33及右線底部孔D56進(jìn)行密封性試驗(yàn)檢測，檢測合格。鹽水箱鹽水液面穩(wěn)定，無鹽水漏失跡象。2014年3月25日，對西側(cè)墻D29、D31、D33及右線底部D56進(jìn)行縱向測溫，溫度隨位置變化如圖3-1所示。

從溫度曲線圖可以推斷，D29、D31處凍結(jié)壁薄弱，薄弱的范圍大約沿凍結(jié)管方向5-7m，豎向約2-3m。D33、D56處凍結(jié)壁基本完好。

根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《圓隧道旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》（2005），在地層凍結(jié)區(qū)域內(nèi)有地下水流速大于5m/d、有集中水流或地下水水位有明顯（≥2m/d）波動(dòng)的情況時(shí)，設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行深入分析并采取針對性措施。通過對玉帶河大街站～郝家府站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道地下水流速檢測發(fā)現(xiàn)，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道地下水流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的5m/d。

4 針對地下水流速快采取的具體措施

4.1 延長凍結(jié)時(shí)間

根據(jù)理論計(jì)算，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍土發(fā)展速度平均按20mm/d計(jì)算，交圈時(shí)間約為20～23天。在45天左右凍結(jié)壁厚度發(fā)展到2米以上。凍結(jié)壁發(fā)展示意圖如下。（圖4-1，4-2）

在45天的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行積極凍結(jié)，增加凍結(jié)壁發(fā)展厚度。

4.2 增加備用冷凍結(jié)機(jī)組

2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)總需冷量為7.4×104kcal/h，配備JYSLGF16型冷凍機(jī)組一套作為主運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)，7.4×104kcal/h<8.60×104 kcal/h。選擇一臺(tái)套YSLGF16型或相當(dāng)制冷能力的冷凍機(jī)組作為1#聯(lián)絡(luò)通道和2#聯(lián)絡(luò)通道及泵站共用備用機(jī)。將備用機(jī)和主運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)同時(shí)開啟，加大制冷量。

4.3 增加凍結(jié)孔

為確保安全及爭取工期，主要采取在凍結(jié)壁薄弱部位外側(cè)增加凍結(jié)孔為主。圖4-3中陰影部分為凍結(jié)薄弱區(qū)，位于聯(lián)絡(luò)通道的西北側(cè)，也是水流方向的迎水側(cè)，一共補(bǔ)打8個(gè)凍結(jié)孔，加快薄弱區(qū)域的凍結(jié)交圈速度。具體位置如圖4-3～圖4-6所示。

4.4 輔以在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁范圍內(nèi)注水化熱較小的漿液，降低地下水流速。

在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)范圍內(nèi)，局部地下水流速較大，實(shí)測達(dá)到15m/d，對凍結(jié)效果影響較大。為了加速薄弱環(huán)節(jié)凍結(jié)，確保凍結(jié)參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，本工程采用了注膨潤土措施，并有效地解決了地下水流速過大問題，使地下水流速降到8 m/d。施工過程中調(diào)配好膨潤土泥漿的稠度，在凍結(jié)區(qū)域地下水的上游，采用后退式注漿技術(shù)，使膨潤土盡可能滲入到凍結(jié)區(qū)域地層中，封堵地層中的孔隙，從而降低地下水在地層中的通過系數(shù)，保證了地層凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

①根據(jù)凍結(jié)帷幕形成機(jī)理，結(jié)合工程實(shí)際出現(xiàn)問題，分析了高水頭高流速下富水砂層地質(zhì)下影響凍結(jié)帷幕形成因素以及進(jìn)行原因排查采用的措施，為今后出現(xiàn)類似工程問題提供依據(jù)。

②在高水頭高流速富水砂層中，在鉆孔時(shí)采取二次開孔工藝有效地防止了涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，為今后富水砂層鉆孔施工提供了很好的指導(dǎo)意義。

③探孔是直接觀察凍結(jié)效果的有效手段，探孔測溫是檢驗(yàn)凍結(jié)帷幕形成效果的重要方法，對工程實(shí)踐有著重要意義。

④凍結(jié)帷幕薄弱區(qū)域采用補(bǔ)孔和注膨潤土進(jìn)行凍結(jié)加固是修復(fù)凍結(jié)帷幕的重要方法。

⑤本工程的施工技術(shù)研究通過相關(guān)控制措施總結(jié)出了相關(guān)工法施工的重要參數(shù)，為北京地區(qū)今后采用類似工法施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

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