凍結(jié)法在富水砂層地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工中的應(yīng)用

劉海鵬

中煤特殊鑿井有限責(zé)任公司 安徽淮北 235000

凍結(jié)法加固土體、礦山法暗挖已成為地鐵隧道單側(cè)泵站的主要施工方法。但土體在凍結(jié)過程中體積會發(fā)生膨脹，解凍融化過程中由于凍土體排水固結(jié)、凍土體積減小，會引起較大的壓密沉降和地表融沉，對隧道、道路管線和附近建筑造成一定的影響。地鐵隧道單側(cè)泵站結(jié)構(gòu)完成后，常規(guī)的自然解凍及跟蹤注漿的工法，一般需要4-6 個月時間。由于凍結(jié)壁自然解凍持續(xù)時間長，后期地層的融沉注漿質(zhì)量難以得到有效保證。現(xiàn)實(shí)中地鐵隧道旁通道及側(cè)向泵站施工還面臨著鋪軌施工工期和進(jìn)度的考驗(yàn)，凍結(jié)法施工沉降未穩(wěn)定就鋪設(shè)軌道道床，后期將面臨道床與隧道一起沉降的問題，影響列車通車上線調(diào)試和運(yùn)行安全。因此，加快凍土體解凍的速度，有效控制隧道融沉，成為當(dāng)前急需解決的問題。采取快融注漿的方法就是利用原凍結(jié)管及部分原鹽水循環(huán)系統(tǒng)，將凍結(jié)管中的冷鹽水換成熱鹽水進(jìn)行循環(huán)，使凍結(jié)土體的溫度逐漸上升，凍土中的冰快速融化，達(dá)到快速解凍土體、縮短融沉?xí)r間的目的。在快速解凍過程中，需要及時跟蹤注漿控制沉降，保護(hù)好隧道及地面環(huán)境。

1 凍結(jié)加固工藝原理

凍結(jié)法在地層加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其主要以人工制冷技術(shù)為核心搭建凍結(jié)管系統(tǒng)，通過低溫冷媒在其中循環(huán)，將產(chǎn)生的冷量持續(xù)向現(xiàn)場地層傳遞，可使土體水分溫度達(dá)到冰點(diǎn)的溫度要求，最終結(jié)冰。然后利用冰的膠結(jié)作用，使土體形成一個不透水的整體結(jié)構(gòu)，以大幅度增強(qiáng)土體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗?jié)B性，從而形成隔絕地下水的屏障，有效抵抗巖土壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全的開挖和支護(hù)作業(yè)。以制冷方式為依據(jù)，凍結(jié)法可細(xì)分為循環(huán)制冷和直接制冷兩種方式。其中，循環(huán)制冷的核心工作思路在于將氨或氟利昂作為制冷劑，鹽水作為冷媒。該方式造價低，使用較為普遍。直接制冷所采用的制冷劑則是低溫液氮等相關(guān)材料，在泵裝置的作用下傳輸?shù)蜏匾后w，使其經(jīng)由凍結(jié)管后作用于地層，使地層轉(zhuǎn)為凍結(jié)狀態(tài)?？紤]循環(huán)式制冷方式和直接制冷方式兩種凍結(jié)方式的特點(diǎn)，該工程決定采用循環(huán)式制冷方式凍結(jié)法進(jìn)行施工。循環(huán)式制冷方式得以運(yùn)行的核心在于得到制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)及冷媒水循環(huán)三個循環(huán)的協(xié)同配合。

2 凍結(jié)孔施工

先施工透孔，根據(jù)穿透孔的偏差，進(jìn)一步調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。然后根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道施工的孔位，采用由下向上的順序進(jìn)行施工，這樣可防止因下層凍結(jié)孔的施工引起上部地層擾動，減小鉆孔施工時的事故發(fā)生率。

（1）定位開孔及孔口管安裝：在鑿平孔口區(qū)域布設(shè)4 個φ12mm 膨脹螺栓，在魚鱗扣上緊密纏繞麻絲，砸入孔口管后，將其與膨脹螺栓穩(wěn)定連接，再安裝DN125 閘閥，經(jīng)二次開孔后，完全穿透砼管片。

（2）孔口裝置安裝：根據(jù)要求選擇孔口裝置，將其穩(wěn)定安裝至閘閥上，并配置適量密封墊片。

（3）鉆孔：鉆孔作業(yè)所用設(shè)備為MD-80 型鉆機(jī)，在施工中要合理調(diào)整好鉆機(jī)的位置，對其采取固定措施，使鉆頭有效進(jìn)入孔口裝置內(nèi)。若無誤，則將盤根壓在盤根盒內(nèi)。

（4）封閉孔底部：封堵孔底（可通過接長桿將絲堵至孔內(nèi)）。

（5）測量：全面檢測凍結(jié)管，明確其長度情況，再組織測斜作業(yè)，保證偏斜率≤1%。

（6）打壓試驗(yàn)：封閉孔口，借助手壓泵打水入孔。隨著水壓的持續(xù)提升，待該值達(dá)到0．8MPa 并滿足至少為凍結(jié)工作面鹽水壓力1．5 倍的要求后，便可暫停打壓。此后檢驗(yàn)打壓效果，緊閉閥門，持續(xù)觀測30min，保證該期間降壓量≤0．05MPa。

3 工程質(zhì)量與安全技術(shù)保證措施

3.1 預(yù)防凍結(jié)孔施工漏水的措施

首先，應(yīng)采用二次開孔工藝，使用膨脹螺絲對孔口管進(jìn)行固定處理，并在管口位置安裝好閥門。其次，應(yīng)先充填鋼管片格倉并焊上蓋板后再在鋼管片上開孔。與此同時，處理凍結(jié)管時，應(yīng)使用夯管法進(jìn)行處理，夯管過程中，必須確保安裝孔口密封壓緊裝置與水平鉆進(jìn)法相同。最后，應(yīng)事先準(zhǔn)備好凍結(jié)管蓋板與橡膠止?jié){塞，如果凍結(jié)管發(fā)生破裂，則對其進(jìn)行及時的封堵。

3.2 凍結(jié)孔施工安全質(zhì)量技術(shù)措施

首先，應(yīng)準(zhǔn)確找到需要進(jìn)行開孔的孔位，并在隧道兩邊分別布設(shè)點(diǎn)位，從而為施工中的校驗(yàn)、控制凍結(jié)孔等工作的開展。同時，應(yīng)增加鉆機(jī)到開口之間的距離，并架設(shè)孔外導(dǎo)向裝置和開口短導(dǎo)向管，以此降低開孔后誤差。其次，考慮到管片中鋼筋的密集程度，使用開孔器進(jìn)行開孔之前，應(yīng)按照管片施工圖準(zhǔn)確找到隧道管片中結(jié)構(gòu)鋼筋的位置，從而避開鋼筋，并對開孔位置進(jìn)行調(diào)整，確保其與設(shè)計(jì)之間的偏差控制在100mm 以內(nèi)。最后，進(jìn)行第一個凍結(jié)孔施工時，應(yīng)對地層鉆進(jìn)過程中的參數(shù)變化情況進(jìn)行分析與觀察，詳細(xì)檢查與觀測地質(zhì)、水文情況，如有發(fā)生異常，應(yīng)立即采取針對性措施進(jìn)行處理。

3.3 地層凍結(jié)安全質(zhì)量技術(shù)措施

對地層凍結(jié)安全質(zhì)量進(jìn)行控制時，如果凍結(jié)孔偏斜較大，可增設(shè)輔助凍結(jié)孔，確保凍土帷幕不留薄弱環(huán)節(jié)。同時，選擇效率高、體積小、制冷量大、便于運(yùn)輸安裝和操作控制的螺桿冷凍機(jī)組，并采用串并聯(lián)循環(huán)方式，加大鹽水在凍結(jié)管內(nèi)的流量，加快凍結(jié)管的熱交換。

3.4 凍結(jié)孔鉆進(jìn)

一般情況下，進(jìn)行凍結(jié)孔鉆進(jìn)施工時，應(yīng)先安裝簡易鉆頭，直接進(jìn)行無水鉆進(jìn)。無法進(jìn)行深入鉆進(jìn)時，應(yīng)在鉆頭位置安裝單向閥門，使用帶水鉆進(jìn)的方法繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)。當(dāng)凍結(jié)管達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，對單向閥進(jìn)行沖洗，并對凍結(jié)管的端部進(jìn)行密封處理。為了確保鉆進(jìn)精度符合要求，應(yīng)對開孔段進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。鉆進(jìn)前2m 時，必須對凍結(jié)管的方向進(jìn)行反復(fù)核對，而后對鉆機(jī)的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并在確保經(jīng)經(jīng)緯儀、精密羅盤檢測無偏移等問題后，才能夠繼續(xù)進(jìn)行鉆進(jìn)。按照凍結(jié)孔實(shí)際的施工位置，合理的調(diào)整鉆機(jī)的位置，并將其固定好，完成固定后，將鉆頭裝入到孔口裝置中，在盤根盒內(nèi)輕壓盤根，鉆進(jìn)的過程中，應(yīng)先使用干式鉆進(jìn)法，當(dāng)鉆進(jìn)比較難時，且無法前進(jìn)，則應(yīng)使用注水式鉆進(jìn)法，并打開小閥門，對出水、出砂情況進(jìn)行觀察，通過控制閥門開關(guān)控制出漿量，保證地面安全，避免出現(xiàn)地面下沉的情況。凍結(jié)管下入孔內(nèi)前要先配管，保證凍結(jié)管同心度。下好凍結(jié)管后，采用經(jīng)緯儀燈光測斜法檢測，然后復(fù)測凍結(jié)孔深度，并進(jìn)行打壓試漏。凍結(jié)孔試漏壓力控制在0．8-1．0MPa，穩(wěn)定15min 壓力無變化或前15min 壓降＜0．05MPa，后15min 不降為試壓合格。在凍結(jié)管內(nèi)下入供液管。供液管底端連接150mm 長的支架，準(zhǔn)8mm 鋼筋焊接。然后安裝去、回路羊角和凍結(jié)管端蓋。凍結(jié)管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結(jié)管與孔口管之間的間隙，然后拆卸孔口密封裝置。

3.5 管路連接、保溫與測試儀表

取隧道管片斜坡的位置，于該處搭建具有足夠穩(wěn)定性的管架，再設(shè)置鹽水管。為加強(qiáng)對管道與冷卻水循環(huán)管路連接部分的處理，可在該處設(shè)置伸縮接頭等附件。圍繞鹽水管路展開試漏及清洗作業(yè)，再利用阻燃材料保溫，形成厚度約50mm 的保溫層，于外側(cè)包扎阻燃布，實(shí)現(xiàn)全方位的防護(hù)。集配液管與凍結(jié)管的連接處可設(shè)置高壓膠管，凍結(jié)管各進(jìn)出口均需安裝閥門，目的在于后期能根據(jù)實(shí)際需求及時調(diào)整流量。部分凍結(jié)管位于聯(lián)絡(luò)通道四周，可將該部分按照4 個/組的方式串聯(lián)，剩余凍結(jié)管各組數(shù)量以5-6 個為宜。各組均配置集配液管，對凍結(jié)器接口依次編號。

4 結(jié)語

（1）快速解凍采用雙鹽水箱設(shè)置，先用低溫鹽水循環(huán)，并逐步加熱到30℃的熱鹽水循環(huán)0．5h 后，再轉(zhuǎn)換至加熱到70℃的鹽水箱進(jìn)行循環(huán)解凍，可有效地控制斷管風(fēng)險，整個鹽水加熱解凍期間沒有出現(xiàn)斷管的現(xiàn)象。

（2）加強(qiáng)監(jiān)測并及時注漿是有效控制隧道及地面沉降的保證，根據(jù)隧道、地面、管線以及建筑物的沉降和解凍溫度場的監(jiān)測，實(shí)時掌握解凍發(fā)展情況，調(diào)整注漿量和注漿時間間隔，保證凍土融化空間的及時填充，從而減小隧道和地面沉降。

（3）快速解凍不需要拔出凍結(jié)管安裝注漿花管，可在拆除凍結(jié)站后組織實(shí)施，既減少了用電量，也避免了拔出凍結(jié)管的施工風(fēng)險。

（4）合理分區(qū)，跳孔連接分組，適時循環(huán)熱鹽水快速解凍，并采取合理的注漿參數(shù)（注漿壓力、注漿量、流量等）及時注漿，這是保證注漿質(zhì)量控制隧道及地面沉降穩(wěn)定的關(guān)鍵。