淺談富水砂層盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道冷凍法加固施工技術(shù)

楊子健

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710000）

聯(lián)絡(luò)通道的工程施工作業(yè)是目前盾構(gòu)隧道項(xiàng)目中實(shí)施的風(fēng)險(xiǎn)高發(fā)作業(yè)，在隧道中聯(lián)絡(luò)通道，地層條件偏差，往往會(huì)由工程人員先使用地層加固，之后再使用礦山開(kāi)挖的方式。冷凍法比較適合淤泥層、砂礫層的土層，以及那些凍土穩(wěn)定程度、質(zhì)量好的底層土壤。工程人員檢測(cè)地下水溫度變化狀況，了解凍土層的實(shí)際狀況，而且工程控制相對(duì)精確，凍土完整程度好。

1 凍結(jié)法的概述

在盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道地層下地下水相對(duì)較多，而在地層中分布著透水性比較好的砂礫層，地下水流速偏快，在形成洞口時(shí)，耗費(fèi)能量多，洞口凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，而且凍土質(zhì)量不容易保證，這時(shí)，使用注漿法來(lái)加固地層，堵塞地下水道能減少地下水流速，之后再冷凍，這樣才可以達(dá)到更好使用效果，凍土也會(huì)形成凍脹。因此控制好地面強(qiáng)度相對(duì)困難，凍結(jié)法投入成本大，造價(jià)費(fèi)用高。工期施工時(shí)間長(zhǎng)，地層中地下水流速超出了30m/天，地層地下水流速會(huì)達(dá)到90m/天，從專業(yè)角度上來(lái)講，冷凍方案風(fēng)險(xiǎn)偏大，并且凍土融化之后,能造成融沉結(jié)構(gòu)薄弱位置出現(xiàn)滲水漏水。

2 冷凍施工的要點(diǎn)分析

2.1 冷凍帷幕的設(shè)計(jì)

凍土層硬度強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)值為抗折性2MPa，抗剪性為1.35MPa，抗壓為3.5MPa。在地上挖掘周邊外圍，要不設(shè)凍結(jié)壁或者隧道管片交接的面上，其高度不能夠超出零下5℃，其部位設(shè)計(jì)平均溫度為零下10℃凍結(jié)后，加厚層為1.8m。

2.2 凍結(jié)布孔

（1）凍結(jié)孔的布置。凍結(jié)孔需要按照上揚(yáng)、水平、下浮的三個(gè)角度來(lái)布設(shè)，共布置的洞穴孔達(dá)到了64個(gè)，其中會(huì)設(shè)置4個(gè)穿透孔。在隧道兩側(cè)來(lái)進(jìn)行打孔施工，凍結(jié)孔的開(kāi)孔實(shí)際位置誤差不能夠超過(guò)10cm。凍結(jié)開(kāi)口需要有最大允許偏差，誤差范圍不會(huì)超出15cm，其中凍結(jié)孔會(huì)碰到盾構(gòu)側(cè)管片，能夠循環(huán)的接水管頭，其總共長(zhǎng)度不會(huì)超出15cm，使用直徑為89mm，管壁厚為8mm凍結(jié)管。并使用型號(hào)為20低碳型鋼材、無(wú)縫管。

在凍土孔施工作業(yè)中，整個(gè)土體的流失量不能夠大于凍結(jié)孔體，否則就要及時(shí)進(jìn)行注漿控制。施工透孔要做到與隧道流口的位置沒(méi)有偏差，或者鉆孔施工質(zhì)量如果大于10cm，那么就要保證凍結(jié)壁的實(shí)際厚度，原則上與凍結(jié)孔的布置能做出合理調(diào)整。

（2）測(cè)溫孔的布置。測(cè)溫孔布置為6個(gè)，在上行為3個(gè)，下行為3個(gè)，布置測(cè)溫孔多是監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕的不同位置上溫度，并且根據(jù)這些溫度變化，采取合理控制措施，以保證整個(gè)施工安全。測(cè)溫孔尺寸要求，測(cè)溫管可使用直徑為32mm，厚度為4mm的無(wú)縫鋼管，管道長(zhǎng)度可以達(dá)到6m。在管前端應(yīng)用焊接來(lái)密封管內(nèi)，不能夠留有滲水的縫隙。

（3）卸壓孔的布置。在凍結(jié)的帷幕封閉區(qū)域上行和下行分別為2個(gè)孔，安裝上壓力表，這樣就能夠直觀檢測(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)部壓力變化狀況。通過(guò)每日觀測(cè)，及時(shí)判斷凍結(jié)孔形成可直接釋放凍脹壓力。卸壓管可以選擇直徑為32mm的無(wú)縫鋼管，鋼管壁厚為3.5mm，每個(gè)線壓管長(zhǎng)度為2m。在管圈端口開(kāi)孔，進(jìn)入到土體內(nèi)部，鉆孔會(huì)呈現(xiàn)梅花狀，這樣會(huì)保證凍結(jié)孔體內(nèi)部壓力可以傳遞。

（4）制冷的設(shè)計(jì)。土層冷凍期及鹽水溫度會(huì)達(dá)到零下20℃，圍護(hù)凍結(jié)期的溫度為零下25℃。整個(gè)凍結(jié)的時(shí)間會(huì)達(dá)到30天，凍結(jié)的時(shí)間為25天。

3 冷凍質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

使用凍結(jié)設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)土壤內(nèi)的凍存狀況，其鹽水溫度可冷卻時(shí)，進(jìn)出時(shí)溫度數(shù)值及冷凍機(jī)室排氣運(yùn)動(dòng)和鹽水泵運(yùn)行時(shí)壓力數(shù)值。凍結(jié)排氣壓力數(shù)值和制冷系統(tǒng)冷凝的壓力數(shù)值。智能系統(tǒng)檢測(cè)氣化壓力值、溫度，開(kāi)挖支護(hù)的帷幕表面溫度和開(kāi)發(fā)之后的凍結(jié)帷幕，檢查隧道主體建設(shè)內(nèi)容，檢測(cè)隧道水平垂直方向產(chǎn)生的變形狀況，進(jìn)一步去檢測(cè)地面管線的沉降狀況。

3.2 監(jiān)測(cè)方法

工程人員使用水平凍結(jié)孔偏斜監(jiān)測(cè)，并且配合燈光來(lái)進(jìn)行凍結(jié)期密封性的檢測(cè)，在管理部注水，來(lái)檢測(cè)密封性狀況，使用壓泵加壓方法檢查土體滲漏，滲漏程度都要符合水平凍結(jié)設(shè)計(jì)要求。在溫度監(jiān)測(cè)方面，制冷設(shè)備內(nèi)部的冷水循環(huán)，可以使用測(cè)溫儀器設(shè)備，使用精密化水銀溫度計(jì)量設(shè)備檢測(cè)，每天檢測(cè)三次。在初期要每三小時(shí)檢測(cè)一次。在制冷設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)部的工作壓力，要安裝壓力表來(lái)檢測(cè)，這種高壓系統(tǒng)會(huì)使用2.5MPa的壓力表，中低壓系統(tǒng)會(huì)使用0.16MPa的壓力表來(lái)檢測(cè)，檢測(cè)頻次為每天三次。地面測(cè)量在聯(lián)絡(luò)通道位置上，距離地面中心有50m，在這些穩(wěn)定區(qū)域上要放置2個(gè)沉降檢測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。在聯(lián)絡(luò)通道位置上，距地面有20m區(qū)域內(nèi)，布設(shè)沉降點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距會(huì)達(dá)到5m，在聯(lián)絡(luò)通道位置上及管線和建筑物的位置上加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

在聯(lián)絡(luò)通道的50m之外的穩(wěn)定區(qū)域，分別放置水平和兩個(gè)垂直型的基準(zhǔn)點(diǎn)作為負(fù)荷點(diǎn)，在通道兩側(cè)50m范圍之內(nèi)，在隧道水平位置上及垂直方向上,要求地縫變形對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)上還要放置在隧道地面上，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離大約為2m。隧道內(nèi)數(shù)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置要在隧道上下方和作業(yè)隧道壁上，都需要布置，涂抹油漆來(lái)標(biāo)記。

4 融沉注漿施工要點(diǎn)

4.1 融沉的工程控制原則

結(jié)合目前隧道施工環(huán)境，采用自然解凍的方法來(lái)解凍，并且結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，及時(shí)跟蹤，以管控好融沉，在停止解凍的5天左右及混凝土硬度強(qiáng)度值達(dá)到近70%，就可以開(kāi)展融沉的操作進(jìn)行漿液的灌注。

4.2 注漿孔的布置

聯(lián)絡(luò)通道隧道底部的端口可以使用管片增加，在有必要時(shí)候，可使用鉆機(jī)在管片上開(kāi)孔，同時(shí)增加注漿孔聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)，預(yù)埋注漿口的布置，在聯(lián)絡(luò)通道兩端各布置一個(gè)注漿斷面通道部位，布置三個(gè)注漿斷面，埋設(shè)的管道可以用5mm的焊接管，頂端會(huì)帶有螺紋管道。

4.3 注漿工藝的要點(diǎn)

融沉注漿操作應(yīng)該在施工前使?jié){液完成澆筑之后，結(jié)合檢測(cè)反饋信息，快速去注漿，并以此控制好注漿量，使用凍結(jié)帷幕的施工方式在注漿。合理注漿操作，整個(gè)凍結(jié)區(qū)還需要壓漿，緊密壓實(shí)，使用結(jié)構(gòu)體預(yù)埋注漿管，在原有管片上來(lái)注入混凝土漿液。將停止凍結(jié)之后的混凝土結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度會(huì)達(dá)到70%。并且進(jìn)行融沉的注漿，使其持續(xù)的時(shí)間會(huì)達(dá)到4個(gè)月。一般會(huì)使用水泥漿液的配比為水和水泥比例為1:1，注降壓一般控制在0.3～0.5MPa。工程人員控制好地面的沉降變形，這是目前混凝土漿液澆筑的一大目的，在解凍期間，還要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)地面變形檢測(cè)，中筒溫度監(jiān)測(cè)與凍土后的水土壓力檢測(cè)，融沉注漿結(jié)束之后會(huì)以地面變形穩(wěn)定作為實(shí)際，依據(jù)凍結(jié)壁全部融化且不注漿的狀況，實(shí)際的地層沉降數(shù)值在一個(gè)月內(nèi)不會(huì)超出0.5mm，此時(shí)來(lái)停止融沉補(bǔ)償性的注漿。

5 富水砂層盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工研究

隧道聯(lián)絡(luò)通道中使用地面管道降水和洞內(nèi)的降水技術(shù)相融合方法，這種方法就能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)加固堵水作用，還可以實(shí)現(xiàn)減壓限排的工程作用，為了能夠使聯(lián)絡(luò)通道在少水條件下挖掘。在地面降水能夠達(dá)到工程建設(shè)要求狀況下，使用周邊的小導(dǎo)管注漿，這樣就可以降低基坑施工時(shí)的流水和流沙的風(fēng)險(xiǎn)，這種方案更加合理，而且技術(shù)措施比較有效，施工效果更好。

砂礫層往往會(huì)夾雜著中沙或者細(xì)粉沙，如果使用普通類型的設(shè)計(jì)方案，及使用水玻璃、普通水泥顆粒物變大，會(huì)造成漿液擴(kuò)散。在進(jìn)行注漿加固位置薄弱部位偏多，容易出現(xiàn)用水問(wèn)題發(fā)生。注漿時(shí)，使用超細(xì)水泥或者聚氨酯類的注漿材料，來(lái)及時(shí)補(bǔ)充砂漿液、漿液內(nèi)，不可以在細(xì)小孔隙內(nèi)擴(kuò)散，并且實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的加固，可有效改善目前的注漿施工效果，顯著降低地層滲透系數(shù)，也進(jìn)一步延長(zhǎng)時(shí)間，為支護(hù)作業(yè)而創(chuàng)造更好的工作環(huán)境。

在施工作業(yè)中，工程人員注漿，就能夠進(jìn)一步增強(qiáng)地層密實(shí)性，實(shí)現(xiàn)地層加固，及多水的工程建設(shè)目的。注漿方法受到局限，注漿位置區(qū)域會(huì)存在著盲區(qū)，因此要及時(shí)避免盲區(qū)，以保證整體的工程和環(huán)境的安全。

在覆水的沙礫層開(kāi)挖隧道，挖掘地坑會(huì)產(chǎn)生突水涌砂的問(wèn)題，造成地基出現(xiàn)管涌的風(fēng)險(xiǎn)，在施工作業(yè)前，要制定好應(yīng)急處理方案，及時(shí)做好應(yīng)急處理準(zhǔn)備，并且還要準(zhǔn)備凝塊、溺水袋、沙袋、棉紗。一旦發(fā)生險(xiǎn)情，要快速處理應(yīng)對(duì)，及時(shí)封堵，防止這些險(xiǎn)情發(fā)生。在該施工作業(yè)場(chǎng)地，開(kāi)挖基坑時(shí)，使用棉紗、木塞方式來(lái)快速堵住出水點(diǎn)，并且要用沙袋去反壓，噴射混凝土漿液來(lái)封閉補(bǔ)強(qiáng)，會(huì)達(dá)到更好的施工注漿效果。

6 通道及泵房構(gòu)筑

在施工前段面的挖掘方法，開(kāi)挖布局為0.5m，先試挖之后保證安全，再去拆除鋼管片，之后再正式挖掘通道。人工裝土到區(qū)間隧道中運(yùn)行的運(yùn)輸車輛中運(yùn)走。根據(jù)前期探孔揭示的聯(lián)絡(luò)通道處地質(zhì)情況，適合采用風(fēng)鎬及鐵鍬開(kāi)挖。

挖掘方法使用人工和機(jī)械挖掘的方法，往往會(huì)使用全斷面人工挖掘方法，開(kāi)挖斷面，會(huì)使用風(fēng)鎬。施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測(cè)量的原則，有利于支護(hù)盡早封閉，控制地表沉降，開(kāi)挖斷面超挖不大于30mm。

聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖方面時(shí)，首先沿軸線方向挖長(zhǎng)1.2m、高1.8m、寬1.2m的導(dǎo)洞，導(dǎo)洞支撐用16號(hào)工字鋼“門”字形焊接架設(shè)，支撐間距0.4m（架設(shè)3榀），支撐靠近土體的一側(cè)安裝木背板，導(dǎo)洞的作用是利用喇叭口的土體對(duì)喇叭口部位進(jìn)行保溫，待通道全部挖完后再回刷喇叭口，這樣減少喇叭口的暴露時(shí)間。由于洞口尺寸小于聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)尺寸，開(kāi)挖洞口截面在1.5m范圍內(nèi)漸變至結(jié)構(gòu)截面。開(kāi)口處采用爬坡開(kāi)挖,爬坡角度控制在30度以內(nèi)。為保證洞口穩(wěn)定，洞口1.5m漸變段為后挖帶，即在聯(lián)絡(luò)通道其余部分開(kāi)挖完成后再開(kāi)挖該部位，待通道二襯施工完成后最后開(kāi)挖泵房段。

開(kāi)挖面土體溫度檢測(cè)：開(kāi)挖過(guò)程中，使用“點(diǎn)溫計(jì)”定期（每3小時(shí)一次）對(duì)掌子面頂部、側(cè)面、下部土體進(jìn)行溫度測(cè)量，進(jìn)行記錄，溫度應(yīng)具有規(guī)律性的漸變，如發(fā)現(xiàn)異常變化升高，應(yīng)高度關(guān)注測(cè)溫孔、鹽水系統(tǒng)溫度變化是否正常，檢查掌子面是否有滲水漏水情況，做好應(yīng)急準(zhǔn)備，分析升高原因，務(wù)必確保凍結(jié)壁完好，此時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉已開(kāi)挖的暴露凍結(jié)壁。

二襯澆筑前對(duì)排水管溝槽進(jìn)行一次性開(kāi)挖，開(kāi)挖成U型槽形狀的斷面，U型槽上口尺寸為2.5m，下口尺寸為1m，深度按排水管的標(biāo)高進(jìn)行開(kāi)挖，原則上讓排水管周圍全部均由混凝土包裹，以確保后期排水管不漏水。

聯(lián)通通道開(kāi)發(fā)之后，地面中原有應(yīng)力平衡受到破損，而引起道路周邊地槽應(yīng)力再次重新統(tǒng)計(jì)分布，這種分布應(yīng)力，可以使上層地層出現(xiàn)位移，而且會(huì)形成新的附加荷載。將加固好的凍土，當(dāng)凍土超出所承受的壓力，超出了凍土強(qiáng)度數(shù)值時(shí)，凍土帷幕中出現(xiàn)緊縮問(wèn)題，要最大化控制好這種問(wèn)題。凍土開(kāi)挖之后，還要對(duì)凍結(jié)部分，做好必要支護(hù)，將聯(lián)絡(luò)通道突擊支護(hù)作為維護(hù)地層等穩(wěn)定基層，這是保證施工現(xiàn)場(chǎng)安全的重要措施，將初期的維護(hù)，可以作為永久維護(hù)的重要組成。

考慮到目前施工現(xiàn)場(chǎng)有加工好的鋼格柵，一方面，鋼格柵是完全滿足設(shè)計(jì)承載力要求的；另一方面，上一次開(kāi)挖該通道時(shí)，除兩端門口位置處，通道部分使用鋼格柵已經(jīng)完成了大部分的初期支護(hù)，預(yù)計(jì)此次開(kāi)挖過(guò)程僅需對(duì)兩端頭及個(gè)別初支損壞處進(jìn)行支護(hù)，使用鋼格柵支護(hù)后立即噴砼的方案對(duì)凍結(jié)壁影響較?。ㄈ诨饔脤?duì)凍結(jié)壁的影響不至于使凍結(jié)壁破壞），且噴錨完成后對(duì)該處支護(hù)是一種加強(qiáng)作用，可以抵消凍結(jié)壁的弱化。因此，使用鋼格柵是完全滿足要求不具備風(fēng)險(xiǎn)的。

7 結(jié)語(yǔ)

在隧道施工作業(yè)場(chǎng)地出現(xiàn)富水砂層，要通過(guò)使用冷凍方法來(lái)凍結(jié)地層，工程人員在施工場(chǎng)地，要合理布設(shè)凍結(jié)口，把握凍結(jié)孔內(nèi)的直徑和各孔之間的間距，及控制好孔身。并且在施工場(chǎng)地周邊布設(shè)大量測(cè)溫孔和泄壓孔，加強(qiáng)冷凍土的溫度監(jiān)測(cè)，檢測(cè)鉆孔深度，鋪設(shè)凍結(jié)管長(zhǎng)度，及建立起凍結(jié)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)隧道周邊土體監(jiān)測(cè)和凍結(jié)帷幕的檢測(cè)，及溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)和地面檢測(cè)及隧道監(jiān)測(cè)。