長距離隧道凍結(jié)凍脹控制措施研究及應用

李孔剛

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學研究院建井研究分院，北京 100013)

1 概述

從20世紀50年代末開始到現(xiàn)在，凍結(jié)法的應用已有近百年的歷史，從開始的礦山建設領域，逐步向其他工程領域擴展，主要包含有地下管道施工、地鐵工程施工、圍堰工程施工等領域。

20世紀80年代中期，在國內(nèi)市政建設工程中，黑龍江東海拉爾水泥廠卸礦室及皮帶走廊基坑圍護凍結(jié)工程、上海地鐵一號線寧海西路聯(lián)絡通道地面凍結(jié)加固工程等工程首次引入凍結(jié)法。之后，北京中煤礦山工程有限公司開發(fā)了水平凍結(jié)技術，1997年完成了北京地鐵復八線大北窯段隧道拱頂局部水平凍結(jié)工程，1998年完成了國內(nèi)第1個全斷面地鐵聯(lián)絡通道水平凍結(jié)工程，2000年完成國內(nèi)第1個全斷面隧道——廣州地鐵二號線過清泉街破碎帶隧道水平凍結(jié)工程[1]。進入21世紀，凍結(jié)法在我國很多城市地鐵建設中得到推廣應用，涉及地鐵區(qū)間聯(lián)絡通道、盾構進出洞地基加固等[2]。2006年，上海申通地鐵集團公司聯(lián)合北京中煤礦山工程有限公司編制并發(fā)布《旁通道凍結(jié)法技術規(guī)程》后，地鐵凍結(jié)設計、施工管理得到逐步完善，凍結(jié)法施工也逐步成為軟土地鐵聯(lián)絡通道施工的主要工法。目前，適合采用凍結(jié)法施工的地鐵隧道交叉穿越段、地鐵車站(出入口)、區(qū)間隧道等地下工程逐步采用此法施工，且效果良好[3-5]。

2 凍結(jié)法在隧道施工中的應用

1999年廣州地鐵二號線海公區(qū)間左線隧道施工中出現(xiàn)滲水事故，通過對地址條件分析后，采用凍結(jié)法施工將土層保護，保證掘進施工安全[6]。

2003年深圳地鐵4A標段暗挖隧道施工中，首次成功采用常規(guī)凍結(jié)法在鐵路橋下大流速地層中開挖，解決了復雜地址地質(zhì)條件下凍結(jié)法施工的技術難題，為特殊地層條件下的隧道凍結(jié)法施工提供了借鑒[7]。

2003年南京地鐵一號線張府園至三山街區(qū)間地鐵聯(lián)絡通道位于流砂層，地下水豐富，開挖支護難度大，結(jié)合現(xiàn)場條件，采用凍結(jié)法施工，獲得較好的效果[8]。

2013年常熟發(fā)電廠江底盾構取水隧道施工中，發(fā)生的突水涌砂事故，采用凍結(jié)法形成臨時封堵墻，排出隧道內(nèi)積水，構筑永久封堵墻，為隧道工程下一步施工提供了安全保障[9]。

3 凍脹控制措施研究

分段凍結(jié)與全線凍結(jié)法、錯峰凍結(jié)、調(diào)高鹽水溫度、泄壓孔泄壓、設置溫控孔。

分段凍結(jié)與全線凍結(jié)法：主要是對凍結(jié)距離進行分段，依次凍結(jié)的方法，主要適用于凍結(jié)距離較長的隧道凍結(jié)。

錯峰凍結(jié)法：主要是針對雙向隧道同時凍結(jié)來講，為避免同時凍結(jié)時產(chǎn)生較大的抬升量，而采取的一條隧道先行凍結(jié)，另一條隧道在一定時間過后開始凍結(jié)的方法。

調(diào)節(jié)鹽水溫度法：此方法主要針對于在凍結(jié)壁已交圈，且凍結(jié)天數(shù)已達到設計需要的天數(shù)情況下，根據(jù)現(xiàn)場情況，在保證凍結(jié)壁安全可靠，再繼續(xù)凍結(jié)能夠產(chǎn)生較大的危險性凍脹現(xiàn)象，且需要長時間維持凍結(jié)時，所采取的一種控制凍脹的措施。

泄壓孔泄壓：是指通過工程設計中預先設計好的專門用于控制凍脹的泄壓孔來卸掉凍土中應力的一種方法，此方法是應用最廣泛，且是最重要的一種方法。

設置溫控孔：是在設計預算凍結(jié)壁達到最大狀態(tài)時的外圍打孔，為防止凍結(jié)壁無限擴大產(chǎn)生凍脹影響的一種方法。

4 凍脹控制措施在工程實際中的應用

4.1 工程概況

上海軌道交通18號線一期工程從北至南縱貫寶山區(qū)、楊浦區(qū)、浦東新區(qū)三個行政區(qū)，共設26座車站。其中在國權路站與既有運行10號線相交，且為換乘車站，18號線上下行線隧道采用凍結(jié)法加固后礦山暗挖法開挖，下行線隧道與車站方向豎直相交，上行線與車站方向斜交，初期支護完成后，盾構推進穿越，拼裝管片作為永久結(jié)構，上下行隧道管片頂部距離車站底板僅2.209 m。新建18號線上下行線隧道自東向西依次穿越新建18號線國權路車站西側(cè)主體結(jié)構(稱A墻)、10號線國權路車站東側(cè)主體圍護結(jié)構(稱B墻)、10號線國權路車站西側(cè)主體圍護結(jié)構(稱C墻)、10號線國權路車站4號出入口圍護結(jié)構(稱D墻)。

該工程施工影響范圍內(nèi)，主要有電力、信息、燃氣、上水、雨水等管線。施工區(qū)域所處地層自上而下為①1雜填土、②3-1灰色砂質(zhì)土夾粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土、⑤3色淤泥質(zhì)土夾砂、⑤4灰綠色粉質(zhì)黏土等，施工影響范圍土層主要有④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土及⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土層[10]。對本工程設計及施工有影響的是潛水。本工程鉆孔距離長，車站底部障礙物較多，凍結(jié)孔長度達42 m，凍結(jié)孔穿墻，部分凍結(jié)孔穿墻及穿樁，凍結(jié)體量大，凍結(jié)周期長，單條隧道凍結(jié)時間近8個月，凍脹控制難度大。

4.2 泄壓孔及溫控孔布置

泄壓孔分別由上行線與下行線的內(nèi)圈孔與外圈孔組成，內(nèi)圈孔分布在待開挖主隧道中，即位于凍結(jié)壁內(nèi)部區(qū)域，外圈孔分布在三角區(qū)域及上層頂板上部。上行線內(nèi)圈孔由Xs1～Xs8組成；下行線內(nèi)圈孔由Xx1～Xx8組成；外圈孔由Xw1～Xw13孔與J1～J18孔組成，其中孔Xw0，J1，Xw1，J2，Xw4，Xw9，J8，J15及Xw12位于上層頂板上部。內(nèi)圈孔起凍結(jié)壁內(nèi)部泄壓作用，外圈孔Xw1～Xw13作用為凍結(jié)壁外部泄壓作用；J1～J18為溫控孔，主要作用是當上層頂板抬升較大時，通入熱鹽水，通過提高凍結(jié)壁外圍溫度降低凍結(jié)壁的發(fā)展速率，防止凍脹持續(xù)上升，避免對上層頂板甚至上方運營車站產(chǎn)生較大的影響。

泄壓孔布置如圖1所示。

4.3 凍脹控制措施應用

為了將雙線隧道凍結(jié)對10號線運營車站的影響控制在允許范圍內(nèi)，避免對10號線車站的安全造成不良影響，結(jié)合該凍結(jié)加固工程的施工難點，采取了相應的措施，減弱凍脹對車站的不良影響。

1)打開泄壓孔閥門自行泄壓。

此種泄壓方式簡單直接，直接打開泄壓孔閥門，使其泄壓孔內(nèi)的水、污泥等自行流出的泄壓方式。此種方式適用于凍結(jié)前期，即泄壓孔內(nèi)的水、污泥等還未凝結(jié)階段，當壓力表數(shù)值高于0.25 MPa時，打開閥門泄壓，在泄壓孔孔口壓力較高的水、污泥流出后，關閉閥門。泄壓時，須專人盯控，防止泄壓孔內(nèi)的水、污泥流出較多造成沉降或者斷管的危險情況發(fā)生，此泄壓方式可使用于全部泄壓孔。

現(xiàn)場泄壓如圖2所示。

2)沖水及沖氣結(jié)合泄壓。

隨著凍結(jié)的持續(xù)進行，泄壓孔內(nèi)的泥漿較黏稠，泄壓孔內(nèi)的水及泥漿不能順利的流出泄壓孔，但還未發(fā)生凝固時，此時可以用沖水和沖氣相結(jié)合的方式泄壓。首先采用水管沖洗泄壓孔，使泄壓孔里面的泥漿順水流出，為防止多余的水通過泄壓孔的花管部位進入地層，則在花管段減少沖水時間，且水管來回抽送，使得泥漿隨水快速流出泄壓孔。當水管較難推進時，停止沖水，接上氣管，用氣沖出泄壓孔里的水及泥漿。此泄壓方式應用于除凍結(jié)壁周邊泄壓孔之外的泄壓孔較為安全可靠，水管具有一定剛度的軟管較為好用；此種方式操作簡單易行，效果明顯。其現(xiàn)場泄壓圖如圖3所示。

3)取土泄壓。

此種方式為螺旋鉆桿取土泄壓，當凍結(jié)到一定程度，泄壓孔中的水泥漿已凝固，無法采用水氣結(jié)合的泄壓方式時，采用此種方式泄壓效果較為明顯。由于此工程凍結(jié)周期長，持續(xù)凍脹對10號線運營車站、車站底板、周邊建筑物及各種管線產(chǎn)生較大的影響，故在上下行線與底板的左上角、右上角及中間三角區(qū)域布設泄壓孔，用于控制凍脹所產(chǎn)生的影響，此種方式采用螺旋鉆桿鉆進緩慢來回取土，達到泄壓的目的。其泄壓圖如圖4所示。

此種泄壓方式，也可實現(xiàn)定位泄壓，且效果較明顯。根據(jù)沉降數(shù)據(jù)報表，既有車站立柱LZ02，LZ03抬升較為明顯，立柱LZ02位于上行線隧道上部，立柱LZ03位于上下行線隧道中間區(qū)域的上部，根據(jù)立柱與A墻的距離控制螺旋鉆桿的鉆進深度，進行取土泄壓時須按照少量多次的原則，防止一次性取土量過大造成凍結(jié)壁變形或者造成凍結(jié)管損傷。立柱位置如圖5所示。

4)錯峰凍結(jié)與分段凍結(jié)。

上、下行線隧道(簡稱上行線、下行線)凍結(jié)時，為盡量避免三角區(qū)域凍脹產(chǎn)生的疊加效應，故采用錯峰凍結(jié)的方式，減少同時凍結(jié)的時間。在下行線凍結(jié)第111天時，上行線開始開機，進行凍結(jié)，但此時下行線BC段尚未進行開挖，所以上下行線的凍脹在三角區(qū)域產(chǎn)生了疊加，此時車站立柱有較明顯的抬升，隨之上行線關機停止凍結(jié)；在下行線隧道凍結(jié)第156天時，下行線隧道BC段開挖工作結(jié)束，上行線隧道再次開機凍結(jié)，下行線凍結(jié)對車站影響減小，采用錯峰凍結(jié)的方式，可避免上下行線同時凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹疊加效應。

為了控制上、下行線隧道同時凍結(jié)對10號線運營車站結(jié)構的凍脹疊加作用，同時滿足施工工期要求，故上行線采取分段凍結(jié)方式，即AB段內(nèi)圈孔先行凍結(jié)，然后進行全長凍結(jié)。

5)溫控孔循環(huán)鹽水泄壓與調(diào)整鹽水溫度。

為了控制三角區(qū)的凍脹發(fā)展，利用溫控孔循環(huán)常溫鹽水，溫控孔的鹽水循環(huán)采用單獨的鹽水管路循環(huán)，單獨設置鹽水泵和鹽水箱，常溫鹽水比重與低溫鹽水比重相同。此種方式在滿足凍結(jié)壁設計厚度后方可使用，能有效的控制車站立柱的抬升速率，效果較明顯。

本工程上、下行線隧道凍結(jié)施工分別采用單獨的凍結(jié)系統(tǒng)進行凍結(jié)施工，設計低溫循環(huán)鹽水溫度為-30 ℃，下行線采取的全長凍結(jié)，車站立柱抬升量較大，在凍結(jié)46 d時將循環(huán)鹽水溫度調(diào)整為-28 ℃，溫度調(diào)整后，立柱抬升量增速減緩[11]。

5 結(jié)論

主要介紹了幾種長距離隧道凍結(jié)凍脹控制措施及在實際工程中的應用情況。根據(jù)工程實際，對于長距離隧道凍結(jié)凍脹控制措施的應用，根據(jù)應用時間及土層凍結(jié)情況大致可以參照以下順序進行：一是在凍結(jié)初始階段采用打開泄壓孔閥門自動泄壓；二是泄壓孔中的水泥漿較黏稠，但未凝固時可采用水和氣相互結(jié)合的方式；三是土層已凝固時可采用取土泄壓的方式；四是凍結(jié)壁已達到設計的厚度且比較穩(wěn)固時可采用溫控孔循環(huán)鹽水或者調(diào)整鹽水溫度的方式。根據(jù)工程設計及實際情況實時的采取錯峰凍結(jié)與分段凍結(jié)的方式。從控制凍脹效果方面來講，根據(jù)凍結(jié)區(qū)域和結(jié)構型式，在保證安全的情況下，可以采用多種控制凍脹措施并行的方法，均能達到控制凍脹的效果。