冷凍法在地鐵盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道富水細(xì)砂層關(guān)鍵技術(shù)

穆永奎

（中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222）

1 工程概況

南寧市地鐵3號(hào)線01號(hào)標(biāo)段的北湖北路站至秀峰站區(qū)間線路總長(zhǎng)1310.453m。在區(qū)間內(nèi)部的1.2#兩處設(shè)計(jì)為聯(lián)絡(luò)通道，該通道的結(jié)構(gòu)為直墻圓拱結(jié)構(gòu)，通道整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為凈寬2.7m，高度為3.0m，本文主要以1#聯(lián)絡(luò)通道來(lái)講述冷凍法技術(shù)的具體應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)前期的水文地質(zhì)勘探，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造主要為粉細(xì)砂層、圓礫層。這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅承載著巨大的水壓，同時(shí)存水量豐富地層結(jié)構(gòu)非常不穩(wěn)定，所以在施工過(guò)程中需要選擇使用冷凍技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)地層穩(wěn)固。

2 冷凍施工

2.1 冷凍施工設(shè)計(jì)

在擬構(gòu)筑聯(lián)絡(luò)通道及泵站位置設(shè)計(jì)隧道中心距13.4m。施工范圍內(nèi)的土層主要為③4粗砂、③5礫砂、部分為⑤3-1強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、⑤3-2中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。采用JYSLG16F-M型冷凍機(jī)組，額定制冷量為86000kcal/h。施工凍結(jié)總需冷量為70430kcal/h，冷凍機(jī)組電機(jī)額定功率為125kW。凍結(jié)制冷施工冷卻水用量為15m3/h，凍結(jié)孔設(shè)計(jì)間距0.5～1m，孔數(shù)69個(gè)。另設(shè)測(cè)溫孔8個(gè)，卸壓孔4個(gè)。凍土墻設(shè)計(jì)厚度為1.8m，鉆孔設(shè)備采用MD-80A鉆機(jī)，凍結(jié)管采用低碳無(wú)縫鋼管（Ф89×8mm），凍結(jié)管總長(zhǎng)度585m。主要凍結(jié)施工參數(shù)見(jiàn)表1，凍結(jié)孔斷面布置圖見(jiàn)圖1。

表1 主要凍結(jié)施工參數(shù)一覽表

續(xù)表

圖1 凍結(jié)孔斷面布置圖

2.2 施工方案

（1）凍結(jié)帷幕。

通過(guò)前期勘測(cè)以及動(dòng)土物理學(xué)的試驗(yàn)指標(biāo)，將凍結(jié)設(shè)計(jì)值設(shè)定為：?jiǎn)屋S的抗壓力≥3.6MPa，承載的折抗拉≥1.8MPa，抗剪力≥1.6MPa。將通道的凍結(jié)帷幕厚度值設(shè)定為1.8m的厚度。

（2）凍結(jié)孔布置。

通過(guò)對(duì)比分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將聯(lián)絡(luò)通道設(shè)定為左右兩側(cè)的雙隧道凍結(jié)孔，共計(jì)57個(gè)。鋪設(shè)的凍結(jié)管路使用20#的無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)要求開(kāi)孔位置之間的誤差不得超出100mm，施工過(guò)程匯總要避開(kāi)接縫、螺栓、主筋等位置［2］。

在凍結(jié)孔開(kāi)孔之前，應(yīng)嚴(yán)格按圖紙要求，根據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn)，用全站儀精確放樣點(diǎn)位。凍結(jié)孔開(kāi)孔采用二次開(kāi)孔工藝，在混凝土管片上一次開(kāi)孔采用Φ121mm金剛石取芯鉆鉆進(jìn)250mm。安裝孔口管，孔口管用Ф121×5mm無(wú)縫鋼管加工，砼管片上的孔口管頭部加工250mm長(zhǎng)的魚(yú)鱗扣，安裝時(shí)在魚(yú)鱗扣外面纏繞麻絲，孔口管設(shè)1個(gè)4分球閥，用于成孔后注漿固管，防止漏水。對(duì)于鋼管片上的凍結(jié)孔，則將孔口管直接焊接在鋼管片上，并用雙快水泥及鋼板將孔口管固定。二次開(kāi)孔前，在孔口管上安裝DN100球閥及壓緊裝置?？卓趬壕o裝置示意圖如圖2所示。本工程共鉆孔81個(gè)，其中對(duì)穿孔4個(gè)，非對(duì)穿凍結(jié)孔65個(gè)，測(cè)溫孔8個(gè)，卸壓孔4個(gè)。

圖2 孔口壓緊裝置示意圖

2.3 施工流程

關(guān)于冷凍法在施工過(guò)程中的應(yīng)用可以參考圖3的施工工藝流程。

圖3 施工流程圖

2.4 凍結(jié)管路的安裝

（1）在凍結(jié)管道之間選擇絲扣連接的方式，在完全擰緊后再利用電焊技術(shù)進(jìn)行焊接，以確保整個(gè)管路的強(qiáng)度。

（2）凍結(jié)管路的鋪設(shè)長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)大于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。如果是不需要參與制冷的管路則可以在鋪設(shè)時(shí)低于150mm。

（3）在完成管路鋪設(shè)后還需要對(duì)管路進(jìn)行復(fù)測(cè)，并結(jié)合測(cè)斜儀器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，如果孔洞的間距距離超出其容許的間距值，則可以選擇使用補(bǔ)孔或者是延長(zhǎng)整體的凍結(jié)時(shí)間來(lái)進(jìn)行處理。

（4）在測(cè)定完管道長(zhǎng)度以及偏側(cè)值之后，則需要對(duì)管道進(jìn)行打壓測(cè)試。在打壓之前將壓力值控制在0.8MPa，測(cè)試前期15min之內(nèi)的壓力損失值是否小于0.05MPa，同時(shí)測(cè)量其在后30min內(nèi)如果沒(méi)有明顯的壓力變化，則可以認(rèn)為是合格的管路。如果試壓不合格，則需要重新進(jìn)行管路的鋪設(shè)。

3 凍結(jié)施工的技術(shù)應(yīng)用

（1）施工前期準(zhǔn)備。由于施工區(qū)域不同，因此地質(zhì)構(gòu)造各有不同，所以在施工前期必須做好相應(yīng)的勘測(cè)工作，并依據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況選擇專業(yè)技術(shù)較強(qiáng)的施工單位進(jìn)行施工。

（2）管片壁后注漿。在施工過(guò)程中可能會(huì)在凍結(jié)時(shí)出現(xiàn)砂涌、水涌的情況，為了避免這一情況的發(fā)生，需要先對(duì)管片壁進(jìn)行漿液注漿，所使用的水泥漿的水灰比例為1∶1。

（3）管片上鉆孔。為了避免出現(xiàn)砂涌、水涌的問(wèn)題，需要在進(jìn)行凍結(jié)孔鉆孔前，安裝對(duì)應(yīng)的孔口閥和孔口管。在安裝過(guò)程中需要注意鉆孔之間的連接要符合要求，不得出現(xiàn)縫隙。同時(shí)在完成安裝之后還需要進(jìn)行打壓測(cè)試，確保其密封性能［3］。

（4）凍結(jié)管的安裝。在安裝凍結(jié)管路的時(shí)候需要采用夯實(shí)的技術(shù)方式，結(jié)合設(shè)計(jì)要求所設(shè)定的管道的安裝位置和方向以及安裝深度，將凍結(jié)管打入地層之中，在進(jìn)行夯實(shí)的過(guò)程中要確?？卓诘拿芊庑?，確保能夠發(fā)揮其防噴濺的作用。

一般來(lái)說(shuō)在進(jìn)行凍結(jié)扣打入時(shí)要求其不得超出設(shè)計(jì)的施工深度。而且其孔位之間的距離偏差不得超出100mm，同時(shí)方向位置的偏差不得超出1%。如果超出則需要進(jìn)行補(bǔ)孔。

（5）安裝凍結(jié)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于施工管線較長(zhǎng)，為了確保凍結(jié)的質(zhì)量，在進(jìn)行管路安裝時(shí)必須要安裝對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和凍結(jié)系統(tǒng)。在進(jìn)行安裝時(shí)必須要盡可能地縮短管路的長(zhǎng)度，并做好相應(yīng)的保溫工作，以減少熱量損失帶來(lái)的能量損耗。在完成管路安裝之后，還需要針對(duì)管路進(jìn)行檢查，尤其使管路的密封情況進(jìn)行確認(rèn)，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏必須及時(shí)進(jìn)行處理。

（6）積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)。當(dāng)所有設(shè)備設(shè)施都檢查無(wú)誤之后則可以開(kāi)始進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中的溫度、壓力等數(shù)值指標(biāo)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求之后就可以進(jìn)行“積極凍結(jié)”的測(cè)試。通常情況下，凍土帷幕的土體在凍結(jié)作用下的降溫相對(duì)緩慢，需要經(jīng)過(guò)7～10天才能夠達(dá)到-20℃。隨后完成凍結(jié)的土體會(huì)一直保持在0.5℃～1.0℃/d，再經(jīng)過(guò)38天之后，其土體的溫度才能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)要求［4］。

為了確保凍結(jié)的溫度保持在一定的溫度范圍內(nèi)，能夠完成通道的施工和襯砌的工作，需要在進(jìn)行聯(lián)動(dòng)通道和廢水泵房施工之前安裝好預(yù)應(yīng)力支架，從而確保整個(gè)施工過(guò)程的穩(wěn)定性。在進(jìn)行施工時(shí)還必須設(shè)置對(duì)應(yīng)應(yīng)急逃生門，以備安全之需。

開(kāi)始凍結(jié)后，要巡回檢查凍結(jié)器是否有斷裂漏鹽水的情況發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)鹽水漏失，立即關(guān)閉閥門。并根據(jù)鹽水漏失情況采取補(bǔ)救措施。在凍結(jié)過(guò)程中，需要每天檢測(cè)去、回路干管鹽水溫度，凍結(jié)器回路鹽水溫度，鹽水箱液位變化，冷卻水溫度，觀察凍結(jié)器頭部結(jié)霜是否有異常融化。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本工程冷凍站正常運(yùn)轉(zhuǎn)4天鹽水溫度降至-18℃，積極凍結(jié)15天鹽水溫度降到-24℃以下。截止到45天的降溫曲線圖見(jiàn)圖4，測(cè)溫孔降溫曲線見(jiàn)圖5。

圖4 鹽水降溫曲線圖

圖5 測(cè)溫孔溫度隨時(shí)間發(fā)展歷程

據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析：凍結(jié)最慢發(fā)展速度為22mm/d，以最慢發(fā)展速度計(jì)算45天凍土發(fā)展半徑r=22mm/d×45d=990mm。以發(fā)展半徑作圖分析聯(lián)絡(luò)通道處凍結(jié)帷幕厚度為1980mm；即聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕最薄弱處1.98m大于1.8m（設(shè)計(jì)值），滿足要求。平均溫度-11.06℃低于設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕平均溫度-10℃；管片壁后凍土帷幕平均溫度-9.96℃低于設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕平均溫度-5℃，達(dá)到開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)。

（7）永久結(jié)構(gòu)施工。開(kāi)挖需具備下列條件：經(jīng)探孔確認(rèn)凍土帷幕已交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度；平均溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值；安裝設(shè)計(jì)安裝隧道支撐和防護(hù)門；鋼管片上凍結(jié)壁內(nèi)泄壓孔和探孔無(wú)水、泥沙流出，即可進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開(kāi)挖與構(gòu)筑施工。

開(kāi)挖構(gòu)筑施工流程為：積極凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖構(gòu)筑施工準(zhǔn)備→鋼管片接縫焊接→隧道預(yù)應(yīng)力支撐安裝→打開(kāi)洞口鋼管片→通道掘進(jìn)與支護(hù)層施工→施工防水層→通道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層施工→泵房開(kāi)挖與臨時(shí)支護(hù)→泵房防水層施工→鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層施工→跟蹤注漿（見(jiàn)圖6）。

圖6 開(kāi)挖順序示意圖

主要技術(shù)措施：開(kāi)挖前對(duì)聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)隧道管片采用預(yù)應(yīng)力支撐加固；設(shè)計(jì)強(qiáng)度與鋼度較大的20#工字鋼+噴射混凝土臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)凍土帷幕穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)情況，可以調(diào)整支護(hù)步距并增加內(nèi)支撐，采取隨掘隨支的作業(yè)方式，以控制凍土帷幕變形；采取分步開(kāi)挖，先開(kāi)挖水平通道，施工完水平通道結(jié)構(gòu)層后再挖泵房；在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)凍土帷幕表面溫度和收斂進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整開(kāi)挖步距及支護(hù)強(qiáng)度；開(kāi)挖后及時(shí)對(duì)凍土帷幕進(jìn)行保溫；在整個(gè)施工過(guò)程中，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)地面建筑物和隧道變形，確保地面建筑和隧道安全。

（8）凍融的問(wèn)題。在凍土出現(xiàn)融化的情況下，土體會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、融沉的現(xiàn)象，造成盾構(gòu)隧道內(nèi)的管片受到不同方向的壓力擠壓，甚至?xí)?dǎo)致隧道上方的路面出現(xiàn)上浮的問(wèn)題。為了避免這一問(wèn)題出現(xiàn)，必須要在施工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，了解出現(xiàn)的斷面情況以及出現(xiàn)變形后采取積極地補(bǔ)救措施，從而確保整個(gè)盾構(gòu)隧道的施工安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

在結(jié)合南寧隧道工程施工案例的分析之后，可以了解到在富含水分的區(qū)域尤其是粉細(xì)砂地層的施工區(qū)域，選擇使用冷凍法的施工方式能夠發(fā)揮出其最佳的效果。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)，從施工前期準(zhǔn)備到完成施工沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一例安全施工和質(zhì)量問(wèn)題，圓滿完成了隧道安全施工的任務(wù)。