盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工控制要點(diǎn)

汪宗輝

摘要 根據(jù)佛山2號線和佛山3號線2個冷凍聯(lián)絡(luò)通道的施工經(jīng)驗(yàn)，文章從開孔、冷卻、冷凍壁厚判定等方面進(jìn)行了闡述，可為后續(xù)類似地質(zhì)水文情況提供參考依據(jù)。通過文章能夠更好地掌握冷凍法的控制原理和控制要點(diǎn)，在以后施工過程中，根據(jù)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和凍結(jié)壁判定條件確定是否達(dá)到開挖條件，更加安全可靠、準(zhǔn)確高效地進(jìn)行冷凍法施工。

關(guān)鍵詞 凍結(jié)法；循環(huán)；復(fù)核

中圖分類號 U231.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0056-04

0 引言

凍結(jié)加固工藝分為垂直和水平凍結(jié)，兩種加固形式在施工工序、原理、技術(shù)、安全、質(zhì)量等方面大體一致，其區(qū)別僅在于冷凍管布置、打設(shè)方法和冷凍站位置的不同。冷凍法施工通過以CaCl2鹽溶液作為冷媒劑的間接制冷系統(tǒng)，通過清水循環(huán)、鹽水循環(huán)、制冷循環(huán)三種方式達(dá)到冷凍目的。

1 案例背景

通過佛山2號線和佛山3號線2個冷凍聯(lián)絡(luò)通道施工，對于冷凍聯(lián)絡(luò)通道有了更多的認(rèn)知，但是2個聯(lián)絡(luò)通道施工環(huán)境不一樣。佛山2號線聯(lián)絡(luò)通道的隧道中部處于中粗砂，中粗砂與東平水道貫通（盾構(gòu)施工得到驗(yàn)證），地下水水流速度也很快（此處進(jìn)行盾構(gòu)開倉水頭的壓力很大），在后期聯(lián)絡(luò)通道施工前進(jìn)行了專項(xiàng)的水流測速，流速大于5 m/d。所以，在佛山2號線聯(lián)絡(luò)通道施工前，應(yīng)增加冷凍管，在洞門周邊增加18根冷凍管，防止地下水流過大無法達(dá)到開挖條件。佛山3號線聯(lián)絡(luò)通道帶廢水泵房，地層類似于佛山2號線地層，通過佛山2號線聯(lián)絡(luò)通道的施工摸索總結(jié)以下幾點(diǎn)。

2 施工要點(diǎn)

2.1 凍結(jié)孔施工

在地層沉降控制要求高的地層中應(yīng)用鉆進(jìn)法時，宜實(shí)施干鉆實(shí)施鉆進(jìn)作業(yè)?？讖囊粋?cè)隧道打入至另一側(cè)隧道，測量透孔位置數(shù)據(jù)后，借助3D建模軟件進(jìn)行精細(xì)化建模以對透孔位置進(jìn)行模擬。將BIM應(yīng)用于施工中（如圖1所示），對于冷凍聯(lián)絡(luò)通道施工過程中冷凍管布置（如圖2所示），以現(xiàn)場實(shí)際左右線的中心線為基準(zhǔn)進(jìn)行建模，特別是需要在鋼管片開孔的項(xiàng)目，可以提前調(diào)整冷凍孔的位置，避免冷凍孔開孔位置出入螺栓或者肋板上[1]。

2.1.1 對穿孔施工控制

根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道線間距確定對穿孔的管長度。第一個孔的施工過程應(yīng)根據(jù)藍(lán)圖確定標(biāo)高和里程坐標(biāo)放樣，施工角度也要和藍(lán)圖一致，水平與打孔的夾角和長度也需要二次確認(rèn)。對穿孔施工須注意止水環(huán)的施工質(zhì)量，以及鉆頭和鉆進(jìn)的壓力。

特別注意的是，二次開孔的凍結(jié)孔鉆透后，應(yīng)繼續(xù)推進(jìn)至止水環(huán)，直至頂?shù)焦芷?，這時止水環(huán)能起到封水效果。凍結(jié)孔鉆透后，在外露凍結(jié)管根部纏盤根后，將凍結(jié)管后拉，使盤根和管片擠緊。最后，增加導(dǎo)流管后，使用堵漏王把凍結(jié)管和管片封嚴(yán)[2]。

2.1.2 孔口安裝

用螺絲將孔口裝置裝在閘閥上（如圖3所示），注意安裝好密封墊片。依據(jù)施工基準(zhǔn)點(diǎn)，按凍結(jié)孔施工圖進(jìn)行凍結(jié)孔的孔位放線。孔位布置首先應(yīng)依據(jù)管片配筋圖，在避開主筋、管縫及螺栓的前提下可適當(dāng)調(diào)整，但不應(yīng)大于100 mm。

2.1.3 二次開孔

在凍結(jié)管連接部位的準(zhǔn)備工作完成后，鉆孔的深度應(yīng)依據(jù)設(shè)計規(guī)范，借助凍結(jié)管作為鉆桿。凍結(jié)管采用絲扣連接，接口處需進(jìn)行補(bǔ)焊以增強(qiáng)其強(qiáng)度，確保凍結(jié)管的同軸度和焊接質(zhì)量。當(dāng)凍結(jié)管達(dá)到設(shè)計深度后，使用麻絲對孔底進(jìn)行密封。

按凍結(jié)孔施工方位要求，調(diào)整好鉆機(jī)位置，并固定好（如圖4所示），將鉆頭裝入孔口裝置，并將盤根輕壓在盤根盒內(nèi)。首先采用干式鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)費(fèi)勁且不進(jìn)尺時，從鉆機(jī)上進(jìn)行注水鉆進(jìn)，同時打開小閥門，觀察出水、出砂情況，利用閥門開關(guān)控制出漿量，保證地面安全。

2.1.4 成孔質(zhì)量復(fù)核

鉆孔完成后，項(xiàng)目技術(shù)人員對每個成孔進(jìn)行驗(yàn)收，對深度、角度、直徑等進(jìn)行確認(rèn)。

首先，進(jìn)行透孔施工以核實(shí)對側(cè)隧道預(yù)留口位置的偏差及鉆孔施工質(zhì)量，如偏差大于100 mm，則應(yīng)根據(jù)保證凍結(jié)壁設(shè)計厚度的原則對凍結(jié)孔布置進(jìn)行調(diào)整。其次，凍結(jié)孔鉆進(jìn)深度不應(yīng)少于設(shè)計深度，但鉆頭碰到隧道管片的凍結(jié)孔除外。此外，鉆孔偏斜應(yīng)控制在150 mm以內(nèi)[3]。

另外，凍結(jié)孔終孔的最大允許間距為1 300 mm，集水井處凍結(jié)孔終孔的最大允許間距為1 400 mm。若超出最大允許間距，可采取補(bǔ)孔或延長凍結(jié)時間等方式進(jìn)行處理。在凍結(jié)管長度和偏斜合格后，進(jìn)行打壓試漏，控制壓力在0.8 MPa。若前30 min的壓力損失小于0.05 MPa，后15 min的壓力穩(wěn)定無變化，則試壓合格。若試壓不合格，可拔出凍結(jié)管進(jìn)行重新鉆孔，或下套管進(jìn)行處理。

2.2 積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)控制

凍結(jié)系統(tǒng)安裝完成后，應(yīng)組織凍結(jié)前的施工條件驗(yàn)收，驗(yàn)收合格方可進(jìn)行凍結(jié)。做好記錄巡查制度，對壓力值、液位、進(jìn)水管和回水管水溫，凍結(jié)孔的溫度進(jìn)行記錄；冷凍期間，做好應(yīng)急工作，配備發(fā)電機(jī)以保障設(shè)備穩(wěn)定；土方開挖過程中，遇到個別凍結(jié)孔溫度異常情況時，應(yīng)及時分析原因，保障周邊土體的穩(wěn)定安全可靠[4]。

2.2.1 積極凍結(jié)

凍結(jié)過程中，通過電腦可以實(shí)時查看每個冷凍管的測溫數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，當(dāng)出現(xiàn)異常孔時可進(jìn)行逐個分析。正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，鹽水溫度7 d內(nèi)可以下降至?20 ℃，凍結(jié)開始后半個月，鹽水溫度下降至?25 ℃，開挖前鹽水溫度降到?28 ℃。

凍結(jié)過程中，現(xiàn)場技術(shù)人員和設(shè)備管理人員應(yīng)對鹽水溫度、水箱液位、管路溫度實(shí)時查看并記錄，觀察管路上的結(jié)霜是否正常。監(jiān)測過程中，當(dāng)進(jìn)水管路和回水管路的流量小于平均流量時，應(yīng)進(jìn)行檢查分析，使其回復(fù)正常水平。

結(jié)合鹽水溫度變化情況，分析凍結(jié)孔周邊的凍結(jié)厚度和速度，粗略估算達(dá)到設(shè)計凍土厚度的時間。

隧道應(yīng)保持通風(fēng)，也需要對水池進(jìn)行降溫，保證進(jìn)水溫度滿足規(guī)范要求。

2.2.2 維護(hù)凍結(jié)

整個施工過程的鹽水溫度應(yīng)不小于?25 ℃。

配用發(fā)電機(jī)并確保一切正常，以防突發(fā)停電造成凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)問題；在整個凍結(jié)過程中，應(yīng)根據(jù)預(yù)埋測溫線實(shí)時關(guān)注測溫數(shù)據(jù)和鹽水溫度。

在聯(lián)絡(luò)通道開挖過中，技術(shù)人員應(yīng)經(jīng)常測量掌子面溫度和周邊土體溫度，測量人員應(yīng)按照監(jiān)測頻率對隧道收斂和地面測量，監(jiān)測頻率增大需要加大監(jiān)測頻率并且反饋至現(xiàn)場管理組。開挖期間應(yīng)保持隧道通風(fēng)，隧道環(huán)境溫度應(yīng)小于20 ℃，鹽水溫度和流量應(yīng)與開挖前保持一致，不能盲目提高標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 開挖條件判定

因冷量比較集中，根據(jù)類似地層施工經(jīng)驗(yàn)計算，該地層凍土發(fā)展速度平均按25～28 mm/d計算，最大孔間距按1.15 m，聯(lián)絡(luò)通道的交圈時間約為22～25 d。

通過對測溫孔和泄壓孔的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，判定凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度和厚度后，開始進(jìn)行試挖，經(jīng)試挖滿足開挖條件后可以正式開挖。

2.4 融沉注漿

充填注漿結(jié)束后，地面監(jiān)測頻率應(yīng)為一天2次，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)分析，地面沉降大于0.5 mm或者累計沉降大于1 mm時，應(yīng)進(jìn)行二次注漿（融沉注漿）；通過融沉注漿以保證凍結(jié)壁融化后土體沒有空腔，確保地面建筑物及行車安全。融沉注漿以地面沉降量和累計沉降量為主，未超過沉降量或累計沉降量可以停止注漿。

注漿過程可以通過注漿量和注漿壓力進(jìn)行控制，注漿壓力達(dá)到壓力值后停止注漿，穩(wěn)壓30 s后再次注漿，若壓力增加，則該孔注漿完成。單孔注漿量達(dá)到理論值后，壓力未增加時，應(yīng)及時分析原因，切勿盲目注漿[5]。

（1）注漿范圍：注漿在成型隧道左、右線聯(lián)絡(luò)通道2環(huán)鋼管片左右各5環(huán)范圍內(nèi)，除K塊外對全環(huán)管片進(jìn)行注漿封水，共對左右線的24環(huán)管片（包含4環(huán)鋼管片）進(jìn)行全環(huán)注漿。

（2）注漿控制參數(shù)：注漿液為水泥—水玻璃雙液漿（或單液雙液交替注漿），水泥漿配比（質(zhì)量比）為C∶W=1∶1，雙液漿配比為C∶S=1∶1；注漿壓力為0.5～0.8 MPa，逐步增加。

（3）注漿要求：注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用雙指標(biāo)控制，當(dāng)注漿壓力達(dá)到0.8 MPa（施工現(xiàn)場可根據(jù)情況確定）或者注漿量達(dá)到設(shè)定值（根據(jù)背襯回填情況確定）或者發(fā)現(xiàn)管片異常等，應(yīng)立即停止注漿。

3 防治措施

3.1 凍脹和融沉治理

凍脹和融沉治理應(yīng)掌握相應(yīng)的影響因素和各自對應(yīng)的控制措施，如表1所示。

3.2 凍脹引起管片變形的防止措施

（1）通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)隧道變形達(dá)到預(yù)警值后，應(yīng)適當(dāng)提高鹽水溫度，減少冷量供給，進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)，以控制凍土的發(fā)展速度。

（2）通過泄壓孔進(jìn)行泄壓，降低凍脹力的影響。

（3）動態(tài)控制千斤頂預(yù)加力，減少千斤頂和鋼架間隙。

（4）增加隧道支撐數(shù)量，加大隧道的監(jiān)測頻率，及時反饋監(jiān)測數(shù)據(jù)以便采取相應(yīng)措施。

3.3 無法在設(shè)計期限內(nèi)實(shí)現(xiàn)冷凍交圈或溫度無法下降

（1）模擬凍結(jié)管相對位置，提前發(fā)現(xiàn)成孔間距的較大位置，必要時在旁邊實(shí)施補(bǔ)孔措施。

（2）施工前，準(zhǔn)確核實(shí)水文、地質(zhì)資料，進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，收集原地層水樣并研究成分，包括地下水流速度、方向，滲透系數(shù)，水位，土層結(jié)冰溫度等。

（3）凍結(jié)管選用質(zhì)量合格的材料，避免凍結(jié)管破裂、鹽水滲入地層。

（4）凍結(jié)管破裂，鹽水滲入地層后，及時切斷該組管路、下供液套管后再及時進(jìn)行恢復(fù)凍結(jié)，延長凍結(jié)時間。

3.4 二次襯砌滲漏水

（1）開孔處容易形成漏水點(diǎn)。實(shí)施襯砌時，應(yīng)規(guī)范做好防水層、止水帶等施工措施，預(yù)埋注漿管用于后期注漿。

（2）混凝土澆筑過程中，為做好分層澆筑和分層振搗，或者漏振等工作，應(yīng)在振搗過程中將振搗棒垂直插入上一層混凝土面以下10 cm，配合附著式振搗棒振搗30 s，確?；炷撩軐?shí)。

（3）冷凍完成后，應(yīng)根據(jù)地面沉降監(jiān)測情況及時進(jìn)行二次注漿，注漿過程應(yīng)嚴(yán)格控制注漿壓力和注漿量。

（4）在緊急情況下，通過預(yù)留注漿孔進(jìn)行引流和注入聚氨酯臨時封堵，后期注入環(huán)氧樹脂進(jìn)行封堵。

4 施工經(jīng)驗(yàn)與大數(shù)據(jù)

通過2個項(xiàng)目的冷凍聯(lián)絡(luò)通道施工，并和勞務(wù)隊伍交流學(xué)習(xí)，查閱資料等，總結(jié)出一些重要數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)分享至此。

4.1 交圈時間判定

根據(jù)已完工項(xiàng)目施工過程記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，交圈時間的判定如表2所示。

4.2 現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)

一般凍結(jié)壁發(fā)展速度：①黏性土：25～30 mm/d。②砂性土：30～35 mm/d。③凍結(jié)壁產(chǎn)交圈時間：18～22 d。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)定厚度需要40 d左右：集水井凍實(shí)，厚度超過2.5 m。

凍結(jié)施工其他參數(shù)：①設(shè)計最低鹽水溫度不高于?28 ℃。②凍土帷幕平均溫度不高于?10 ℃。③凍結(jié)孔單孔鹽水流量為3～5 m3/h。④開挖時鹽水干管去回路的溫差不大于1.5 ℃。⑤凍結(jié)總需冷量為：每小時7.2萬大卡（600 m孔）。

4.3 凍結(jié)壁經(jīng)驗(yàn)取值

凍結(jié)壁壁面上任一點(diǎn)與另一壁面之間的最短距離如表3所示。

5 小結(jié)

根據(jù)佛山2號線和佛山3號線2個項(xiàng)目冷凍法聯(lián)絡(luò)通道的施工經(jīng)驗(yàn)，再結(jié)合防水層和二襯結(jié)構(gòu)，最終創(chuàng)造了安全的施工環(huán)境，為施工作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。同時，根據(jù)已發(fā)生情況對冷凍聯(lián)絡(luò)通道施工過程的控制要點(diǎn)進(jìn)行了研判分析和歸納總結(jié)，可為類似工程提供借鑒參考。

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