富水復(fù)合地層的凍結(jié)加固施工方法研究

康健，張善，馬英博，林賚貺

（1.中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南 長沙 410083）

在富水復(fù)合地層中常使用凍結(jié)加固方法進(jìn)行施工。通過形成人工低溫，凍結(jié)地層中底層的水并形成凍結(jié)體，撐起地層空隙，極大地提升地層的穩(wěn)定程度，并創(chuàng)造在凍結(jié)壁的保護(hù)下進(jìn)行無水作業(yè)的條件。其本質(zhì)是利用人工制冷技術(shù)臨時改變巖土的狀態(tài)以固結(jié)地層。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

福州濱海某地鐵區(qū)間，總長3099.452m。區(qū)間隧道線路為東南方向，出濱海西站后沿規(guī)劃福海路下方敷設(shè)接大數(shù)據(jù)站；沿線為單線單洞盾構(gòu)區(qū)間,設(shè)5 處聯(lián)絡(luò)通道（4#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房），區(qū)間隧道覆土埋深約8.84 ～27.17m。

圖1 盾構(gòu)施工平面圖

圖2 隧道穿越地層比例圖

1.2 地質(zhì)概況

地表到隧道底部覆土厚度約為29.8m。自上而下為：雜填土<1-2>、（含泥）粉細(xì)砂<2-4-5>、淤泥<2-3>、淤泥質(zhì)土<2-4-1>、（含泥）粗中砂<3-3>、粉質(zhì)黏土<3-4-2>、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖<7-1>、中風(fēng)化花崗巖<8-1>。

2 凍結(jié)加固施工方案

由于地層含水量較大，帶壓作業(yè)方式風(fēng)險高，且事故發(fā)生時作業(yè)人員難以自救。為了保證施工安全，擬采用冷凍加固施工方案（即“地面垂直凍結(jié)+倉內(nèi)止水凍結(jié)”）加固地層，然后在凍結(jié)壁的保護(hù)下常壓進(jìn)倉修復(fù)刀盤、更換刀具方案。施工示意圖如圖3 所示。

圖3 凍結(jié)加固示意圖

圖4 冷凍加固施工工藝流程圖

凍結(jié)加固施工總體安排如下：

（1）為實現(xiàn)在土倉內(nèi)布設(shè)凍結(jié)管及水平凍結(jié)期間避免無法更換其周邊滾刀，故提前采用帶壓作業(yè)方式進(jìn)行刀盤面板上更換滾刀及土倉內(nèi)凍結(jié)管布設(shè)。

（2）通過采用地面垂直凍結(jié)+土倉內(nèi)凍結(jié)管水平凍結(jié)方式進(jìn)行刀盤前方及周邊土體的有效加固，即在盾構(gòu)機(jī)刀盤上部及刀盤前方利用垂直凍結(jié)孔凍結(jié)加固地層，使盾構(gòu)機(jī)刀盤左右側(cè)、上部和前方范圍內(nèi)土體凍結(jié)，形成“n”狀冷凍加固體；在土倉內(nèi)螺旋機(jī)閘門口上方及兩側(cè)布設(shè)水平凍結(jié)管，凍結(jié)形成止水帷幕，防止盾體底部地層來水。

（3）為保證盾構(gòu)加固質(zhì)量及節(jié)約工期，垂直積極冷凍35 天，水平積極凍結(jié)較垂直提前15 天左右，對凍結(jié)體檢查確認(rèn)滿足要求后，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段進(jìn)行刀盤修復(fù)、刀箱刀具更換施工作業(yè)。

（4）待完成倉內(nèi)作業(yè)，拔出凍結(jié)管，封堵凍結(jié)孔，而后判斷并進(jìn)行融沉注漿作業(yè)。

3 凍結(jié)加固技術(shù)工藝分析

3.1 冷凍帷幕設(shè)計

（1）對于用于封水的盾構(gòu)機(jī)底部凍結(jié)壁，設(shè)計有效厚度2.0m，保持平均溫度≤-5℃；其他位置設(shè)計有效凍結(jié)壁厚度：盾構(gòu)頂部3.0m，兩側(cè)3.0m，刀盤前方迎土面4.5m，保持平均溫度≤-10℃。

（2）對于地面，積極凍結(jié)時長一般設(shè)計為35 天，對于盾殼內(nèi)則一般設(shè)計為50 天，但形成的凍結(jié)壁與原有盾殼膠接貼合牢固的程度會導(dǎo)致實際時長與設(shè)計時長相異。由于需要保證鹽水流量≥5m3/h/孔；鹽水溫度隨著積極凍結(jié)時長增加而逐漸下降，7 天后要求溫度＜-20℃；15天后，要求溫度＜-25℃；去、回路鹽水具有溫差，溫差值≤2℃；當(dāng)鹽水溫度降至＜-28℃后可以常壓開倉。另外，要求設(shè)計凍結(jié)管散熱量≥100kcal/h/m。若上述條件沒有實現(xiàn)，則不符合要求，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延長積極凍結(jié)時間。

（3）在刀盤四周邊刀帶壓進(jìn)倉更換完成后，帶壓進(jìn)倉，在土倉內(nèi)螺旋機(jī)閘門口上方水平和兩側(cè)敷設(shè)DN40 不銹鋼凍結(jié)管，凍結(jié)管依次平行布置，凍結(jié)管進(jìn)出口通過土倉隔板上預(yù)留閥口連接至隧道內(nèi)冷凍站；積極凍結(jié)前，在前盾殼四周采用DN40 軟管敷設(shè)冷排管，冷排管間距400mm；對盾殼內(nèi)不能敷設(shè)冷排管和無法安裝冷排的區(qū)域，用厚度40mm 的軟質(zhì)塑料泡沫軟板進(jìn)行保溫，敷設(shè)范圍不小于凍土帷幕邊界1.0m 以外；為了防止盾殼內(nèi)冷量損失，在殼體安裝厚的棉布簾，以減少盾殼表面與隧道內(nèi)空氣進(jìn)行熱交換。

（4）進(jìn)行積極凍結(jié)作業(yè)時，要確保凍結(jié)區(qū)中心200m范圍無降水，選擇位置時也需要注意土層中不得有集中水流流經(jīng)凍結(jié)區(qū)。

3.2 凍結(jié)加固孔位布置

（1）數(shù)量要求：地面垂直凍結(jié)孔90 個，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)凍結(jié)管37 根，土倉面板布置水平凍結(jié)孔2 個；地面垂直測溫孔6 個，盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)水平測溫孔2 個；盾構(gòu)機(jī)土倉內(nèi)泄壓孔2 個。

（2）垂直測溫孔布置：垂直測溫孔6 個，規(guī)格、接頭、施工方法與凍結(jié)孔一致。

（3）水平測溫孔和水平凍結(jié)孔：利用土倉面板徑向孔施作，要求水平測溫孔入土深度不能小于2m。

（4）泄壓孔：利用土倉面板徑向孔施作，用于釋放積極凍結(jié)期間盾殼四周產(chǎn)生的凍脹力。每處泄壓孔上安裝壓力表，在凍脹力達(dá)到0.4Mpa 開始泄壓。

（5）垂直凍結(jié)孔：垂直凍結(jié)管按照一定的間距進(jìn)行水平和豎直敷設(shè)。其中凍結(jié)孔開孔或預(yù)埋位置誤差≤50mm。地面凍結(jié)孔成孔軌跡與設(shè)計軌跡之間允許偏斜量≤200mm，土體內(nèi)凍結(jié)管循環(huán)鹽水段長度被定義為有效深度，要求凍結(jié)孔設(shè)計深度≤有效深度≤設(shè)計凍結(jié)深度+0.5m。

3.3 凍結(jié)施工注意事項

（1）在凍結(jié)前，首先要保護(hù)盾構(gòu)，其重點為主軸承密封、盾尾密封、盾體、鉸接密封；然后二次注漿盾尾管片，封堵水源。禁止直接把鹽水降到低溫進(jìn)行循環(huán)，只能使其按預(yù)計降溫曲線進(jìn)行。

（2）對于地面，積極凍結(jié)時長一般設(shè)計為35 天，對于盾殼內(nèi)則一般設(shè)計為50 天，但形成的凍結(jié)壁與原有盾殼膠接貼合牢固的程度會導(dǎo)致實際時間與設(shè)計時間相異。由于需要保證鹽水流量≥5m3/h/孔；鹽水溫度隨著積極凍結(jié)時長增加而逐漸下降，7 天后要求溫度＜-20℃；15天后，要求溫度＜-25℃；去、回路鹽水具有溫差，溫差值≤2℃；當(dāng)鹽水溫度降至＜-28℃后可以常壓開倉。另外，要求設(shè)計凍結(jié)管散熱量≥100kcal/h/m。若上述條件沒有實現(xiàn)，則不符合要求，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延長積極凍結(jié)時間。

（3）積極凍結(jié)時凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度和厚度與否以及凍土帷幕的形成均可以通過測溫所得數(shù)據(jù)來判斷。待均為肯定后，再施工打探孔，待確認(rèn)凍土帷幕內(nèi)土層基本無壓力，再實施開倉作業(yè)。

3.4 凍結(jié)施工防凍保護(hù)

凍結(jié)過程中監(jiān)測凍結(jié)壁溫度，刀盤前方土體達(dá)到冰點時，打開隔板預(yù)留球閥排漿，同時逐漸降低土倉內(nèi)泥漿液面，保持壓力平衡，直至土倉內(nèi)泥漿排至修復(fù)工作平臺底部位置。

隨著凍結(jié)交圈發(fā)展情況，分次（按0.2bar/次）逐步降低倉內(nèi)氣壓，積極凍結(jié)完成時降至常壓。

3.5 凍結(jié)施工效果檢查

（1）為了進(jìn)倉作業(yè)的安全與高效，需并行監(jiān)測多個數(shù)據(jù)：凍結(jié)體對隧道的膠結(jié)貼合程度必須保證凍結(jié)體交圈且完全膠結(jié)隧道；通過測溫來保障凍結(jié)體交圈情況良好及其厚度合規(guī)，為實現(xiàn)以上要求，相關(guān)數(shù)據(jù)均需要符合設(shè)計規(guī)范。

（2）設(shè)計有效凍結(jié)壁厚度：盾構(gòu)頂部3.0m，底部兩側(cè)3.0m，盾構(gòu)迎土面3.2m，平均溫度≤-10℃；盾構(gòu)底部約2.0m，平均溫度≤-5℃。

4 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測

4.1 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

為了能夠及時反饋凍結(jié)狀態(tài)信息，判斷凍結(jié)壁厚度和強(qiáng)度是否達(dá)到施工要求和能夠及時地對凍結(jié)過程進(jìn)行有效控制，需要對凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。

其中，主要對凍結(jié)孔施工、凍結(jié)壁溫度場、凍脹力和隧道沉降等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)測。

4.2 凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測方法

（1）凍結(jié)孔施工監(jiān)測。由技術(shù)人員定時監(jiān)測凍結(jié)孔偏斜，成孔偏斜逢孔必測。先根據(jù)測斜成果繪出相鄰兩孔完成后的偏斜圖，再找出最大孔間距。應(yīng)對超標(biāo)者采取糾偏措施。凍結(jié)管耐壓試驗時長共30min，要求按規(guī)范試壓，壓力0.8Mpa。

（2）凍結(jié)壁溫度場監(jiān)測。①為了掌握各方向溫度場變化規(guī)律，依據(jù)所在地層等實際情況每間隔1 ～3m 設(shè)1個測溫孔，各內(nèi)置一串銅——康銅熱電偶串，每天測溫一次至凍結(jié)壁已完全合規(guī)。可通過由凍結(jié)壁測溫計算所得凍土擴(kuò)展速度以及凍結(jié)壁交圈情況來預(yù)測凍結(jié)壁的厚度和平均溫度。②布置測溫點。首先將8 個測溫孔分別布置在凍結(jié)帷幕內(nèi)外，其次在每孔內(nèi)隔1 ～3m 布置1 個測溫點，且每個測溫孔內(nèi)的測點布置數(shù)量均不少于5 個。

（3）凍脹力監(jiān)測。在土倉面板預(yù)留孔上設(shè)置2 個凍脹力監(jiān)測點并安裝壓力表用于在積極凍結(jié)期監(jiān)測凍脹力。

若凍脹力增加過大且不均勻時，會對設(shè)別使用和盾構(gòu)姿態(tài)控制造成影響。故在凍脹力達(dá)到0.4Mpa 期間，打開凍脹監(jiān)測孔上的旁通閥，開始間斷泄壓，保持凍結(jié)區(qū)的凍脹力在0.4Mpa 以下。

5 融沉注漿施工

凍土融化后可能會沉降，為減少融沉量，解凍后可在凍結(jié)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母欁{，減小凍結(jié)對周圍環(huán)境的影響，在凍結(jié)管拔出的同時在孔內(nèi)灌注水泥砂漿。

5.1 融沉注漿施工工藝

5.1.1 注漿原則

融沉注漿應(yīng)依據(jù)諸如監(jiān)測平臺沉降情況等監(jiān)測反饋信息來迅速組織注漿并控制注漿量。當(dāng)平臺沉降值為-30mm～+10 mm時，發(fā)出注漿提醒警報。運用在凍結(jié)體兩側(cè)同時注漿的方法壓密注漿，至凍結(jié)區(qū)域完全注滿。采用少量多次的原則，在達(dá)到控制要求前反復(fù)注漿步驟。

5.1.2 注漿孔布置

后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)通過該冷凍區(qū)域采用增設(shè)注漿孔管片，利用注漿孔對周邊地層進(jìn)行二次注漿。

5.1.3 注漿時間

融沉補(bǔ)償注漿應(yīng)在凍結(jié)體沉降量大于0.5mm/天或累計凍結(jié)體沉降大于2mm 時及時進(jìn)行；但出現(xiàn)凍結(jié)體隆起時，應(yīng)持續(xù)關(guān)注隆起量，達(dá)到2mm 時立刻停止。

5.1.4 注漿材料

融沉注漿材料的調(diào)配方式是在單液水泥漿中加入水泥-水玻璃雙液漿。水泥-水玻璃雙液漿的溶質(zhì)溶劑體積比為1:1 時效果最好，其中0.8:1 ～1:1 是水泥漿水灰比的推薦值，可使用1 ～2 倍體積的水與B35 ～B40水玻璃混合以稀釋水玻璃溶液，而設(shè)計的漿液凝結(jié)時間是波美度的調(diào)整依據(jù)。

5.1.5 注漿壓力

注漿壓力的范圍一般處于0.3Mpa ～0.5Mpa。

5.1.6 注漿順序

通過監(jiān)測信息反饋，從下往上依次對每個注漿循環(huán)及時進(jìn)行安裝。即先注盾體底部—刀盤前方—刀盤兩側(cè)—刀盤頂部。先注深層，后注淺層，由下而上。

5.2 融沉注漿結(jié)束條件

判斷凍結(jié)體變形穩(wěn)定后，即可結(jié)束融沉注漿。若凍結(jié)壁已完全融化且不注漿，同時實測持續(xù)30 天，數(shù)據(jù)顯示凍結(jié)體沉降每15 天不大于0.5mm，則可停止融沉補(bǔ)償注漿。但要注意，注漿時間不得小于3 個月。

6 結(jié)語

在富水腐蝕性復(fù)合地層中隧道施工作業(yè)時，為了達(dá)成常壓施工條件，可通過凍結(jié)的方式來加固地層，從而避免帶壓施工危險。

在凍結(jié)加固過程中技術(shù)人員要合理布設(shè)凍結(jié)口、凍結(jié)管、泄壓孔和測溫孔。并在凍結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)中及時監(jiān)測控制凍結(jié)質(zhì)量，實現(xiàn)常壓作業(yè)換刀條件下進(jìn)行常壓進(jìn)倉修復(fù)刀盤、更換刀具方案。