隧道圍巖冷凍法加固施工全面控制探究

李蕾

【摘?要】針對地下工程建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)情況、地面環(huán)境復(fù)雜狀況，本文全面介紹了盾構(gòu)隧道橫通道圍巖冷凍法加固施工的施工工藝和關(guān)鍵部位技術(shù)措施，希望為類似的工程項(xiàng)目建設(shè)施工帶來參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】凍結(jié)加固;積極凍結(jié);注漿;監(jiān)測;風(fēng)險

【Abstract】Aiming at the geological conditions of the underground engineering construction project and the complex situation of the ground environment， this paper comprehensively introduces the construction technology and key parts technical measures for the reinforcement of the cross-channel surrounding rock of the shield tunnel， and hopes to bring reference and reference for the construction of similar projects.

【Key words】Freezing reinforcement;Active freezing;Grouting;Monitoring;Risk

某城際鐵路盾構(gòu)法施工隧道橫通道地面為華策國際大廈，埋深26.80m，該橫通道（與泵房合建）處線間距17.00m，所處地層為填海造陸產(chǎn)生，主要為淤泥質(zhì)粘土層、中砂和全風(fēng)化巖層，滲透系數(shù)大。為保證施工安全，減少對地面環(huán)境的影響，該橫通道施工由地面施做旋噴樁、洞內(nèi)水平注漿加固，調(diào)整為凍結(jié)法加固地層、臺階法施工，輔助工法采用掌子面預(yù)注漿。

1. 水文分析

該橫通道地下水位埋深1.6m，可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。第四系孔隙潛水主要由大氣降水豎向入滲補(bǔ)給。承壓含水層主要分布在砂類土中，上部隔水頂板多為黏性土，主要接受大氣降水與海水通過潛水入滲補(bǔ)給，承壓水由靜水壓力較大區(qū)域流向靜水壓力較小區(qū)域，線路右側(cè)為丘陵地帶，左側(cè)為海積平原地帶，因此橫通道承壓水流向?yàn)閺木€路右側(cè)至左側(cè)。

2. 凍結(jié)加固施工設(shè)計

2.1?加固后的土體應(yīng)有良好的均勻性、自立性和必要的強(qiáng)度。凍結(jié)加固施工設(shè)計內(nèi)容主要包括凍結(jié)帷幕、凍結(jié)孔、測溫孔、管片保溫、鹽水溫度、積極凍結(jié)時間、隧道應(yīng)急門及凍脹與融沉控制等。凍結(jié)孔布置于左、右線隧道兩側(cè)，共116個（含6個透孔），其中左線76個，右線40個。凍結(jié)帷幕厚度不小于2.8m;凍結(jié)壁平均溫度不高于-13℃，與管片膠合處帷幕平均溫度不高于-8℃;凍結(jié)單軸抗壓強(qiáng)度為4.3MPa，彎拉強(qiáng)度為2.8MPa，抗剪強(qiáng)度為1.8MPa（-13℃）。

2.2?橫通道布設(shè)14個測溫孔，于凍結(jié)孔成孔完成后施工，用以監(jiān)測凍結(jié)帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展?fàn)顩r。凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)布設(shè)4個卸壓孔，左、右線各2個，孔內(nèi)安裝壓力表以直觀監(jiān)測凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化，卸壓管前端開口，進(jìn)入土體段管壁上鉆若干孔，呈梅花狀分布，以確保凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力有效傳遞。

3. 主要施工方法及工藝

橫通道施工可分為土體改良施工、凍結(jié)孔施工、凍結(jié)站安裝施工、凍結(jié)施工和開挖構(gòu)筑施工等五個主要部分，主體結(jié)構(gòu)完成后，及時進(jìn)行壁后充填和融沉控制注漿。圍巖開挖及結(jié)構(gòu)施工時，橫通道位置安裝施工平臺并于開口環(huán)處安裝預(yù)應(yīng)力支架和安全防護(hù)門。

3.1?凍結(jié)孔施工前注漿加固。

橫通道圍巖土體加固前對橫通道中線左右各5環(huán)管片外側(cè)進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿加固。為提高開挖掌子面土體自穩(wěn)能力，橫通道掌子面范圍內(nèi)打設(shè)6根超前水平注漿管，進(jìn)行地層預(yù)加固。注漿結(jié)束后，于漿液擴(kuò)散范圍內(nèi)設(shè)置檢查孔3個，其中拱部1個，左右邊墻各1個，注漿檢查孔在注漿效果檢查完成后及時全孔封堵。

3.2?凍結(jié)孔施工。

透孔由下向上先行施工，以防止因下層凍結(jié)孔的施工引起上部地層擾動。凍結(jié)管之間采用絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接并確保其同心度和焊接強(qiáng)度，經(jīng)打壓試漏后投入使用。

3.3?凍結(jié)施工。

3.3.1?需冷量計算：

Q=kAq=1.5×1105×0.089×3.14×280=13.0×104kcal/h

Q——需冷量，kcal/h

k——冷量損失系數(shù)，在隧道長距離鋪鹽水干管，取1.5

A——凍結(jié)管散熱面積，m2

q——凍結(jié)管散熱系數(shù)，280kcal/（m2.h）

3.3.2?凍結(jié)站設(shè)備選型。

（1）凍結(jié)站選用半封閉式螺桿型冷水機(jī)組2臺套，備用1臺套，組合機(jī)組設(shè)計工況制冷量大于14.0×104Kcal/h。

（2）凍結(jié)站鹽水循環(huán)泵選用TPW150-315I型2臺套，備用1臺套，鹽水循環(huán)泵的流量為200m3/h，功率30KW/h。

（3）冷卻水循環(huán)選用ISW125-160型2臺，每臺泵額定流量160m3/h，功率22KW/h。冷卻塔選用3臺KST-80型。

（4）制冷劑選用氟立昂R22，冷媒劑選用氯化鈣溶液。

3.3.3?凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝。

橫通道凍結(jié)制冷系統(tǒng)主要包括兩個子系統(tǒng)，一是凍結(jié)工作面，即需要凍結(jié)加固的聯(lián)絡(luò)通道地層及其凍結(jié)管路，二是凍結(jié)站，二者通過鹽水干管連接。凍結(jié)站布置于右線隧道內(nèi)靠近橫通道位置，站內(nèi)設(shè)備主要包括冷凍機(jī)組、鹽水箱、鹽水泵、清水泵、冷卻塔及配電控制柜等。

3.3.4?保溫施工。

鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用保溫板保溫，保溫厚度為40mm，保溫層外面用塑料薄膜包扎。冷凍機(jī)組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用40mm厚的保溫板或棉絮保溫。由于混凝土相對于土層較容易散熱，為加強(qiáng)凍結(jié)帷幕與管片膠結(jié)，采用PEF板保溫板對凍結(jié)帷幕發(fā)展區(qū)域管片進(jìn)行隔熱保溫。保溫層采用阻燃（或難燃）的軟質(zhì)塑料泡沫板，厚度不小于40mm，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04w/mk。凍結(jié)站對側(cè)隧道的凍結(jié)管端部區(qū)域范圍內(nèi)布置冷凍排管，然后鋪設(shè)保溫層，敷設(shè)范圍至設(shè)計凍結(jié)壁邊界外2m，對凍結(jié)帷幕發(fā)展區(qū)域管片進(jìn)行隔熱保溫。

3.3.5?積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)。

凍結(jié)設(shè)備經(jīng)調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)后進(jìn)入積極凍結(jié)，積極凍結(jié)是凍結(jié)帷幕的形成階段，橫通道凍結(jié)時間為50～55天。凍結(jié)孔單孔流量不小于5m3/h;7天鹽水溫度降至-20℃以下，15天鹽水溫度降至-24℃以下，去回路溫差不大于2℃;開挖前鹽水溫度降至-28℃以下。鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到要求，繼續(xù)延長積極凍結(jié)時間。判定凍結(jié)帷幕交圈達(dá)到設(shè)計厚度且與隧道完全膠結(jié)后，進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。維護(hù)凍結(jié)期溫度為不低于-28℃，凍結(jié)時間貫穿橫通道及泵房開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。

3.4?開挖施工。

先破除盾構(gòu)右線管片，橫通道開挖、初支、二襯完成后，再進(jìn)行左線管片破除。橫通道開挖后，地層中原應(yīng)力平衡受到破壞，引起通道周圍地層應(yīng)力重新分布，上部地層產(chǎn)生位移，形成新的附加荷載作用于已加固的凍土帷幕，凍土帷幕墻所承受的壓力超過凍土強(qiáng)度，引起凍土帷幕及凍結(jié)管產(chǎn)生蠕變，為控制這種變形的發(fā)展，凍土開挖后需及時對凍結(jié)帷幕進(jìn)行支護(hù)，聯(lián)絡(luò)通道的臨時支護(hù)即作為維護(hù)地層穩(wěn)定、確保施工安全的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，它又作為永久支護(hù)的一部分，是支護(hù)工藝中較為關(guān)鍵的一步。

3.5?注漿施工。

依據(jù)解凍情況，分區(qū)域針對性注漿，實(shí)現(xiàn)橫通道結(jié)構(gòu)和隧道空間整體作用。注漿漿液為惰性漿液，重量配比為：水泥：粉煤灰：膨潤土：水=0.1：0.4：0.5：1，注漿壓力不超過2倍的靜水壓力，注漿至通道沉降及隧道變形基本穩(wěn)定。自然解凍過程中，需加強(qiáng)隧道變形監(jiān)測、凍土融化溫度監(jiān)測。

4. 施工監(jiān)測

從凍結(jié)開始到掘進(jìn)施工以及永久支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的整個時段，凍結(jié)土體的熱力學(xué)性質(zhì)經(jīng)歷了劇烈變化，并對區(qū)間隧道及施工周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。實(shí)施現(xiàn)場監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)信息化施工管理，是工程安全的重要保證。綜合各種因素，本工程主要監(jiān)測范圍為：隧道內(nèi)以聯(lián)絡(luò)通道中心點(diǎn)向兩側(cè)各延伸24環(huán);地面以聯(lián)絡(luò)通道中心點(diǎn)向隧道軸線方向兩側(cè)各延伸31.5m，垂直隧道軸線方向兩側(cè)各延伸23m。監(jiān)測項(xiàng)目為：洞內(nèi)外觀察、初支結(jié)構(gòu)洞周收斂（凈空變形）、拱頂下沉、地表下沉，聯(lián)絡(luò)通道前后10環(huán)盾構(gòu)管片水平、垂直姿態(tài)、管片間錯臺量及裂紋等。

5. 風(fēng)險分析及應(yīng)對措施

5.1?地下水流速過大影響凍結(jié)效果。

該橫通道臨近南海，水位的變化帶來的動水影響，易造成此區(qū)域的凍結(jié)帷幕凍不上情況發(fā)生，同時凍結(jié)加固區(qū)內(nèi)（1）1～2淤泥質(zhì)軟土、（2）3～4中粗砂、（5）1全風(fēng)化花崗巖，含水豐富，相關(guān)資料反映地下水流速可能大于凍結(jié)法正常適應(yīng)的流速（不大于5m/d），對凍結(jié)效果有一定的影響，易造成凍結(jié)不交圈、凍結(jié)帷幕不均勻，存在薄弱帶、凍結(jié)時間超長等問題。

鉆孔安裝凍結(jié)管時，先從每個鉆孔內(nèi)向地層進(jìn)行預(yù)注水泥漿，改良凍結(jié)范圍內(nèi)土體，降低土體滲透系數(shù)，以控制地下水的流動性，同時對控制凍脹和融沉效果亦有幫助。

5.2?凍結(jié)不連續(xù)。

主要凍結(jié)設(shè)備全部留有備用，并聯(lián)安裝，設(shè)備發(fā)生故障時，能夠及時啟動。開挖期于現(xiàn)場配備發(fā)電機(jī)組及大容積蓄水池，確保外部水、電意外中斷后凍結(jié)工作連續(xù)進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]?本工程勘察資料及設(shè)計文件.

[2]?《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-902-2016）.

[3]?《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2008）.

[4]?《礦山井巷工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GBJ213-90）.

[文章編號]1619-2737（2019）02-28-122