地鐵聯(lián)絡通道局部凍結加固施工技術實踐

孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

地鐵聯(lián)絡通道采用凍結法進行加固施工在我國得到了廣泛應用。凍結壁設計要求一般為形成完全封閉隔水且具有可靠承載能力的凍結體，方可在凍結壁的保護下進行開挖及構筑。但對于土巖結合地層的聯(lián)絡通道，若巖體強度足夠高且完整性較好時，采用全斷面冷凍的方式雖安全可靠，但綜合考慮工程經濟性及施工工期等方面可能不是最優(yōu)的選擇。此時根據(jù)地層情況對土體及巖石破碎部分進行凍結加固，而對于較完整的巖體部分視裂隙發(fā)育情況進行注漿等措施加固也可形成隔水效果良好且具有可靠承載力的加固體。本文以濟南地鐵R2線某聯(lián)絡通道施工為例，探討如何在該類地層中安全實現(xiàn)局部凍結加固下的聯(lián)絡通道施工。

1 工程概況

濟南軌道交通R2線某聯(lián)絡通道及泵房線間距16.5 m，頂覆土埋深22.636 m。如圖1所示，通道位于粉質黏土、全風化閃長巖、強風化閃長巖以及中風化閃長巖中，通道底部約1 m深度范圍及以下整個泵房均為中風化閃長巖。根據(jù)地勘資料，全風化閃長巖：原巖結構構造已破壞，不可辨，巖芯多呈砂柱狀，手捏易碎，巖芯采取率80%～85%，鉆進速度快；強風化閃長巖：原巖結構構造較清晰，中粗粒結構，塊狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯多呈碎塊狀、扁～短柱狀，偶有長柱狀，錘擊易碎，巖芯采取率75%～85%，RQD=0～10。

巖石堅硬程度為軟巖，巖體完整程度為破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ；中等風化閃長巖：灰綠色，中粗粒結構，塊狀構造，節(jié)理裂隙稍發(fā)育，可見方解石巖脈，巖芯多呈柱狀，柱長10 cm～25 cm，錘擊聲悶，巖芯采取率80%～90%，RQD=50～65。巖石堅硬程度為較硬巖，巖體完整程度為較完整，巖體基本質量等級為Ⅲ。局部夾有全～強風化軟夾層。該處地下水位埋深為地面以下2 m～3 m，水壓較大。全風化閃長巖及中風化閃長巖內地下水均為基巖裂隙潛水，裂隙發(fā)育、風化程度較高；中風化閃長巖層巖體較完整，裂隙不發(fā)育。

原設計方案采用凍結法加固形成完整的凍結壁，聯(lián)絡通道在凍結壁保護下進行開挖構筑，凍結孔布置見圖2。

2 工況分析及優(yōu)化方案

聯(lián)絡通道側墻下部凍結孔施工過程中記錄遇到中風化閃長巖的位置，最終確認中風化閃長巖與強風化閃長巖交界面接近聯(lián)絡通道底板結構上表面，近水平走向。后施工探孔7根，分別位于通道底板位置及泵房底部，如圖3所示。所有探孔取芯均為完整巖石，探孔內均未發(fā)現(xiàn)裂隙水。

原設計方案通道及泵房位置均采用凍結法加固，經探孔確認該處中風化閃長巖巖體完整，無裂隙發(fā)育，可視為不含水且不透水的相對隔水層，可取消通道底部及泵房部位的凍結壁。為保證凍結壁與隔水層之間良好搭接，將凍結孔嵌入隔水層2 m以上，如圖3,圖4所示。上部凍結壁形成后通過設置在加固圈范圍內的泄壓孔判斷是否交圈，若能正常交圈則說明底部巖體隔水效果良好，若不能判斷交圈則在通道底板位置施工長探孔，若發(fā)現(xiàn)有裂隙水則采用水泥漿液進行注漿封堵。

3 施工工藝流程

3.1 施工流程

開挖構筑施工流程為：鉆孔施工→施工下部探孔并視破碎情況進行注漿加固→積極凍結同時進行開挖構筑施工準備→隧道預應力支撐安裝→打開洞口管片→通道掘進與支護層施工→施工防水層→通道鋼筋混凝土結構層施工→泵房開挖與臨時支護→泵房防水層施工→鋼筋混凝土結構層施工→充填注漿→融沉注漿。

3.2 積極凍結

設備安裝完畢后進行調試和試運轉。檢查確認電路系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)運行參數(shù)正常后才開冷凍機。冷凍機先空轉1 h～3 h，觀察運轉是否異常。在試運轉時，要逐步調節(jié)能量、壓力、溫度和電機負荷等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關設備規(guī)程和運行要求的技術參數(shù)條件下運行。

積極凍結7 d鹽水溫度降至-18 ℃～-20 ℃；積極凍結15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下；開挖時凍土和管片交接范圍內平均溫度低于-5 ℃，鹽水溫度降至-28 ℃以下，去、回路鹽水溫差不大于 2 ℃。如鹽水溫度或鹽水流量達不到設計要求，應根據(jù)凍結效果決定是否延長積極凍結時間。

在聯(lián)絡通道兩側開挖范圍內的隧道管片上設計有4個泄壓孔，其上安裝有泄壓閥門及壓力表。積極凍結期間保持泄壓閥門關閉，持續(xù)觀察泄壓孔壓力變化情況，當泄壓孔壓力持續(xù)上漲，超過原始地層水壓時說明凍結壁已經交圈，凍結壁及下部注漿加固體包裹范圍內的土體因受凍脹作用使得內部水壓上升，說明加固體封水效果良好。此為判斷加固效果的重要依據(jù)。

凍結施工期間，進行實時測溫監(jiān)測。每個凍結孔內布置2個～3個測溫點，采用DS18B20探頭，該類探頭可采用單線總線連接方式，將探頭通過屏蔽線接入測溫模塊，輸出485信號后，再采用485轉以太網(wǎng)模塊，將數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡，通過組態(tài)軟件或云平臺，實現(xiàn)測溫數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

3.3 開挖方式

根據(jù)工程及地質特點，先進行通道部分開挖及結構施工，然后進行泵房部分開挖及結構施工。

開挖時上部土層部分采用小型挖機及人工風鎬進行土方開挖，并及時進行初期支護。上部土體在凍結壁保護下開挖，應及時進行噴漿封閉開挖面，以免凍結壁長期暴露于空氣中化凍掉塊。

中風化閃長巖部分因市區(qū)范圍內禁止使用爆破工藝施工，選擇采用大功率水鉆取芯切割+液壓柱狀劈裂棒破碎施工工藝。該工藝具有操作簡單，成本低，安全可靠等優(yōu)點。劈裂棒動力為液壓泵，可提供120 MPa的壓力，理論分裂力1 200 t。具體如下：上部軟土層開挖完成后清理工作面，采用水鉆鉆頭φ121 mm，沿聯(lián)絡通道四周開挖輪廓面垂直向下分層取芯，相鄰取芯孔相互搭接，將巖體切割成塊，每層深度以0.7 m～0.9 m為宜?？蓪r體用水鉆取芯再度分割為較小的塊體。最后在小塊巖體上間隔0.5 m～1.0 m梅花形布孔，將劈裂棒放入孔中，將巖體劈裂。將破碎后的小塊采用挖機、卷揚機等設備清除。一層開挖完成后繼續(xù)進行下一層的施工，如圖5所示。

4 施工情況

本工程共施工48個凍結孔，下部探孔取芯干燥無水，且注漿時不吃漿。凍結第3天鹽水溫度下降至-18 ℃，凍結第6天下降至-28 ℃。開挖時鹽水溫度去路-28.1 ℃，回路-26.2 ℃，溫差1.9 ℃。積極凍結40 d時，通過各測溫孔數(shù)據(jù)判斷凍結壁厚度最薄弱處2.12 m，凍結壁平均溫度-10.9 ℃，達到設計凍結壁厚度不小于2.1 m、平均溫度不高于-10 ℃的要求。泄壓孔壓力凍結第21天時開始上漲，原始地層水壓約0.21 MPa，泄壓孔最高水壓漲至0.35 MPa時(第28天)開始泄壓。最終泄壓孔內水排空，無持續(xù)帶壓力水流出。

開挖過程中土體干燥，開挖面無滲漏水情況發(fā)生，開挖過程中將以下問題作為關鍵控制點：1)上部開挖時嚴格控制開挖步距，凍結壁暴露時間不超過24 h；2)每天關注測溫孔數(shù)據(jù)變化趨勢，如有異常及時分析原因，采取措施；3)每天巡視開挖面情況，特別是凍結壁與下部硬巖層交界面處?，F(xiàn)場安裝有防護門，配備噴漿機、注漿泵、聚氨酯、雙快水泥等應急設備和物資，并制定了應急預案。

施工過程中未出現(xiàn)異常情況。從聯(lián)絡通道開孔施工到積極凍結再到開挖構筑，隧道沉降、收斂，周邊建筑物和上部地表沉降較小，最大地表沉降量-2.12 mm，隧道最大變形量-0.32 mm，均在警戒值范圍內。

5 結語

本工程根據(jù)工程特點，因地制宜，采用凍結法進行局部凍結，實際施工加固體效果良好，保證了開挖及構筑工作的順利進行。凍結法具有加固效果均勻，可檢測等優(yōu)點，可通過測溫孔及泄壓孔方便地進行凍結效果判斷。對于非凍結加固區(qū)的加固效果的評判，可采用探孔方式進行探水，判斷裂隙發(fā)育情況及涌水量。該類工程重點在于保證凍結區(qū)與非凍結區(qū)搭接效果。