盾構(gòu)接收地層凍結(jié)法加固的風險控制分析

孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 概述

凍結(jié)法是目前軟土地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭地層加固常用的加固工法，特別是在上海、杭州、無錫、寧波等存在軟弱淤泥質(zhì)土、承壓含水砂層的地區(qū)應(yīng)用廣泛。該工法具有封水可靠、無污染、加固體承載力較高(一般單軸抗壓強度3.5 MPa以上)等優(yōu)點。但由于施工質(zhì)量不到位或工藝銜接不當，事故屢屢發(fā)生，尤其是盾構(gòu)接收工程，例如上海軌道交通12號線某工程盾構(gòu)接收位于承壓含水層，由于加固長度未包裹盾構(gòu)機長度而導(dǎo)致涌水涌砂[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，盾構(gòu)法始發(fā)或接收引起的工程事故占盾構(gòu)法隧道工程總事故量的70%以上[2,3]。

針對盾構(gòu)接收的風險控制，本文分別從凍結(jié)設(shè)計和施工角度進行分析并針對各風險源提出針對性的措施。

2 工程風險分級與凍結(jié)法適用范圍

目前針對凍結(jié)法在盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用尚缺乏規(guī)范類文件。本文建議根據(jù)各地區(qū)特點從工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素綜合考慮，將工程風險進行分級，在此基礎(chǔ)上提出加固方式與參數(shù)建議。本文根據(jù)多個地區(qū)施工經(jīng)驗，提出以下劃分方法：

劃分依據(jù)：1)場地環(huán)境等級；2)工程地質(zhì)條件。

場地環(huán)境等級劃分：根據(jù)周邊重要管線、建(構(gòu))筑物是否在施工影響范圍區(qū)，以及施工可能對其造成的影響程度，將場地環(huán)境等級劃分為三級：

一級(A1)：管線或建筑物在施工影響區(qū)范圍內(nèi)，地層變形或涌水涌砂控制不當后果很嚴重；

二級(A2)：管線或建筑物距離施工影響區(qū)范圍較近(2倍中心埋深豎向投影區(qū)域內(nèi))，地層變形或涌水涌砂控制不當存在周邊環(huán)境影響較大；

三級(A3)：管線或建筑物距離施工影響區(qū)范圍較遠(2倍中心埋深豎向投影區(qū)域外)，地層變形或涌水涌砂對周邊環(huán)境影響較小。

工程地質(zhì)條件劃分：根據(jù)場地地層特點，地下水位埋深、地層滲透系數(shù)等條件綜合判定。將工程地質(zhì)條件劃分為三級：

一級(B1)：淤泥質(zhì)土，Cu≤5的砂土，承壓水頭較高且滲透系數(shù)較大的砂土等具有較大涌水涌砂風險的地層；場地周邊存在河流、湖泊等，水系與端頭加固區(qū)有聯(lián)通的可能。

二級(B2)：除一級以外，可能存在沼氣等不良地質(zhì)條件或因前期施工遺留的不利因素。

三級(B3):除一級、二級以外的地層。

依據(jù)以上分級確定凍結(jié)法端頭加固風險等級如表1所示。

表1 風險等級劃分

對于一級風險源的地層建議采用凍結(jié)法+鋼套筒或明洞接收確保盾構(gòu)接收萬無一失，對于二級風險源地層建議根據(jù)場地條件采用凍結(jié)法施工的同時采取完備的配套風險控制措施。

凍結(jié)法具有良好的封水性，加固體強度高，但對于實際地下水流速大于5 m/d、有集中水流或地下水水位有明顯波動的地層需采取措施降低地下水流速。對于地下水含鹽的地層需單獨進行凍土物理力學試驗，確定合理的平均溫度，以及凍結(jié)法的經(jīng)濟合理性。

3 盾構(gòu)接收風險分析及對策

本文從設(shè)計和施工兩個方面對盾構(gòu)接收的風險進行分析如下。

3.1 盾構(gòu)接收地層加固設(shè)計

凍結(jié)法一般應(yīng)用于有涌水涌砂風險的地層，加固的目的在于：1)形成具有足夠強度的凍結(jié)圓板，保證鑿除洞門圈混凝土后的安全；2)須保證在盾構(gòu)接收過程中防止水土流失。

對于1)，通過對凍結(jié)圓板的強度進行力學驗算保證。圖1為凍結(jié)壁計算模型，在凍結(jié)壁達到設(shè)計厚度且盾構(gòu)機到達盾構(gòu)接收端頭附近時，需將洞門鋼圈范圍內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)鑿除，這時凍結(jié)壁成為鋼圈范圍內(nèi)地層水土壓力的主要承載結(jié)構(gòu)，其受力驗算可按圓板中心所受的最大彎曲應(yīng)力計算公式進行驗算。

(1)

其中，P為地層荷載，取鋼圈底部深度處的地層側(cè)壓力；D為洞門鋼圈直徑，m；μ為泊松比；h為圓板厚度。

最大剪應(yīng)力計算公式：

(2)

對于2),盾構(gòu)端頭接收時在凍結(jié)體周圍可能的過水通道有兩條：第一，沿車站內(nèi)襯與車站圍護結(jié)構(gòu)之間縫隙；第二，沿盾構(gòu)外殼與凍土之間的縫隙滲透，如圖2所示。

對于第一條，采用水平凍結(jié)施工方案，在外圈凍結(jié)孔間距合理的情況下一般可以予以保證，同時應(yīng)注意采取車站內(nèi)襯墻處的保溫措施。

對于第二條，要求外圈凍結(jié)壁長度應(yīng)能包裹整個盾構(gòu)機外殼，且超出至少1環(huán)～2環(huán)的距離，以便在盾構(gòu)機尾部設(shè)置止?jié){墊。否則，水土容易通過盾構(gòu)機與凍結(jié)加固體間隙涌入車站內(nèi)。

除以上凍結(jié)施工措施外，一般在風險較大的地層配套使用鋼套筒或明洞接收方案進行，以實現(xiàn)洞內(nèi)洞外的土壓平衡，從根本上杜絕涌水涌砂的可能性，以確保盾構(gòu)接收的安全。采用鋼套筒或明洞接收時凍結(jié)壁的主要作用在于確保鑿洞門的安全，這時水平凍結(jié)長度可不包裹盾構(gòu)機外殼。也可采用垂直凍結(jié)施工工藝，即從地面向下打設(shè)凍結(jié)管。但對于采用旋噴樁等施工工藝的圍護結(jié)構(gòu)的車站應(yīng)特別注意封堵圍護結(jié)構(gòu)與車站內(nèi)襯間可能存在的過水通道。

3.2 盾構(gòu)接收凍結(jié)加固風險分析與對策

盾構(gòu)接收風險控制主要在于對地層涌水涌砂風險的控制，除3.1節(jié)提及的設(shè)計上的保證措施外，施工中應(yīng)根據(jù)實際情況做到精細化施工，排查各種可能的風險源并積極采取對策。本文根據(jù)實際工程案例總結(jié)，對凍結(jié)法盾構(gòu)接收的主要風險點及對策歸納如下：

第一方面：地層風險。

由于地勘資料存在未勘察到的軟弱夾層、過水通道、暗浜等不良地質(zhì)條件或施工前期采用聚氨酯等材料進行過搶險施工，導(dǎo)致隔熱的聚氨酯等材料遺留在地層中對凍結(jié)法施工造成影響；周邊河流或基坑降水施工影響，導(dǎo)致存在大于5 m/d的地下水流，易導(dǎo)致凍結(jié)壁不交圈。

對策：在凍結(jié)設(shè)計前及施工前都應(yīng)準確了解施工場地地質(zhì)和現(xiàn)場條件，準確分析不利于凍結(jié)法地層加固的風險因素，并采取措施或采取其他施工工法。

第二方面：鉆孔施工階段。

1)鉆孔施工開孔及鉆進過程中可能導(dǎo)致地層涌水涌砂，導(dǎo)致地層水土流失，地面沉降，危及周邊環(huán)境安全。

對策：對有涌水涌砂風險的地層采用二次開孔施工工藝和安裝孔口密封裝置(見圖3)，對于粉細砂或淤泥質(zhì)地層，水土仍然有可能通過密封裝置的縫隙涌出，這時可選擇采用夯管法施工工藝或采取保壓鉆進施工工藝。發(fā)生水土流失時應(yīng)及時通過孔口管上的旁通閥注入水泥水玻璃雙漿液補償?shù)貙訐p失，注漿量依據(jù)地層流失量確定。

2)孔口裝置脫落。

對策：為防止孔口裝置脫落，開孔時在孔口管上打設(shè)魚鱗扣并纏繞麻絲夯入孔口。每個孔口管應(yīng)至少保證不少于3根M20膨脹螺絲或植筋固定在車站內(nèi)襯墻上。

第三方面：凍結(jié)期。

1)鹽水漏失，影響凍結(jié)效果。

對策：凍結(jié)過程中，加強鹽水液位監(jiān)測。配備液位報警器，實時監(jiān)測液位變化，發(fā)現(xiàn)鹽水漏失，要迅速查清組號并關(guān)閉相應(yīng)組閥門，向原凍結(jié)管內(nèi)下放套管繼續(xù)凍結(jié)。要立即查明原因，并對鹽水對地層凍結(jié)的影響進行評估，并采取措施補救。凍結(jié)管應(yīng)盡量減少接頭數(shù)量，對于長度小于8 m的凍結(jié)管，盡量不設(shè)置接頭。設(shè)置接頭的位置應(yīng)盡量避開地層變化處。

2)測溫孔溫度降低緩慢，超過凍結(jié)時間仍然不能滿足凍結(jié)壁設(shè)計要求。

對策：排查以下可能：a.是否地下水流速過大導(dǎo)致冷量損失；b.是否凍結(jié)加固前不久進行過旋噴加固等水泥系加固措施。對于a.應(yīng)排查是否為周邊基坑開挖等降水施工或開采地下水導(dǎo)致的，或為地層本身存在暗流等原因，針對性地采取措施應(yīng)對；對于b.，凍結(jié)法施工應(yīng)在水泥系加固水化熱消散后進行。排除以上兩點可能性后，檢查凍結(jié)系統(tǒng)局部或整體供冷量是否滿足設(shè)計要求，局部凍結(jié)系統(tǒng)不滿足時提高局部管路鹽水供給，整體不滿足時應(yīng)檢查冷凍系統(tǒng)，提高單位時間制冷量。

第四方面：盾構(gòu)接收期間。

1)臨時停電，危及凍結(jié)安全。

對策：a.每天定時檢查電纜、配電箱等供電電纜及設(shè)備安全情況；b.拔管及盾構(gòu)接收過程中保證雙路電源，一用一備，可及時切換;c.一旦停電，需最短時間恢復(fù)凍結(jié);d.專人負責，加強凍結(jié)用電安全檢查，及時排除安全隱患。

2)盾構(gòu)機凍住。

對策：a.在盾構(gòu)機通過凍結(jié)壁的過程中，盾構(gòu)機端部刀盤應(yīng)保持轉(zhuǎn)動狀態(tài)，當必須停止時，應(yīng)在每間隔10 min左右轉(zhuǎn)動一次；b.現(xiàn)場備用一臺蒸汽機，以備盾構(gòu)凍住后蒸汽解凍。

3)地下水有可能從盾殼與凍土之間間隙涌出。

對策：a.在盾構(gòu)機尾部凍結(jié)壁長度范圍內(nèi)設(shè)置止?jié){墊(環(huán)箍)，并在洞門鋼環(huán)上設(shè)置止水裝置。b.進洞過程中密切觀察現(xiàn)場情況，一旦有險情及時發(fā)現(xiàn)并立即采取措施。

4 盾構(gòu)接收凍結(jié)法施工案例

上海地鐵17號線中國博覽會北站—虹橋火車站區(qū)間盾構(gòu)接收水平凍結(jié)加固工程，地面標高+5.1 m，隧道中心線標高-10.303 m。設(shè)計在虹橋火車站西端頭井接收。盾構(gòu)接收區(qū)域內(nèi)地層主要有③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色黏土以及⑤1灰色黏土。考慮到虹橋火車站為重要的交通樞紐站，工程安全極為重要，一旦發(fā)生風險后果不堪設(shè)想，必須確保萬無一失。故設(shè)計采用水平凍結(jié)法+鋼套筒組合接收。施工流程圖如圖4所示。

盾構(gòu)進洞共布置59個水平凍結(jié)孔。進洞口中心布置1個凍結(jié)孔，進入土層深度1.8 m，從進洞口中心向外布置3圈凍結(jié)孔。第1圈圈徑2.90 m，孔數(shù)8個，孔間距1.1 m，進入土層深度1.8 m；第2圈圈徑5.70 m，孔數(shù)16個，孔間距1.112 m，進入土層深度1.8 m；第3圈圈徑8.4 m，孔數(shù)34個，孔間距0.8 m，進入土層深度2.8 m。凍結(jié)時間設(shè)計30 d。

盾構(gòu)洞門破除前在洞門圈內(nèi)“米”字型布置9根探孔，探孔上安裝球閥并穿透地連墻進入土層，探孔顯示土體干硬，實測凍土與地連墻表面溫度最高-5.6 ℃，滿足設(shè)計要求。洞門鑿除后對鋼套筒進行填料、加壓封閉。隨后盾構(gòu)順利接收。施工過程中順利，未發(fā)生風險。

5 結(jié)語

作為盾構(gòu)區(qū)間風險集聚的部位，盾構(gòu)接收一直是地鐵盾構(gòu)施工領(lǐng)域施工技術(shù)和管理人員最為關(guān)注的方面之一。而凍結(jié)法在國內(nèi)軟土地區(qū)的盾構(gòu)接收地層加固中得到了廣泛使用，但由于相關(guān)管理或技術(shù)經(jīng)驗的不足，各種風險和事故時有發(fā)生。本文根據(jù)多年相關(guān)施工經(jīng)驗總結(jié)了凍結(jié)法施工中可能存在的部分施工風險并針對性地提出了對策。風險控制最重要的是防患于未然，施工中應(yīng)從每個環(huán)節(jié)上進行把關(guān)，盡量降低風險的概率。