蘭州地鐵聯絡通道疏松砂巖地層工程地質特性及凍結法施工淺析＊

盧志潤，魏蒙恩

（1.甘肅永鼎昌盛建筑工程有限公司，甘肅 定西 730500；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730021）

1 引言

蘭州地鐵1、2號線范圍內超過一半的工程點位（簡稱工點）均揭露了飽水、松散、易擾動和承載低的疏松砂巖地層，成為整個工程的難點之一，被國內地質專家稱為“世界性施工難題”[1-2]。疏松砂巖屬于甘肅新近系和古近系地層中一套或多套地層，是西北地區(qū)特殊的弱膠結巖層，常見于蘭州盆地及周邊的大型重大地下工程中[3-5]。根據蘭州市城市軌道交通已建工程經驗及建設規(guī)劃，3號、4號及7號線等多個工程的城關區(qū)段內，有將近一半車站和區(qū)間會遇到疏松砂巖地層[6]。蘭州地鐵應對此套地層綜合運用了明挖、TBM盾構法、礦山法、暗挖法、人工凍結法等多種施工方法。其中聯絡通道（或稱旁通道）是地鐵中最主要的連接結構，傳統(tǒng)采用淺埋暗挖法、礦山法施工，當遇到富水、軟弱等地層時，成本較高的凍結法施工則成為主要備選方法[7-8]。2016年底以來，1號線共有5處疏松砂巖和卵礫石層聯絡通道采用了凍結法；此后2號線所有的聯絡通道均采用凍結法來加固了疏松砂巖地層[9-11]。

雖然凍結法可以解決涌水、涌沙等其他工法難以解決的工程難題，但由于疏松砂巖聯絡通道本身具有地層多變、結構復雜、作業(yè)面狹小、應力集中、安全風險高等特點，在實施過程中也存在很多的問題和風險。對此套地層的分布情況、工程地質特性及凍結施工特性的充分認知，將有益于今后蘭州地鐵及其他地下工程建設。

文章基于蘭州地鐵及多個地下工程，針對地鐵揭露疏松砂巖地層聯絡通道凍結法施工，系統(tǒng)梳理蘭州疏松砂巖地層分布情況、基本工程地質特性及凍結特性，分析蘭州地鐵疏松砂巖凍結法施工風險，并對比不同工程、不同類型工點凍結法施工差異，以期為今后區(qū)域內此套地層凍結法施工選擇提供有益的參考。

2 蘭州地鐵疏松砂巖地層工程地質特性分析

根據疏松砂巖與其地層接觸關系、含水情況、顏色、膠結情況等工程地質特性，也常被稱為半成巖、弱膠結砂巖、富水紅砂巖、特殊紅砂巖、強風化砂巖、流沙層等，下文均稱為疏松砂巖。

2.1 蘭州地鐵疏松砂巖地層分布情況

（1）區(qū)域分布情況。蘭州盆地以北的疏松砂巖主要位于新近系地層，如引大入秦盤道嶺隧道的新近系中新統(tǒng)地層（N1）；蘭州黃河北岸大部分工點現于（N1-2），如在建的G312線清傅6標水阜一號隧道、水阜二號隧道、連霍高速公路清忠二標項目邵家堂隧道、連霍高速公路什川隧道等中疏松砂巖主要位于新近系咸水河組（N1x）。蘭州盆地以南的疏松砂巖主要位于新近系地層，如引洮一期工程7號隧洞的新近系臨夏組（N2l），蘭渝鐵路胡麻嶺隧及定臨高速胡麻嶺隧道中的新近系臨夏組（N2l），此外蘭臨高速齊家莊隧道也有出露。蘭州盆地內的疏松砂巖在新近系和古近系地層中均有發(fā)現，其中蘭渝鐵路桃樹坪隧道內位于新近系地層（N2），地鐵線內則主要出露于古近系（E）多個地層。

（2）地鐵沿線平面分布情況。蘭州盆地疏松砂巖地層受構造運動影響，主要分布于蘭州斷陷盆地雷云河斷裂以東和深溝橋以西區(qū)域一定深度處，分布范圍大，地鐵沿線則主要出露于城關區(qū)范圍內。根據地鐵工程，1、2號線范圍內含車站和區(qū)間共有33個工點涉及到此套地層，占所有工點的58.9%。其中1號線18個工點，包括西關及以東9個車站（占全線20個車站的45%）和9個區(qū)間（占全線19個區(qū)間的47%）；2號線15個工點，包括7個車站（占全線9個車站的78%）和8個區(qū)間（2號線所有區(qū)間）。主要在東起東崗西至西關十字，南起火車站北至雁白大橋范圍內。

（3）地鐵沿線剖面分布情況。地鐵沿線地層向下主要可分5層：雜填土、黃土狀土、卵石、疏松砂巖（強風化砂巖）、中風化砂巖等。其中疏松砂巖層常與上下相鄰的卵石層和砂巖層呈不整合接觸關系，層理不明顯或無層理，巖層基本上由東向西傾斜；層厚相對穩(wěn)定，形狀、成分及結構等在剖面上差異較小，局部夾有泥巖、礫巖或細砂層。城關段疏松砂巖埋深在15 m左右，黃河附近埋深8～10 m，南部近山一帶埋深可達20 m；根據已有文獻及《1∶25萬蘭州市幅建造構造圖》（甘肅省地質調查院，2008）資料，此套地層主要位于新近系和古近系，以漸新統(tǒng)野狐城組（E3y）、古－始新統(tǒng)（E1-2）為主。

2.2 疏松砂巖地層基本工程地質特性

疏松砂巖物理力學性質極差，地層強度很低，圍巖承載力和自穩(wěn)能力極差，易造成開挖面失穩(wěn)，工程地質及水文地質問題尤為突出。

（1）物理特性。疏松砂巖常呈棕紅色、磚紅色、橘紅色和暗紅色，顆粒比較純凈，雜質較少，主含礦物為石英、長石，部分工點含少量云母；顆粒大小較為均勻，工點間差異相對較小，分選良好，具有一定的磨圓度，按照土工試驗結果，可劃分為含細粒土砂、細粒土質砂、細砂等。比重2.64左右，含水率8%～15%，飽和含水量約18%，天然密度2.198 g/cm3；疏松砂巖骨架顆粒呈單粒結構，排列較緊密；泥質膠結，但膠結物很少，膠結差，連接微弱；孔隙度較大，呈均勻松散的孔隙結構類型。

（2）力學及水理特性。疏松砂巖具有低壓縮性、低強度，尤其內聚力低，小于70 kPa，部分工點單軸飽和抗壓強度不足1 MPa，變形模量僅40～131 MPa，內摩擦角30°～35°。開挖暴露后易風化，含水量較低時，強度微弱酥脆，擾動后易散為粉末狀沙土，容易用手捏碎；遇水或含水量較高擾動后易流變、崩解尤其擾動后急速變成砂漿、泥漿，易涌流。蘭州地鐵比鄰黃河，大部分工點的疏松砂巖均在地下水位以下，處于富水、飽水狀態(tài)，加之其具有一定透水性，施工風險大、難度大。

2.3 疏松砂巖地層凍結工程地質特性分析

疏松砂巖的凍結特性直接影響地層凍結法施工的質量，根據疏松砂巖不同工點原狀樣、凍結樣、重塑樣實驗，此類地層具備優(yōu)良的凍結特性和良好的溫度特性，施工后期及工程運營階段，應充分考慮到因地層溫度的變化而引起強度的改變。

（1）人工凍結特性。根據凍脹實驗，其凍結等級均為I級，屬于不凍脹少冰凍土?？紤]工程擾動，取平均值12.18%的試樣配制重塑樣，當溫度為-10 ℃時，試樣單軸抗壓強度平均值增加至5.578 MPa，彎拉強度平均值增加至2.08 MPa，抗剪強度平均值增加至1.56 MPa，凍結后其力學性能明顯改善，尤其內聚力大幅度增加（10倍左右）。

（2）解凍融沉特性。根據融沉實驗，其融沉等級為I級，屬于不融沉類別。當其解凍后，相比凍結狀態(tài)其力學性質大為劣化，特別是擾動后，將低于原狀疏松砂巖。相比原狀樣，凍結解凍后密度略有降低，但孔隙度顯著加大，滲透系數增大近10倍，與電鏡實驗微觀結構中對孔隙度變化的分析結果一致，這也間接表明地層經過凍結及解凍以后，其結構發(fā)生變化，孔隙增大。

3 地鐵聯絡通道凍結法施工基本情況及風險淺析

地鐵土建施工分為盾構區(qū)間施工、車站主體施工和附屬結構施工幾部分，其中車站施工主要有明挖法、蓋挖法和暗挖法，區(qū)間線路以盾構施工、明挖為主；而作為地鐵附屬部分的聯絡通道，一般采用礦山法和暗挖法施工，在常規(guī)方法無法奏效的情況下，常被迫采用凍結法。蘭州地鐵1號線共設26個聯絡通道，2016年，1號線五里鋪至東部市場站區(qū)間聯絡通道疏松砂巖首次采用冷凍法加固方式并取得成功，此后除了省政府車站基坑支護局部凍結工程以外，1號線共有5個聯絡通道采用了凍結法，占全線26個的19%；在此基礎上2號線7個聯絡通道均采用凍結法，占全線7個的100%。

3.1 地鐵聯絡通道結構風險分析

聯絡通道兩端與上下行已建盾構隧道連接，具有收集地鐵運行時的積水及人員疏散作用，有地鐵“生命通道”之稱，中間位置一般設有泵房，常處于地鐵最深處，位置特殊、自身結構和連接處結構復雜，應力集中明顯；加之蘭州地鐵毗鄰黃河，地下水流速大、沖刷力強，地質及水文條件復雜，涌水塌方等事故發(fā)生可能性大。施工時需要在上下線盾構隧道管片處開孔施工，施工工序繁瑣，作業(yè)面小，大型設備無法施展拳腳，不僅要考慮自身安全穩(wěn)定，又要考慮已建連接隧道及周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定。

3.2 人工凍結法施工優(yōu)勢分析

凍結法原理簡單、適應性強，可有效隔絕地下水，加固圍巖，幾乎不受地層條件的限制；施工靈活且屬于“綠色”施工方法，對環(huán)境零污染，特別對復雜地層施工經濟合理，符合工程發(fā)展大趨勢。相比常規(guī)方法，凍結加固方法設備及工藝復雜，成本較高，僅前期主動凍結就需要近50 d，后期施工時需要維持凍結，并需要考慮對工程相鄰關鍵部位凍融作用影響，因此線型工程較長距離一般不建議首選凍結法。但是對于聯絡通道等災害嚴重的區(qū)段或長度適中的關鍵地段，如穿黃段富水砂卵礫石層及市區(qū)段飽水疏松砂巖地層，施工經濟合理，建議首先考慮凍結法進行施工。

3.3 聯絡通道凍結法施工過程風險分析

聯絡通道凍結法施工一般是在常規(guī)方法實施時的被迫選擇，工程環(huán)境更加復雜，在凍結前準備階段、積極凍結階段、維持凍結階段、解凍融沉階段均存在很多風險點。在凍結前準備階段主要存在鉆孔涌水涌沙、凍結管偏移、管片損傷、器具掉落等風險；在積極凍結階段主要存在凍脹量過大、凍結管泄漏、凍結帷幕不達標等風險；在維持凍結開挖施工階段主要存在凍結帷幕因強度不夠等因素失穩(wěn)、透水、涌泥、涌沙、通道圍巖變形過大、襯砌混凝土開裂變形等風險；在解凍融沉階段主要存在融沉量過大、凍結管涌水涌沙、襯砌混凝土開裂變形等風險。

4 疏松砂巖凍結法施工對比分析

4.1 地鐵不同類型工點及地層凍結施工應用

在地鐵施工中，凍結法可用于富水軟弱段凍結加固、聯絡通道凍結加固、隧道進出口處凍結加固和涌水涌沙等特殊洞段凍結加固施工4種情景。蘭州地鐵凍結法主要應用在車站基坑局部止水加固和聯絡通道凍結加固2種情況，且均屬于地區(qū)內首次凍結法施工。除省政府車站2個基坑間咬合樁周邊疏松砂巖地層局部人工凍結加固止水工程外，其他的凍結工程則主要為地鐵聯絡通道的加固。

蘭州地鐵聯絡通道中凍結法主要應用于市區(qū)段疏松砂巖地層段和穿黃段卵礫石層2類地層的加固。其中針對疏松砂巖地層加固的共有12處，1號線省政府至東方紅廣場區(qū)間聯絡通道、東方紅廣場至盤旋路區(qū)間聯絡通道、盤旋路至五里鋪區(qū)間聯絡通道等5處，2號線全部的聯絡通道7處，凍結法施工主要針對富水、結構疏松、易風化、易擾動、易崩解、泥化涌流、無承載等工程難題，凍結可參照的工程及參數少。針對卵礫石層加固的主要在1號線迎門灘馬灘區(qū)間聯絡通道及馬灘土門墩區(qū)間聯絡通道，砂卵石層屬于國內首次4穿黃河地鐵線特殊地層，巖層透水性極強、地下水流速高且動水壓力大，聯絡通道凍結法施工過程中存在易涌水、易塌孔、易磨損、易斷裂等各類工程風險，凍結可參照的工程及參數很少。

4.2 不同工程疏松砂巖凍結施工應用

凍結法中常用的有液氮直接凍結法和鹽溶液循環(huán)凍結法等，由于液氮凍結成本較高，目前多數用于工程搶險，而鹽溶液凍結方法應用較廣泛，也是蘭州地鐵及引洮1期引水工程7號隧洞凍結加固的首選。鹽溶液凍結法施工中，利用氨（NH3）為制冷劑的冷凍設備，將冷卻到-20～-30 ℃的氯化鈣（CaCl2）溶液輸送至指定地層區(qū)域，經低溫鹽水長時間循環(huán)吸取管外的熱量，使周圍地層凍結并達到一定的范圍和開挖強度后，進行開挖施工。蘭州地鐵凍結工程中定點區(qū)域常年地溫14～20 ℃，積極凍結時間在40～50 d，凍結后溫度保持在-24～-28 ℃；開挖、初期支護和二次襯砌施工期間維持凍結；此后按程序將圍巖解凍恢復至自然溫度，融沉注漿完成整個工程。

蘭州地鐵聯絡通道疏松砂巖地層開挖長度4.8～12 m，凍結區(qū)域埋深20 m左右，最深的將近40 m，難點在于地面鄰近建筑物多、管線較為復雜，施工屬于“洞中打洞”，所有工序均在隧道內完成，施工工作面小、難度大。1號線五里鋪至東部市場站區(qū)間聯絡通道首次采用冷凍法加固方式并取得成功，是后期地鐵線路其他疏松砂巖地層聯絡通道凍結法施工基礎。與蘭州地鐵聯絡通道疏松砂巖地層相比，引洮7號隧洞屬于埋深隧洞，地層壓力較高，工程地質環(huán)境差異大，可參考性低。引洮疏松砂巖地層凍結位于地下235 m左右；地表無特殊建筑，冷卻塔置于地面，凍結時間相對長、凍結效果可控性低、施工難度較大。

5 結論

人工凍結法成本較高，且有一定的技術難度，但在蘭州地鐵聯絡通道復雜地質環(huán)境下算是比較成功的選擇。

（1）疏松砂巖是廣泛分布于蘭州周邊尤其是地鐵城關段的一套或多套古近系和新近系弱膠結地層，工程地質性質差、工程地質問題突出，是蘭州地鐵建設最主要的風險源及施工難題之一。

（2）利用人工制冷技術地層適應性強，可改良地層的物理力學特性，將待開挖地層凍結形成強度加固的凍結體，可有效提高加固施工板結功效，降低施工風險，但成本相對較高。

（3）地鐵聯絡通道結構特殊，不同地層施工風險不同；尤其是蘭州地鐵聯絡通道疏松砂巖地層常規(guī)加固方法無法達到開挖要求，廣泛采用了凍結法施工，效果顯著。

（4）人工凍結法已在蘭州市復雜地下工程施工難題中探索出一條安全、綠色的成功路徑，可在今后擬建的地鐵含水疏松砂巖地層聯絡通道建設中被優(yōu)先推廣應用。