富水流砂砂層地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔施工風(fēng)險控制要點

瞿 鵬，張玉如，裴春偉（上海建科工程咨詢有限公司， 上海 200032）

0 引 言

凍結(jié)法施工是常見的對土體進(jìn)行加固的方法，為了形成的良好凍結(jié)帷幕并保證開挖面的穩(wěn)定性，須嚴(yán)格控制凍結(jié)孔的施工工藝及施工質(zhì)量。如朱澤萱[1]以福州地鐵2號線紫陽站-五里亭站區(qū)間的66 m超長聯(lián)絡(luò)通道工程為背景，采用雙集水井結(jié)構(gòu)、減小聯(lián)絡(luò)通道尺寸等設(shè)計優(yōu)化措施，解決一系列聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)難題；郭紅斌[2]基于凍結(jié)法的軌道交通聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔施工技術(shù)，闡述了凍結(jié)孔施工工序，并提出相應(yīng)的質(zhì)量、安全保證措施；葉松明[3]針對上海軌道交通17號線漕盈路-淀山湖大道站區(qū)間6號聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)后開挖過程中的漏水搶險及后續(xù)修復(fù)處理進(jìn)行總結(jié)介紹。

以某市地鐵某工區(qū)聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔施工工程（以下簡稱“本工程”）為例，簡單介紹該工程的地質(zhì)狀況、工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔施工工藝和施工步驟，重點闡述工程凍結(jié)孔過程中遇到的涌水涌砂風(fēng)險狀況及采取的具體搶險措施，并在事后分析風(fēng)險產(chǎn)生的原因，討論凍結(jié)孔成孔后試壓性試驗不合格情況下的優(yōu)化處理方式，為相似地質(zhì)條件下的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔施工風(fēng)險控制及質(zhì)量控制提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)特性

聯(lián)絡(luò)通道埋深21.7 m，區(qū)間主要穿越③2粉砂、③3j砂質(zhì)粉土與粉質(zhì)黏土互層、③3砂質(zhì)粉土夾粉砂。各地層物理力學(xué)性能、滲透性能如表1和表2所示。

表1 各地層物理力學(xué)性能圖

表2 各地層滲透性能

1.2 聯(lián)絡(luò)通道及泵房設(shè)計概況

聯(lián)絡(luò)通道水平通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，泵房為矩形結(jié)構(gòu)，通道和泵房均采用兩次襯砌，其中通道初襯（鋼支架噴射混凝土）厚度為300.00 mm，泵房初襯厚度為300.00 mm；通道的開挖輪廓長約8.01 m，寬4.00 m，高約4.22 m，局部（喇叭口處）高約4.47 m，寬4.60 m；泵房開挖輪廓長5.00 m，寬4.00 m，深約3.96 m。通道二次襯砌底板厚0.70 m，頂板厚0.45 m，側(cè)墻厚0.45 m，局部（喇叭口處）頂板厚1.03 m，泵房豎墻和底板厚均為0.45 m，采用C40P10混凝土澆筑。聯(lián)絡(luò)通道副線凍結(jié)孔28個、測溫孔8個、泄壓孔2個；聯(lián)絡(luò)通道主線凍結(jié)孔56個，測溫孔2個。

2 凍結(jié)孔鉆孔施工

2.1 凍結(jié)孔定位及開孔控制

由于里程及管片拼裝誤差，聯(lián)絡(luò)通道的方位角并非是理想中的設(shè)計角度，為了防止鉆孔發(fā)生偏差，需再對隧道中線及聯(lián)絡(luò)通道控制點進(jìn)行測量，重新定方位角和高程后再重新進(jìn)行復(fù)核。凍結(jié)孔需依照施工圖進(jìn)行凍結(jié)孔孔位放線，孔位布置應(yīng)避開管片接縫、螺栓、主筋、止水條和鋼管片肋板[4]，誤差一般不應(yīng)大于100 mm。在正式開孔前，利用隧道管片上的補漿孔鉆小孔進(jìn)行探孔，檢查地層穩(wěn)定性?；炷凉芷@孔須選用金剛石開孔鉆機，350 mm厚管片開孔深度至300 mm時停止鉆進(jìn)并預(yù)留50 mm以上的保護(hù)層，用鋼楔楔斷巖心，取出后安裝孔口管，并用膨脹螺絲固定在管片上，裝上閘閥，再將閘閥打開，用Φ110 mm金剛石鉆頭從閘閥內(nèi)開孔，一直將混凝土管片開穿，如地層內(nèi)的水砂流量大，就及時關(guān)好閘門。鋼管片鉆孔時，須在鋼管片上焊好孔口管，在孔口管上接好閘閥，用鉆機接上金剛石鉆頭，從閘閥內(nèi)切割鋼管片鉆進(jìn)。使用夯管錘工藝在鋼管片上開夠深度后，一定要裝好防噴裝置才能進(jìn)行二次開孔[5]。聯(lián)絡(luò)通道孔口管鉆孔安裝示意圖，如圖1所示。

圖1 孔口管鉆孔安裝示意圖

本工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔凍結(jié)孔施工順序為先施工透孔，透孔能夠起到聯(lián)系測量聯(lián)絡(luò)通道兩個洞門位置并校核凍結(jié)孔角度的作用；副線凍結(jié)孔施工順序為下部凍結(jié)孔F4～F5鉆進(jìn)，再到上部凍結(jié)孔B12～B1鉆孔作業(yè)；聯(lián)絡(luò)通道主線凍結(jié)孔（冷凍機所在設(shè)備一側(cè)）施工順序為由下部M7～M1到上部凍結(jié)孔A20～A21。其中，C1～C10為測溫孔。

為了防止下部凍結(jié)孔施工影響上部土層的擾動，凍結(jié)孔的施工順序應(yīng)為由上至下，本工程施工順序有待商榷。

2.2 凍結(jié)孔鉆進(jìn)與凍結(jié)管設(shè)置控制

孔口管安裝及鋼格倉填充完成后，按照設(shè)計圖紙要求角度進(jìn)行鉆機就位，大球閥安裝完成后用φ110 mm的鉆頭進(jìn)行鉆磨管片，待管片磨穿后更換φ89 mm的凍結(jié)管進(jìn)行鉆進(jìn)。凍結(jié)管的尺寸根據(jù)設(shè)計長度進(jìn)行調(diào)配，每個凍結(jié)管之間的絲口須進(jìn)行焊接，并檢查焊接質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計要求復(fù)核凍結(jié)管的外露尺寸及鉆孔角度，在滿足上述要求后方能對孔口管預(yù)留的注漿孔進(jìn)行注漿作業(yè)，待注漿完成24 h后方能拆卸球閥并立即用環(huán)形鋼板把凍結(jié)管與孔口法蘭焊接。

正常鉆進(jìn)時，宜先采用無水鉆進(jìn)，這樣可以減少水土流失，對控制地面和隧道的沉降十分有利。鉆進(jìn)困難時，可在鉆頭部位安裝一個特制單向閥門，采用帶水鉆進(jìn)方式。凍結(jié)管到達(dá)設(shè)計深度后沖洗單向閥，并密封凍結(jié)管端部。在鉆進(jìn)過程中，如發(fā)生水土流失，可根據(jù)每日的監(jiān)測情況，及時通過安裝在孔口管部位的旁通球閥對土體進(jìn)行補壓漿，以單液漿為主，以控制鉆孔對周邊環(huán)境的影響。在凍結(jié)管內(nèi)安插供液管，然后焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。

2.3 成孔質(zhì)量檢查

（1）保證凍結(jié)孔開孔位置誤差不應(yīng)大于100 mm、開孔間距誤差不應(yīng)大于150 mm。

（2）由于凍結(jié)孔深度小于10 m，故凍結(jié)孔成孔最大間距不得大于1.3 m，凍結(jié)孔最大偏斜率不得大于1%。

（3）凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度應(yīng)不小于設(shè)計深度，不宜大于設(shè)計深度0.5 m；凍結(jié)管管口露出孔口管不宜小于100 mm，施工完成后的凍結(jié)管應(yīng)做好保護(hù)，管內(nèi)不得留有任何雜物。

（4）凍結(jié)管長度和偏斜合格后再進(jìn)行打壓試漏，試驗壓力應(yīng)為凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍～2倍，且不宜低于0.7 MPa，試壓30 min壓力下降不應(yīng)超過0.05 MPa，穩(wěn)定15 min壓力無變化則為試壓合格。

3 鉆孔、成孔期間存在的問題、風(fēng)險控制及其優(yōu)化處理

3.1 鉆孔期間涌水涌砂搶險措施

主線聯(lián)絡(luò)通道A7凍結(jié)孔鉆孔期間，發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象。A7凍結(jié)孔為上部仰角孔，設(shè)計角度為22°，設(shè)計深度為5.7 m。未鉆孔前地層壓力約為1.2 MPa。

發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象后，現(xiàn)場大量流砂從大球閥與孔口管之間密封墊涌出，作業(yè)人員立刻抽出鉆桿，關(guān)閉球閥閥門，但由于球閥安裝前未進(jìn)行試驗性檢測，該球閥已損壞，導(dǎo)致無法正常關(guān)閉閥門，技術(shù)人員迅速將應(yīng)急物資中的圓木塊端頭裹上棉絮，再通過鉆機推力強行頂入孔口管內(nèi)。待無涌水涌砂后，通過旁通球閥進(jìn)行補充注漿，注漿泵壓力達(dá)到3 MPa后停止注漿，累計注漿量約2 t。涌水涌砂失控時間約為15 min。通過第三方監(jiān)測機構(gòu)測量地表沉降量，單日地表下沉量累計沉降值為1.7 mm，未超過3 mm的預(yù)警值，無需進(jìn)行地表注漿。待旁通球閥補充注漿完成12 h后，打開旁通球閥注漿閥門，無流砂現(xiàn)象后拆除老化球閥更換新球閥及密封墊，重新進(jìn)行鉆孔施工。

3.2 成孔試壓凍結(jié)孔問題優(yōu)化處理

為了檢測凍結(jié)管的密封性，成孔結(jié)束后應(yīng)對每個凍結(jié)孔進(jìn)行試壓試驗。本工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔試壓期間發(fā)現(xiàn)A8凍結(jié)孔試壓存在密封性問題。

A8凍結(jié)孔為上部仰角孔，設(shè)計角度為22°，設(shè)計深度為5.7 m；打壓期間初始壓力為0.9 MPa，30 min后下降至0.78 MPa，試壓不合格。

技術(shù)人員對A8凍結(jié)孔進(jìn)行洗孔并重新安裝絲堵，但隨后進(jìn)行的打壓試驗仍不滿足要求。依照已確定的方案，下放鋼質(zhì)套管，套管內(nèi)下放直徑約32 mm的鋼質(zhì)供液管。由于凍結(jié)管直徑為89 mm，套管直徑為50 mm，凍結(jié)管與套管之間存在隔層，積極凍結(jié)期間將影響冷量傳遞及凍結(jié)帷幕的形成。為了不影響后期凍結(jié)效果，將A8凍結(jié)孔單獨集配液圈接一個管路，積極凍結(jié)期間不進(jìn)行鹽水循環(huán)，并在A8凍結(jié)孔中部放置一個溫度觀感器，用來監(jiān)測溫度變化，待周邊土體凍結(jié)，觀感器溫度在0℃以下后取出溫度觀感器，用兩根細(xì)銅管（一根用于進(jìn)水，一根用于出氣）深入套管與凍結(jié)管的孔隙（隔層）中至單向閥位置，用簡易注水泵通過細(xì)銅管向隔層中注水，使水由上往下流，且凍結(jié)管孔口位置應(yīng)提前用封水板進(jìn)行密封，保證水不流失，待隔層注滿水且隔層完全結(jié)冰后再裝羊角管及鹽水管路，進(jìn)行積極凍結(jié)。積極凍結(jié)期間羊角結(jié)霜正常且無滲漏。

4 結(jié) 語

本文主要從鉆孔前準(zhǔn)備、鉆孔期間施工工藝流程、鉆孔期間涌水涌砂風(fēng)險控制具體措施及凍結(jié)孔成孔后試壓試驗不合格情況下所采取的優(yōu)化方案這四部分進(jìn)行闡述。過程分析如下。

（1）從凍結(jié)孔施工全過程來看，凍結(jié)孔在施工順序上存在問題，雖然從后續(xù)凍結(jié)帷幕的形成及開挖面的穩(wěn)定性等方面來看，并未對土層造成實質(zhì)性影響，但仍不可取。

（2）鉆孔期間最容易被忽視的往往就是施工前的材料檢查，如本工程中的大球閥及法蘭間的密封墊。施工前應(yīng)組織相關(guān)人員檢查材料設(shè)備及應(yīng)急物資的準(zhǔn)備情況，為施工期間提供保障。

（3）成孔后，由于密封性問題采用下放套管的方案，雖然操作過程較為復(fù)雜，但相較于重新補孔帶來的風(fēng)險，仍算是優(yōu)選方案。

總體而言，本工程施工過程中未發(fā)生較大質(zhì)量問題，整體控制效果較好，能夠為類似工程提供參考。