富水礫砂地層中聯(lián)絡(luò)通道的冷凍加固施工技術(shù)①

□□ 王余鵬，韓 偉 (福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000)

引言

隨著城市地鐵建設(shè)發(fā)展，冷凍加固施工技術(shù)已成為地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工常用的技術(shù)。沈陽某地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道采用冷凍法施工，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，項(xiàng)目所處地層層序自上而下依次為：雜填土、中粗砂、礫砂、圓礫、礫砂、中粗砂、礫砂、中粗砂、礫砂，其中1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道在第9層礫砂層中，2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道在第7層礫砂層中。聯(lián)絡(luò)通道的地下水溫為11～13 ℃，屬冷水。地下水類型為第四系松散巖類空隙潛水，主要含水層厚度為30.0～30.7 m，主要賦存在中粗砂、礫砂及圓礫層中，穩(wěn)定水位埋深為16 m，屬水量豐富區(qū)[1]。

1 冷凍法鉆孔施工

1.1 鉆孔前準(zhǔn)備工作

1.1.1 冷凍孔孔位定位

點(diǎn)位確定必須由兩方人員放線復(fù)合，并在隧道內(nèi)的另一側(cè)做出投影點(diǎn)，方便定位及確定點(diǎn)位角度。放點(diǎn)位置必須避開管片縫與管片螺栓，距離管片縫與管片螺栓至少10 cm以上?？孜晃恢萌扛鶕?jù)設(shè)計(jì)院圖紙確定，通道左、右兩側(cè)單排孔的孔間距在0.4～0.6 m之間；豎排間距為0.4～0.6 m，按梅花形布置。

1.1.2 管片第一次開孔

管片第一次開孔(以下簡(jiǎn)稱“一開”)一般采用水鉆施工，視冷凍管型號(hào)選用水鉆，水鉆基座安裝時(shí)應(yīng)特別注意孔位、角度的復(fù)合，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)角度鉆孔，以保證鉆機(jī)鉆進(jìn)不會(huì)出現(xiàn)問題。如果水鉆鉆孔出現(xiàn)角度偏差，在鉆進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)鉆桿、鉆機(jī)搖擺的情況，導(dǎo)致大量漏水，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生孔口管、球閥將冷凍管卡住，無法鉆進(jìn)的情況。

1.1.3 管片第二次成孔

管片第二次成孔(以下簡(jiǎn)稱“二開”)是用Φ94的水鉆鉆頭將一開剩余管片鉆透(包括管片壁后注漿層)，成孔之后立即將水鉆鉆桿退出并將大球閥關(guān)上以防止水土流失。二開是施工工序中的第一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，原因如下：

(1)二開是第一次與地層條件接觸，管片壁后水土壓力、土體情況均不清楚。

(2)二開若使用水鉆施工，成孔條件為二開孔內(nèi)漏水、漏沙，此時(shí)地層與隧道之間的通道已經(jīng)打開，一旦操作不慎仍然會(huì)造成大量水土流失。

(3)若水鉆退出不及時(shí)或者水鉆鉆頭卡住也將造成無法阻止的水土流失，并且敞口大、地下水溢出流速大、水土流失量大。

1.2 鉆機(jī)定位

鉆機(jī)定位用吊線錘的方法按照三點(diǎn)一線(鉆頭、鉆機(jī)尾部、后視點(diǎn))找中，對(duì)中完畢后用量角器或找準(zhǔn)角度，當(dāng)角度與位置均符合要求后固定鉆機(jī)平臺(tái)與鉆機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)操作如圖1和圖2所示。

圖1 量角器確定鉆機(jī)角度

圖2 固定鉆機(jī)平臺(tái)、支架

1.3 冷凍孔鉆進(jìn)施工

冷凍孔鉆進(jìn)施工按是否需要鉆透對(duì)面管片可分為透孔施工與普通冷凍孔施工兩種。透孔施工一般先于其他冷凍孔施工，使用冷凍管鉆桿與金剛石取芯鉆頭，一次成孔。二次成孔主要用于鉆進(jìn)十分困難的地質(zhì)情況，具體情況為地層中含有大量大粒徑卵石、鉆進(jìn)距離長(zhǎng)、需要穿透管片壁后注漿體時(shí)，必須采用二次成孔方法。二次成孔鉆進(jìn)使用工業(yè)鉆桿配金剛石球齒鉆頭進(jìn)行開孔，鉆至指定深度后退管。退管過程中必須保持膨潤(rùn)土漿液的繼續(xù)注入。

1.4 冷凍管成孔后的工作

冷凍管成孔后須立即對(duì)冷凍管進(jìn)行封口注漿，注漿漿液采用單液水泥漿，單孔注漿量在0.5～0.8 m3之間。封口注漿的目的是將孔口管與管片之間、冷凍管與孔口管之間的縫隙填充密實(shí)，起到防水堵漏的作用，當(dāng)鉆進(jìn)水土流失嚴(yán)重時(shí)，還可通過封口注漿對(duì)底層進(jìn)行一次補(bǔ)償注漿，減小水土流失對(duì)底層沉降的影響。

1.5 泄壓孔的施工

泄壓孔在冷凍站對(duì)側(cè)設(shè)兩個(gè)，主要用于觀測(cè)管片壁后、凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力，是確定凍結(jié)帷幕是否交圈的重要觀察渠道之一。當(dāng)壓力達(dá)到0.3～0.4 MPa時(shí)可以開始泄壓，泄壓孔采用水鉆施工，在水鉆開孔全部破除管片并將注漿層鉆破后，將孔口DN50楔形鋼管安裝好，并以球閥封孔。然后連接量程為0.6 MPa壓力表，以測(cè)量壓力。

2 冷凍加固施工

2.1 冷凍站布置及組成

2.1.1 冷凍站的布置

冷凍站應(yīng)選設(shè)立在通風(fēng)良好的地方，以便于熱量排出?？梢赃x在地鐵車站地面廣場(chǎng)、車站地下二層平臺(tái)或者同界工作面附近的隧道內(nèi)。該工程的冷凍站設(shè)在工-文區(qū)間左線隧道內(nèi)，距離1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工作面20 m左右，距離2號(hào)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工作面46 m。

2.1.2 清水區(qū)組成

冷凍站由清水區(qū)與鹽水區(qū)組成。清水區(qū)主要承擔(dān)冷凍機(jī)的降溫排熱任務(wù)。該工程清水區(qū)由清水池、一個(gè)橫流箱、兩個(gè)冷卻塔、兩臺(tái)清水泵及兩臺(tái)大功率風(fēng)扇組成。清水區(qū)位置一般位于鹽水區(qū)的下風(fēng)向，冷卻水回路與每一臺(tái)冷凍機(jī)相連，通過清水池的清水泵提供動(dòng)力連接冷凍機(jī)形成回路，達(dá)到排熱降溫的目的。

2.1.3 鹽水區(qū)組成

鹽水區(qū)主要承擔(dān)冷媒劑的降溫任務(wù)，這是整個(gè)凍結(jié)工作中最重要的部分。只有保證冷媒劑不斷降溫或者持續(xù)低溫，才能保證凍結(jié)壁的持續(xù)發(fā)展與凍結(jié)強(qiáng)度。鹽水區(qū)主要由高壓變電器、高壓補(bǔ)償柜、高壓控制柜、3臺(tái)冷凍機(jī)(包括其配套的冷凍機(jī)控制柜)、鹽水箱、鹽水泵(2臺(tái)，兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道)、冷卻循環(huán)水干管、冷凍鹽水干管組成，其中冷卻循環(huán)水干管與清水區(qū)相連，冷凍鹽水干管與集配液圈、冷凍管相連。

2.2 冷凍鹽水循環(huán)回路的建立

冷凍鹽水循環(huán)回路是由冷凍去路干管輸送至配液圈，然后將鹽水分配至隧道對(duì)面的冷排管，使經(jīng)過制冷鹽水通過管壁與土體進(jìn)行熱量交換。冷凍鹽水循環(huán)回路主要包括回路干管、排污口、集配液圈、回路分組、冷凍管、冷排管等。

2.3 冷凍站的運(yùn)轉(zhuǎn)

2.3.1 冷凍鹽水循環(huán)回路的準(zhǔn)備工作

冷凍站開始工作前，應(yīng)對(duì)整個(gè)冷凍鹽水循環(huán)回路進(jìn)行清理、檢查。主要工作包括：清除冷凍鹽水干管內(nèi)的雜物、鐵銹；檢查循環(huán)回路是否存在滲漏現(xiàn)象；檢查鹽水去、回分組是否準(zhǔn)確；鹽水去、回路分組主要考慮冷凍鹽水的流量平均分配。

2.3.2 冷凍機(jī)的準(zhǔn)備工作

冷凍機(jī)電源、冷媒劑循環(huán)系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)均試運(yùn)轉(zhuǎn)能滿足冷凍機(jī)起機(jī)要求后，通過專用的充氟器對(duì)冷凍機(jī)進(jìn)行充氟，在正式充制冷劑之前應(yīng)進(jìn)行試充，系統(tǒng)壓力應(yīng)控制在0.2～0.3 MPa，并用專用儀器檢漏，合格后再正式充制冷劑。如圖3所示。

老年髖部骨折在臨床中常見，嚴(yán)重影響著老年人的健康及生活質(zhì)量，需要積極治療，但由于是老年群體，故而患者本人及家屬更愿意選擇非手術(shù)保守治療，但治療時(shí)間長(zhǎng)、需長(zhǎng)期臥床，可引起某些并發(fā)癥。而本研究結(jié)果表明，針對(duì)此類患者，采用手術(shù)方法治療的效果更佳，可縮短臥床時(shí)間，患者的肢體功能恢復(fù)更佳，故有一定的優(yōu)勢(shì)，適合在臨床中推廣。

圖3 充制冷劑

2.3.3 冷凍站的運(yùn)轉(zhuǎn)

冷凍機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況如下：

(1)制冷劑、冷媒、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的溫度、流量、壓力、液位應(yīng)正常。

(2)經(jīng)過3～7 d的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，去路鹽水能降至-20 ℃以下。

(3)凍結(jié)15 d后去路鹽水溫度達(dá)到-24 ℃以下[1]。

(4)冷媒溫度比制冷劑蒸發(fā)溫度高5～7 ℃。

(5)冷凝溫度應(yīng)高于冷卻水出水溫度3～5 ℃。

2.4 冷凍效果的檢驗(yàn)

冷凍效果的檢驗(yàn)方法主要包括測(cè)溫檢驗(yàn)與泄壓孔的壓力值觀察。

測(cè)溫檢驗(yàn)是在建立冷凍鹽水循環(huán)回路時(shí)，將專用的測(cè)溫線預(yù)埋在每個(gè)串聯(lián)分組的回路上或者在完成測(cè)溫孔時(shí)在0.6～4 m之間預(yù)埋兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。然后根據(jù)賽貝克原理，采用專用測(cè)溫線、精密萬用電表、零度基準(zhǔn)溫度對(duì)測(cè)點(diǎn)位置的溫度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)溫監(jiān)控孔是直接與土體接觸，并與冷凍管有一定距離(間距0.6～2 m)，以便于準(zhǔn)確檢測(cè)凍結(jié)壁厚度。

2.4.2 泄壓孔壓力值觀察

當(dāng)相互連接、互相咬合后，將形成一道隔水的凍結(jié)帷幕，使得原本存在于凍結(jié)帷幕內(nèi)的游離水被封鎖在凍結(jié)壁內(nèi)。當(dāng)凍結(jié)壁逐步的凍結(jié)膨脹，提升了凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力，當(dāng)從泄壓孔內(nèi)觀察到壓力有明顯上升時(shí)并比原始水土壓力大0.1 MPa以上時(shí)，即可確定凍結(jié)帷幕已經(jīng)形成。

3 冷凍法隧道開挖及結(jié)構(gòu)施工

3.1 冷凍效果檢測(cè)

冷凍效果檢測(cè)主要包括冷凍管、測(cè)溫孔、冷凍鹽水測(cè)溫與實(shí)地探孔。要求冷凍鹽水溫度必須控制在-25～-28 ℃，去回路鹽水溫差控制在1.5 ℃左右，測(cè)溫孔的溫度控制在零度以下，才能進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片破除施工。

3.2 盾構(gòu)隧道管片破除

盾構(gòu)隧道管片破除之前必須安裝安全門并對(duì)安全門進(jìn)行試壓及預(yù)應(yīng)力支架的安裝處理。安全門采用全鋼材料，門框與管片緊密相連，不能出現(xiàn)縫隙；安裝完畢后，應(yīng)對(duì)安全門的氣密性(密閉性)進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示。由于管片破除將不可避免的對(duì)整環(huán)管片的應(yīng)力平衡進(jìn)行破壞，會(huì)出現(xiàn)受力缺陷與應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖5所示。為保證隧道安全，防止隧道變形甚至出現(xiàn)垮塌事故，應(yīng)在左右線聯(lián)絡(luò)通道洞門兩側(cè)安裝預(yù)應(yīng)力支架。預(yù)應(yīng)力支架采用≮22號(hào)的工字鋼制作；采用雙面焊接，在焊接過程中必須保證焊渣清除和焊縫強(qiáng)度。

圖4 安全門打壓

圖5 水鉆切割管片

3.3 洞身開挖與初期支護(hù)

3.3.1 洞身開挖

由于是單側(cè)打孔，導(dǎo)致冷凍管十分密集，并且侵入了隧道開挖限界，為此在洞身開挖過程中需要對(duì)既有冷凍管進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)在初支封閉時(shí)(下部仰拱)對(duì)冷凍管路進(jìn)行改移，如圖6和圖7所示。冷凍管改移時(shí)先關(guān)閉該條支路上的集(配)液圈上的去路閥門，再關(guān)回路閥門；待支路閥門全部關(guān)閉，將冷凍鋼管割除后按內(nèi)外方向接管，即完成了冷凍管的改線。

圖6 狹小空間作業(yè)

圖7 侵入開挖范圍冷凍管改線

3.3.2 隧道初期支護(hù)

隧道初期支護(hù)鋼拱架采用22號(hào)工字鋼拱架，初支鋼拱架每50 cm一榀。在鋼拱架架立之前，要在拱架與凍土之間鋪上木背板，起到附著混凝土的隔熱作用。鋼架之間采用150 mm×150 mm網(wǎng)格間距的鋼筋網(wǎng)連接，并及時(shí)進(jìn)行噴射混凝土填充。

3.4 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)施工

3.4.1 結(jié)構(gòu)防水層的處理

聯(lián)絡(luò)通道防水層材料采用土工布和ECB防水材料，在有預(yù)埋融沉注漿管的位置，采用預(yù)埋注漿管與設(shè)置防水膠的措施加強(qiáng)防水效果，保證防水層的完整性和封閉性。

3.4.2 鋼筋綁扎與混凝土澆筑

聯(lián)絡(luò)通道的喇叭口附近與既有盾構(gòu)管片接茬，由于盾構(gòu)管片上未預(yù)留鋼板，因此需要植筋加固。該處位置空間狹小，為此混凝土澆筑采用小拖車人力運(yùn)輸；混凝土應(yīng)采用自密實(shí)防水混凝土，并嚴(yán)格控制塌落度，保證混凝土能順利泵入模板。在模板上預(yù)留排氣口，在混凝土較難到達(dá)的位置預(yù)留觀察口，在排氣口與觀察孔均有混凝土流出時(shí)可判定結(jié)構(gòu)已填充密實(shí)。

3.5 預(yù)留注漿管的安放與后期注漿

預(yù)留注漿管主要有兩個(gè)作用：一是凍土與初支、二襯之間的填充注漿；二是凍土化凍之后的融沉注漿。壁后充填注漿也稱為壁后注漿，是通過注漿方式充填施工結(jié)構(gòu)背后殘余的空隙，以解決由于施工殘留空隙帶來的土體變形位移。融沉注漿是通過注漿方式充填凍土解凍融化過程中產(chǎn)生的空隙，以減小地層的沉降變形，是消除由空隙產(chǎn)生位移變形的有效手段。

4 結(jié)語

實(shí)踐表明，凍結(jié)加固主要受氟利昂溫度、凍結(jié)厚度、凍結(jié)管直徑、凍結(jié)孔間距等影響。另外由于凍結(jié)加固施工過程中會(huì)產(chǎn)生一定的融沉量[2]，為此必須進(jìn)行壁后注漿充填加固。地鐵聯(lián)絡(luò)通道的沉降主要是由于凍土融化時(shí)失水固結(jié)引起的，其沉降量與凍土厚度、融沉土的特性有關(guān)[3]。為減少融沉對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的影響，務(wù)必保證氟利昂冷凍劑的流量均勻，并確保凍結(jié)巖體的溫度、厚度穩(wěn)定，無泥水流出，方可正式開挖。該項(xiàng)目的富水地層條件，一般開挖凍結(jié)期在40～50 d左右。隨著凍結(jié)加固時(shí)間的增長(zhǎng)，其凍結(jié)巖層壁厚越厚，隨之凍脹力對(duì)地鐵襯砌的破壞及拱頂融沉量也成倍累計(jì)，為此冷凍效果檢測(cè)滿足條件后務(wù)必及時(shí)進(jìn)入開挖支護(hù)工序。