凍結與注漿聯合加固技術在富水軟弱淺埋暗挖隧道中的應用

趙向鋒 盛俊云 莊昭斌 魏永潔

（中鐵一局集團（廣州）建設工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引言

近年來，針對軟弱地層圍巖預加固方法，我國相關專家學者開發了包括超前深孔注漿、水平旋噴樁和人工凍結等一系列手段對富水軟弱地層進行預加固。但在復雜軟弱地層中，注漿與旋噴樁技術難以保證加固效果的均勻性，加固后仍然存在滲水風險，開挖面的穩定性難以保障，存在較大的安全隱患。人工凍結技術雖具有優異的止水效果與圍巖加固功能，但造價高昂，應用推廣一直受限。

該文以廣州地鐵11號線某區間二期配線延長段18m暗挖主隧道為研究對象，在充分結合隧道地質條件的情況下。提出了“外圈延長凍結+掌子面全斷面注漿”的圍巖加固方案并予以順利實施。在保障安全的前提下，較好地減少了施工成本，為后續類似條件下淺埋暗挖工程的推廣應用起到了較好的借鑒作用。

1 工程簡況與地質條件

廣州地鐵11號線云大區間二期配線延長段是在原有云大一期施工完成的2#橫通道進行配線延長段隧道的暗挖構筑工作，隧道延東西走向，長度17.503m。隧道平面布置圖如圖1所示。

圖1 配線延長段主隧道平面布置圖（單位：mm）

根據現場地質資料顯示，配線延長段隧道拱頂主要處于粉質黏土<4N-2>、砂質黏性土<5Z-1>；洞身及基底主要位于砂質黏性土<5Z-1>、砂質黏性土<5Z-2>，局部位于淤泥質土<4-2B>。

2 施工方案設計

因隧道主要穿越混合花崗巖殘積土地層且工程水理性質和圍巖穩定性較差，經相關專家反復論證后，決定最終采用“外圈延長凍結+掌子面全斷面注漿”的圍巖加固方案。以外圈延長水平凍結為主，開挖掌子面全斷面注漿為輔，以此達到開挖斷面穩定的效果，確保整個開挖及結構施工過程的安全。相應的加固設計方案如圖2所示。

2.1 外圈水平凍結方案設計

針對該工程特點，隧道外圈形成凍結壁發揮承載和隔水的雙重作用，凍結壁設計厚度2.5m，設計最低鹽水溫度≤-28℃，凍結壁設計平均溫度≤-10℃，積極凍結60d。根據凍結設計方案，凍結孔共布設45個，長度均為26.70m（結構長度17.503m），均選用?127mm×10mm的低碳鋼無縫鋼管，延暗挖主隧道環向均勻布置，形成穩定環形的凍結壁加固帷幕。具體的凍結孔和測溫孔布置圖如圖3所示。

圖3 配線延長段凍結孔、測溫孔布置圖

2.2 全斷面深孔注漿方案設計

為確保開挖面穩定，開挖面采用全斷面深孔注漿，以對土體進行改良。在開挖掌子面延環向打設注漿管，排間距1.1m，孔間距1.48m～1.58m，注漿壓力0.5MPa～1.5MPa，注漿擴散半徑為1.0m～1.2m，注漿段長度為21.0m，開挖18.0m，預留3.0m止漿巖盤，注漿工作在積極凍結開始前完成，與后續外圈凍結壁共同形成封閉止水帷幕。注漿漿液主要采用單液漿，地下水較大時采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水泥漿與水玻璃體積比1∶0.05，膠凝時間根據現場情況進行試驗得到。相應的注漿孔布置圖與聯合加固示意圖如圖4所示。

圖4 配線延長段注漿孔布置示意圖（單位：mm）

2.3 測溫點、變形監測點布置

圖2 配線延長段加固方案設計圖（單位：mm）

在水平凍結暗挖主隧道內分別布置5個拱頂沉降和5個凈空收斂監測點。其中洞口10m范圍加密布置3組測點，后面每間隔4m布置一組測點。為了實時掌握地面變形情況，及時消除不良影響，暗挖主隧道地面共布置12個地表沉降觀測點。

3 凍結實測分析

3.1 干管鹽水溫度分析

根據原設計要求，積極凍結時間60d，鹽水溫度最低≤28℃，到達開挖日期，鹽水去回路溫差≤2℃，圖5所示為整個凍結過程中的鹽水進回水溫度時程曲線及鹽水溫差曲線。由鹽水時程曲線可以看出整個積極凍結過程中鹽水溫度呈近似對數型下降，隨著凍結時間的延長，鹽水溫度逐步穩定在-30.8℃～-32.5℃，低于設計要求值，同時去回路溫差在1.5℃～1.8℃，滿足設計去回路溫差保持2℃以內的要求。

圖5 配線延長段鹽水溫度時程曲線

3.2 測溫孔溫度分析

該工程共設置8根測溫孔，深度與凍結孔深度一致。施工中采用DS18b20型溫度傳感器進行土體溫度數據收集，測點每隔3m布置一個，收集頻率為30min/次。本次實測測溫數據較多，該文從中選取比較有代表性的斷面3m、18m層位各測點溫度變化趨勢來分析溫度變化規律，如圖6所示。

由圖6可以看出，在積極凍結期間，各測點在開始下降后，溫度下降趨勢比較正常，呈現對數型下降。多個測溫孔在0℃時出現了短暫的降速后加速趨勢，這主要是在相變階段，大量散熱會造成溫度下降接近停滯，屬于正常狀態。

圖6 配線延長段3.0m、18.0m層位測溫孔降溫曲線

4 探孔施工

配線延長段暗挖施工采用臺階法開挖，開挖掌子面共布設5個探測孔，具體的探孔在掌子面布置如圖4所示，探測孔均一次打設21m，滿足停車延長線暗挖超前地質預報要求。當有異常情況時，結合物探法探測結果進行判斷，必要時適當增加鉆孔或加長鉆孔。重點探測52內容為探明巖體破碎程度、圍巖變化趨勢、地下水的賦存情況、斷層破碎帶情況及基底情況。

根據現場鉆設的5個探孔施工結果顯示，均無地下水流出，探孔過程中圍巖整體性也較好，掌子面注漿和外圈凍結加固已達到預期加固目的，結合各項凍結技術參數分析，現場已具備開挖施工條件。

5 變形監測

5.1 開挖施工情況

按照原設計施工方案，配線延長段暗挖采用“外圈延長凍結+掌子面全斷面注漿”進行圍巖預加固后采用臺階法開挖施工，開挖共分2個臺階，由上至下依次開挖，上一洞室貫通后，再進行下一洞室施工，循環進尺結合監測數據動態調整1榀～2榀。開挖后先進行初噴，及時施作初期支護和臨時支撐。隧道整體貫通后，由下至上轉入二襯施工。

開挖初支按全斷面0.4m/d考慮，設計開挖周期45d，現場實際開挖施工于2022年03月28日～2022年04月30日進行，開挖用時34d，較原設計周期提前了24%，可見凍結與注漿聯合加固技術很好地保障了開挖施工的安全性，極大縮短了施工周期，節約了施工成本，實現了較好的經濟效益。

5.2 變形監測數據

配線延長段18m暗挖主隧道于2022年03月28日～2022年04月30日進行主隧道的開挖及初支構筑工作。整個開挖過程中全程進行監控量測，開挖過程并未出現涌水涌砂，開挖掌子面失穩，地表變形較大的情況發生，凍結邊界結霜效果良好。各主要的監測項目及監測參數見表1。

表1 主要監測項目及相應參數

相應的變形監測結果如圖7所示。

圖7 現場變形監測數據曲線

根據現場變形監測數據可以看出，整個開挖過程中，變形監測數據與開挖過程基本同步，未出現變形數據異常的情況：1） 拱頂沉降和凈空收斂值在開挖初期出現明顯增大的情況，初支施工完成后，逐步呈現出穩定的趨勢，最大變形值分別為-9.1mm（GD1-3）、-8.3mm（SL1-2），在整個開挖過程中均遠小于預警值±30mm。2） 地表沉降值隨著開挖過程，同步呈現出擴大的趨勢，在初支完成后也逐步恢復穩定，其中靠近2#橫通道受1期凍結融沉的影響，變形量大于其他部位的變形值，最大變形值為-30.93mm（DC2-3），小于預警值±32mm。3） 在整個開挖過程中，對開挖面及地表進行了嚴密的數據監測，并通過監測數據調整開挖施工過程，成功實現了整個開挖過程的安全施工，在極大推進施工進度的同時保障了開挖安全。

6 結論

廣州地鐵11號線某區間配線延長段暗挖主隧道在充分結合現場條件的基礎上，采用了“外圈延長凍結+掌子面全斷面注漿”的聯合預加固施工方案”，成功完成了施工任務，為同類型淺埋暗挖工程施工提供了較好的借鑒。

配線延長段預加固措施在達到設計天數后，現場5個全長探孔施工結果均顯示干燥無水，現場各項凍結技術參數也全部滿足設計要求，證明了“外圈延長凍結+掌子面全斷面注漿”聯合加固方案的可靠性和安全性。

現場轉入開挖工序后，嚴格遵循變形數據監測頻率對數據進行采集。由現場實測變形數據結果可以看出，在開挖過程中，拱頂沉降、凈空收斂、地表沉降值均處于變形預警值范圍之內，變形曲線趨勢基本一致，未出現變形快速發展、超出限值的情況，并且該加固方案在保障整個開挖過程安全的同時，整體開挖工期較原設計周期提前了24%。