水平凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞風(fēng)險(xiǎn)控制

袁婷婷（上海三維工程建設(shè)咨詢有限公司， 上海 200060）

0 引 言

隨著我國(guó)軌道交通建設(shè)突飛猛進(jìn)，城市地鐵建設(shè)難度不斷加大。當(dāng)盾構(gòu)端頭井周圍地質(zhì)條件差，存在涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，一些采用傳統(tǒng)土體加固方法的場(chǎng)合極易發(fā)生事故。凍結(jié)法進(jìn)出洞是解決此類問題的手段之一[1]。

采用水平凍結(jié)法實(shí)施盾構(gòu)進(jìn)出洞加固在實(shí)際作業(yè)中仍存在較大風(fēng)險(xiǎn)，處理不當(dāng)起不到凍結(jié)效果。本文以上海軌道交通某區(qū)間隧道水平凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞為例，通過對(duì)凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞地基加固施工風(fēng)險(xiǎn)的分析，提出相應(yīng)的控制措施，從而有效保證盾構(gòu)進(jìn)出洞的順利進(jìn)行。

1 工程概況

上海軌道交通某區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，始發(fā)接收井洞門圈直徑 φ7.1 m，洞門中心埋深為 18.7 m。本工程地質(zhì)情況復(fù)雜，洞門處地層自上往下依次為：①1素填土、②1粉質(zhì)黏土、②3黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④ 淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土、⑤3-1粉質(zhì)黏土，盾構(gòu)進(jìn)出洞所處的地層主要為：⑤1-1黏土、⑤1-2粉質(zhì)黏土。本工程附近水系發(fā)達(dá)，地質(zhì)變化較大，⑤、⑦ 承壓含水層存在連通的可能。申通集團(tuán)確定該項(xiàng)為致命性風(fēng)險(xiǎn)。

為確保盾構(gòu)進(jìn)出洞安全，決定對(duì)洞門進(jìn)行水平凍結(jié)加固閉水，防止水泥系加固區(qū)與地連墻交界面處縫隙出水。即：在上下行線洞門處垂直地連墻施工水平凍結(jié)孔，采用低溫鹽水凍結(jié)加固地層，使地連墻外側(cè)的土體凍結(jié)，形成封閉性好且強(qiáng)度較高的凍結(jié)壁，接著在其保護(hù)下進(jìn)行洞門鑿除及盾構(gòu)進(jìn)出洞工作。本工程上下行線的凍結(jié)壁均為圓形杯狀凍結(jié)壁，杯底凍結(jié)壁厚度 2 m，杯壁凍結(jié)壁厚度1.5 m，杯底凍結(jié)壁直徑 10.1 m，外圈凍結(jié)壁長(zhǎng)度 6 m。

2 水平凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞主要施工風(fēng)險(xiǎn)因素及相關(guān)措施

2.1 地下管路損壞和地層沉降的風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)控制措施

盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，由于需要減小盾構(gòu)推進(jìn)壓力，容易使上方地層沉降，從而誘發(fā)地下管路損壞；并且盾構(gòu)與周圍凍土的間隙容易導(dǎo)水，如果洞口密封不佳，也可引起較大地層沉降。

2.1.1 凍結(jié)孔施工控制措施

孔位要按凍結(jié)半徑滿足凍結(jié)壁交圈，確定數(shù)量，并控制施工誤差在允許范圍內(nèi)。本工程上下行線洞門都布置有凍結(jié)孔 59 個(gè)，測(cè)溫孔 8 個(gè)。其中外圈孔 34 個(gè)，洞門圈內(nèi)凍結(jié)孔 25 個(gè)。外圈孔開孔間距 823 mm，洞門圈內(nèi)最大開孔間距 1 093 mm。外圈的頂部及底部?jī)鼋Y(jié)孔為避開結(jié)構(gòu)梁，略為調(diào)整角度采用傾斜布置（凍結(jié)孔布置立面圖如圖 1 所示）。共布置有 8 個(gè)水平測(cè)溫孔，其中洞門圈內(nèi) 2個(gè)測(cè)溫孔 Cs1～Cs2 (Cx1～Cx2)，洞門圈邊界上 2 個(gè)測(cè)溫孔 Cs3～Cs4(Cx3～Cx4)，共 4 個(gè)短測(cè)溫孔，孔深 3 m；凍結(jié)壁外側(cè)邊緣上 4 個(gè)長(zhǎng)測(cè)溫孔 Cs5～Cs8(Cx5～Cx8)，孔深7.6 m。

圖1 凍結(jié)孔布置立面圖

準(zhǔn)確定出開孔孔位，并用地連墻上布點(diǎn)，以便于施工中校驗(yàn)、控制凍結(jié)孔方向。開孔位置偏差應(yīng)控制在 50 mm 以內(nèi)。在進(jìn)行首個(gè)凍結(jié)孔施工時(shí)，需要分析地層鉆進(jìn)過程中的重要參數(shù)變化情況，同時(shí)查驗(yàn)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，一旦出現(xiàn)異常，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施?？卓诙蝺鼋Y(jié)管方位必須準(zhǔn)確，從而保證整根凍結(jié)管無偏斜。鉆機(jī)開始鉆機(jī)時(shí)，要反復(fù)校驗(yàn)鉆桿鉆機(jī)位置。施工凍結(jié)孔時(shí)發(fā)現(xiàn)局部地連墻厚度大于設(shè)計(jì)值，相應(yīng)加大凍結(jié)孔深度以保證凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)管安裝完畢應(yīng)及時(shí)打壓試漏，并且復(fù)測(cè)凍結(jié)孔的深度與偏斜。若不能滿足凍土帷幕設(shè)計(jì)厚度和進(jìn)度要求，則需要進(jìn)行打補(bǔ)孔。按凍結(jié)孔的質(zhì)量要求施工測(cè)溫孔，必要時(shí)為了加快凍土帷幕形成，將測(cè)溫孔改作凍結(jié)孔[2]。

2.1.2 凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用科學(xué)合理的凍結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證地層凍結(jié)有效控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。其主要包括凍結(jié)需冷量計(jì)算與冷凍機(jī)選型、冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、鹽水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（1）凍結(jié)需冷量計(jì)算與冷凍機(jī)選型（如表 1 所示）。

表1 制冷量計(jì)算與冷凍機(jī)選型表

凍結(jié)管采用 φ89 mm×8 mm 低碳無縫鋼管，凍結(jié)管的表面散熱系數(shù)為 300 kcal/m2·h，冷量損耗系數(shù)為 1.3，凍結(jié)管長(zhǎng)度 326 m。

凍結(jié)需冷量：QT=1.3×3.14×300×0.089×326=3.553×104 kcal/h

（2）冷卻水用量計(jì)算與冷卻水循環(huán)設(shè)備選型（如表 2所示）。

表2 冷卻水用量計(jì)算與冷卻水循環(huán)設(shè)備選型

①冷凝器采用循環(huán)水，所需冷卻水循環(huán)量

式 1 中，W1為冷凝器所需冷卻水循環(huán)計(jì)算總流量（m/h）；QT為計(jì)算制冷能力（kcal/h）；γ為水的密度（t/m），取γ=1.0 t/m；c 為水熱容量（kcal/t℃），取c=1 000 kcal/t℃；△t為循環(huán)水溫差（℃），取 △t＝1.5 ℃。

② 油冷卻器所需冷卻水循環(huán)量

式 2 中，W2為油冷卻器所需冷卻水循環(huán)量（m/h）；取△ty為設(shè)計(jì)油冷卻器進(jìn)出水的溫差（℃），取 △ty＝8℃；Wy為每臺(tái)油冷卻器設(shè)計(jì)用水量，取Wy=8 m/h。

③ 冷卻水總循環(huán)量

式 3 中，N 為油冷卻器數(shù)量。

④ 冷卻水理論消耗量（冷卻塔蒸發(fā)量）

實(shí)際最大新水補(bǔ)充量，按冷卻水理論消耗量與天氣炎熱時(shí)油冷卻器冷卻水部分直排考慮。

（3）鹽水循環(huán)量計(jì)算與鹽水泵選型（如表 3 所示）。

表3 鹽水循環(huán)設(shè)備選型

計(jì)算鹽水循環(huán)量為

式 5 中，W為鹽水循環(huán)量（m3/h）；QT為需冷量（kcal/h）；γ為鹽水密度（t/m），取γ=1.26 t/m3；c 為鹽水熱容量（kcal/t℃），取c=653 kcal/t ℃；△t為去回路鹽水溫差（℃），取 △t＝1.6℃。

2.1.3 地層凍結(jié)控制措施

水泥系加固（夾心層）時(shí)間短存在水化熱，凍結(jié)時(shí)盡可能降低鹽水溫度和加大鹽水流量，確保此處凍結(jié)質(zhì)量。優(yōu)化內(nèi)圈凍結(jié)孔的連接方式，內(nèi)圈凍結(jié)管分成兩組進(jìn)行串聯(lián)連接，同時(shí)每組的凍結(jié)管總長(zhǎng)度必須小于外圈孔分組長(zhǎng)度，有利于增加內(nèi)圈孔的鹽水流量，確保凍結(jié)管頭部的凍結(jié)壁厚度，防止拔管后漏泥。必要時(shí)在盾構(gòu)始發(fā)接收井的洞門地連墻上敷設(shè)保溫層，并快速降低鹽水溫度，以加快凍結(jié)速度，減少凍脹量，確保凍結(jié)壁交界面不留薄弱環(huán)節(jié)。凍結(jié)孔能循環(huán)鹽水的長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)孔深，凍結(jié)孔間距超限時(shí)打補(bǔ)孔，確保凍結(jié)壁能按時(shí)交圈并達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。對(duì)地層凍結(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)置自動(dòng)放空閥定時(shí)查看和分析凍結(jié)器頭部結(jié)霜和凍結(jié)器運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并安裝鹽水箱液位自動(dòng)報(bào)警器[3]。

2.1.4 盾構(gòu)進(jìn)出洞控制措施

采用大功率電加熱裝置快速?gòu)?qiáng)制解凍、快速拔除洞門內(nèi)的凍結(jié)管。凍結(jié)壁拔除時(shí)按照從中心向外側(cè)的順序進(jìn)行，即先拔除中心孔再拔除內(nèi)圈孔，最后拔除中圈孔。為防止拔管時(shí)發(fā)生斷管事件，凍結(jié)管安裝時(shí)，洞門圈內(nèi)的凍結(jié)管盡量采用整根非焊接的鋼管。在拔除洞門內(nèi)的凍結(jié)管時(shí)，維持外圈凍結(jié)管凍結(jié)，同時(shí)調(diào)整鹽水流量加大外圈孔冷量供應(yīng)。拔除洞門圈內(nèi)的凍結(jié)管后，如果盾構(gòu)不能立即進(jìn)出洞，應(yīng)立即在洞門上敷設(shè)保溫板進(jìn)行保溫。

2.1.5 施工監(jiān)測(cè)

本工程施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括凍結(jié)系統(tǒng)去、回路鹽水溫度監(jiān)測(cè)（凍結(jié)期間和洞門開鑿期間均 1 次/d，積極凍結(jié)：不高于 －28°C）；循環(huán)鹽水管路流量監(jiān)測(cè)（開凍時(shí)檢測(cè)，不小于 5 m3/h）；凍結(jié)期間凍土帷幕溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)（凍結(jié)期間和洞門開鑿期間均 1 次/d，進(jìn)出洞前凍結(jié)壁平均溫度：地連墻交界面不高于 －10°C，其他地方不大于 －8°C）；冷凍機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)；進(jìn)出洞后凍結(jié)壁表面溫度；地面及管線及建構(gòu)筑物沉降變形監(jiān)測(cè)(包括地面垂直位移、綜合管線垂直位移監(jiān)測(cè)；鄰近建構(gòu)筑物沉降監(jiān)測(cè))。

通過上述五項(xiàng)措施保證了凍結(jié)效果和有效降低了進(jìn)出洞透水風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 水土流失引發(fā)底層沉降、管線變形損壞的風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)控制措施

在凍結(jié)孔施工的鉆孔過程中易造成水土流失，從而引發(fā)地層沉降和上方管線變形損壞。

為了控制此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，分別采取了以下的控制措施。

（1）凍結(jié)孔開孔時(shí)安裝防噴裝置，防止開孔過程中泥水流失從而引起地層沉降。

（2）先用鉆機(jī)法鉆透水泥系加固區(qū)，然后采用夯管法安裝凍結(jié)管，施工時(shí)不易引起水土流失和引起地層沉降，并且可消除凍結(jié)管頭部的鹽水循環(huán)盲區(qū)，這樣有利于防止拔管后凍結(jié)孔底部快速融化導(dǎo)水。

（3）采用二次開孔方法開孔?？卓诠芄潭ㄇ氨仨毑捎美€法復(fù)核方位及傾角。在地連墻上安裝 φ121 mm×5 mm 孔口管，孔口管采用 3 根膨脹螺栓與地連墻固定牢固。安裝孔口管后應(yīng)壓水檢驗(yàn)孔口管與凍結(jié)孔之間是否滲漏，如有滲漏塞棉絲和覆雙快水泥封堵。凍結(jié)孔開孔誤差不超過 50 mm，確保符合設(shè)計(jì)要求。

（4）凍結(jié)管孔深或偏斜造成孔間距不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，必須打設(shè)補(bǔ)孔；耐壓不符合設(shè)計(jì)要求時(shí)在凍結(jié)管內(nèi)下套管凍結(jié)。用測(cè)桿復(fù)核夯入凍結(jié)管達(dá)到設(shè)計(jì)深度。然后通過孔口管旁通進(jìn)行壓漿封水，焊接密封凍結(jié)管與孔口管的間隙。測(cè)斜通過后對(duì)凍結(jié)管實(shí)行打壓試漏，其試漏壓力應(yīng)限定在 1.0 MPa～1.2 MPa 范圍內(nèi)，穩(wěn)固 30 min 不下降，則確定為試漏試驗(yàn)合格。

（5）不得在凍結(jié)孔施工過程中因偏斜等原因拔出凍結(jié)管。如發(fā)生凍結(jié)管斷裂漏水，立即注漿堵漏。如凍結(jié)管已下到設(shè)計(jì)深度，下內(nèi)套管處理。施工防止孔口管被松動(dòng)，如有松動(dòng)用膨脹螺栓固定。若施工凍結(jié)孔時(shí)遇大量出水和泥沙，注漿堵水后再恢復(fù)凍結(jié)孔施工。采取快速凍結(jié)，控制凍結(jié)時(shí)間，減小凍土體積和凍脹量，也有利于減小凍結(jié)壁解凍時(shí)的融沉。準(zhǔn)備木塞、棉紗、雙快水泥、注漿材料及機(jī)具，用于漏水時(shí)應(yīng)急封堵[4]。

2.3 凍結(jié)孔導(dǎo)水、凍結(jié)管斷裂的風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)控制措施

拔除凍結(jié)管時(shí)，容易使凍結(jié)管端頭前方凍土融化，從而發(fā)生凍結(jié)孔導(dǎo)水事故；易可能發(fā)生凍結(jié)管斷裂事故，使盾構(gòu)難以推進(jìn)。

為了控制此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，分別采取了以下的控制措施。

（1）拔管時(shí)先拔洞口中間凍結(jié)管，再拔洞口邊凍結(jié)管的拔管順序，可防止拔管后凍結(jié)管端頭前方凍土快速融化。

（2）在拔除洞門內(nèi)的凍結(jié)管時(shí)，維持外圈凍結(jié)管凍結(jié)，同時(shí)調(diào)整鹽水流量加大外圈孔冷量供應(yīng)。

（3）凍結(jié)管拔除后，立即進(jìn)行孔口封堵，以防鉆孔透水。

（4）凍結(jié)管采用單根無縫鋼管，取消接頭，以防拔管時(shí)斷裂。

（5）在拔出凍結(jié)管之前，要求進(jìn)行化凍試驗(yàn)，確定正確的化凍時(shí)間與合適的起拔力，凍結(jié)孔正常起拔力為0.1 t～ 3 t，凍結(jié)管的破斷力約為 32 t，要求起拔力小于 5 t。

（6）嚴(yán)格控制起拔力，不能超過設(shè)計(jì)文件規(guī)定的最大值，避免斷管。

（7）起拔松動(dòng)凍結(jié)管后，再拆除熱水循環(huán)管路。

（8）盡可能在較短的時(shí)間內(nèi)順利完成拔管。

2.4 盾構(gòu)進(jìn)出洞過程中盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)及相關(guān)控制措施

盾構(gòu)進(jìn)出洞過程中，由于盾構(gòu)推進(jìn)停止等原因，使盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)。

為了控制此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，分別采取了以下的控制措施。

（1）通過采取有效施工保障措施，確保盾構(gòu)通過凍結(jié)壁時(shí)，避免推進(jìn)停頓和刀盤停轉(zhuǎn)。

（2）盾構(gòu)推進(jìn)通過凍結(jié)壁時(shí)，如因土體凍結(jié)造成排土困難，可在盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)內(nèi)灌入比重 1.24～1.26 的鹽水。

（3）盾構(gòu)出洞時(shí)若刀盤被凍結(jié)，應(yīng)立即安裝千斤頂頂回盾構(gòu)機(jī)。

（4）若出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)情況，及時(shí)在機(jī)頭里面采取鍋爐來化凍。

3 結(jié)論及建議

綜上所述，本文列舉了幾項(xiàng)水平凍結(jié)法盾構(gòu)進(jìn)出洞的風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)控制技術(shù)措施，為盾構(gòu)進(jìn)出洞的順利完成提供了有力保障。主要結(jié)論和建議如下。

（1）盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)，為避免因需要減小盾構(gòu)推進(jìn)壓力或洞門密封不佳而引起地層沉降，要求：① 孔位要按凍結(jié)半徑滿足凍結(jié)壁交圈，確定數(shù)量，并控制施工誤差在允許范圍內(nèi)；② 冷凍設(shè)備選擇要滿足制冷量需要；③ 應(yīng)設(shè)置必要的保溫隔熱措施，保證凍結(jié)效果。

（2）為避免凍結(jié)孔施工造成水土流失從而引起地層沉降和上方管線變形損壞，要求凍結(jié)孔開孔時(shí)安裝防噴裝置，并采用夯管法安裝凍結(jié)管。

（3）拔除凍結(jié)管時(shí)，為防止凍結(jié)管端頭前方凍土融化致使凍結(jié)孔導(dǎo)水以及凍結(jié)管斷裂事故發(fā)生，強(qiáng)調(diào)：① 按先拔洞口中間凍結(jié)管再拔洞口邊凍結(jié)管的拔管順序進(jìn)行拔管；② 凍結(jié)管采用整根非焊接管材；③ 化凍試驗(yàn)通過并確定合適的化凍時(shí)間和起拔力后再進(jìn)行拔管，且拔管時(shí)間應(yīng)盡量短。

（4）盾構(gòu)進(jìn)出洞過程中，應(yīng)采取施工保障措施和應(yīng)急措施，避免盾構(gòu)推進(jìn)停止等導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)頭被凍結(jié)。