富水粉細砂地層小型盾構隧道洞門凍結加固技術

丁德江 李 哲

（1．南京第一建設事務所有限責任公司，江蘇 南京 210000；2．南京同力建設集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

垂直凍結法起源于礦井建設工程，廣泛應用于全球的城市地下工程中[1]。該技術主要作為一種高效且可靠的地下防水方法，在較短時間內，可以創建強度高、完全封閉的凍土帷幕，對地質不良地層的水分、土質以及應力等影響因素進行有效管控。在盾構始發和接收階段，處理含水量較高的粉砂層時，由于洞口土體復雜和地質狀況的不確定性，因此風險控制尤為重要。雖然采用三軸攪拌樁技術強化洞口土體，但無法保證強化的均勻性和密實度，可能會導致洞口部分存在弱點。在開洞門的過程中，采用垂直凍結法對地層風險方面有顯著優勢，不僅能增強洞口的整體穩定性和強度，還能為地下工程地層風險的管控提供有效的應對策略。因此，該文結合實際工程案例，在處理含水量較高的粉砂層盾構始發和接收過程中，系統梳理和總結垂直凍結法的施工關鍵點。

1 工程概述

1.1 工程概況

該工程是服務于江北新區核心區和橋北居住密集區的污水輸送主干管工程，服務面積為42km2。該工程包括盾構工程、頂管工程、頂管井、盾構井以及污水泵站等。盾構隧道全長為10.88km，埋深約為15～25m，盾構內直徑為2500mm，外直徑為3000mm，設置6座盾構井，盾構井擬采用開挖施工，支護方式為地下連續墻，工程末端位于橋北污水處理廠北側，配建一座40萬m3/d污水泵站。工程共投資10.2億元。

1.2 施工環境

該工程中有許多井位，其中一些與現有的房屋、道路、橋墩和長江大堤等建構筑物距離較近，線路地表環境影響控制較為嚴苛且項目地處長江漫灘，受地下高承壓水、粉細砂層穩定性影響，給盾構始發和接收過程中的洞門施工帶來非常大的風險。由于沉降控制要求較高，富水粉細砂地層自立性差，因此在施工過程中采用凍結法對端頭進行加固。

1.3 水文地質條件

該工程線路總體位于長江北側，最近的井位與長江大堤僅距離50m，屬于長江漫灘的地貌單元。盾構始發主要經過的地層包括淤泥質粉質黏土、粉質黏土以及粉細砂，地層具有典型軟土層的地質特性。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和松散巖類孔隙承壓水，其中孔隙承壓水在長江河道區域內與江水直接相連。粉細砂層是主要的含水介質，其厚度較大、滲透性較好以及賦水性優秀。含水介質主要為粉細砂，該層厚度大、滲透性好及賦水性好。地下水位埋深在地下6.23m處，綜合滲透系數k=2871×10-6cm/s。

2 冷凍加固要求

2.1 凍結壁的功能

該工程盾構始發和接收洞門位于易產生涌水涌砂現象的含水砂層中。為降低相關風險，采用“三軸攪拌樁+垂直凍結”的復合策略加固地基。具體加固地基方案如下：加固土體，采用直徑為850mm，間隔為600mm的三軸攪拌樁加固。在槽壁加固與地下墻接縫處，額外補充一排直徑為850mm，間隔為600mm的旋噴樁加固。三軸攪拌樁的縱向加固長度定為14m，加固盾構隧道上、下、左、右各3m的區域。進行垂直凍結，其中凍結壁的厚度定為2m，加固深度從地面延伸至隧道洞門下2m。確保洞門地段地質的穩定性。

工作井及泵站工作井共設置12個洞門垂直冷凍，加固示意如圖1所示。

圖1 凍土加固體（單位：mm）

該工程為垂直板型凍結，用于止水，無承載要求，地面具備加固條件。

2.2 確定凍結壁厚度

洞門四周工作井井壁封水的I類凍結壁，應保持洞門四周的封水區域在負溫狀態，封水區域凍土與圍護結構交界面的平均溫度不應高于-5℃，I類凍結壁洞門四周隧道徑向封水區域不應＜2m。不需要根據承載力計算確定凍結壁厚度，為保證冷凍效果，冷凍壁厚度選為2m。

2.3 制冷機組選型及配置

2.3.1 凍結需冷量

計算需冷量，如公式（1）所示。

式中：H為凍結總長度，m；D為凍結管直徑，取0.089m；K為凍結管散熱系數，取300Kcal/m2h。

根據精確計算需冷量，每個洞門選用兩套170WDEDD型螺桿冷凍機組（一套備用）。在規定工況下，每臺螺桿機組的制冷量為135000Kcal/h，功率為136kW。

2.3.2 輔助設備配置

根據冷凍系統的性能，選擇以下輔助設備：IS125-100～200型鹽水循環泵2臺，其流量為200m3/h，電機功率為30kW。IS125-100～200C型冷卻水循環泵2臺，其流量為200m3/h，電機功率為15kW。選擇80RT型冷卻塔2臺，可以提供15m3/h的新鮮水補給。

2.3.3 管道規格與材料

各類管道的規格和材料選擇如下：1）選用規格為φ89mm×8mm的凍結管，20#低碳鋼無縫鋼管，在垂直凍結中采用外接箍連接，手動電弧焊接，每根的長度為6～8m。2）垂直凍結測溫孔管為φ48mm×3mm鋼管。3）垂直凍結供液管的規格為φ48mm×3mm鋼管，連接方式為焊接。4）鹽水主管和集配液圈為φ159mm×4.5mm鋼管。5）冷卻水管道采用φ127mm×4.5mm鋼管。

3 凍結施工

3.1 參數選擇

施工參數見表1。

表1 凍結法施工參數

3.2 凍結施工過程

3.2.1 鉆孔與下管工作

選用1臺XY-200型鉆機鉆孔，打設2排19個凍結孔，5個測溫孔，采用梅花型布置，第一排10個，第二排9個。第一排凍結孔距離地連墻邊400mm，孔間距800mm，第二排凍結孔距離地連墻邊1400mm，孔間距800mm。

鉆完孔后，用測斜儀對每個成孔進行測斜，最大偏斜控制在200mm內，不宜內偏，傾斜超限須在間距較大的位置補設冷凍孔。

成孔管內注清水后進行凍結管密封試驗，試驗壓力在0.8MPa以上，前30min壓力下降不超過0.05MPa，后15min壓力無變化為合格。

在已完成的孔管內注入清水，測試凍結管的密封性。在此過程中，將試驗壓力維持在0.8MPa以上。若試驗初期30min內，壓力下降幅度不超過0.05MPa且在后續15min試驗壓力保持穩定，可判定該凍結管的密封性測試達標。

以上作業均合格后下放冷凍管。

3.2.2 供液管的施工

采用φ48mm×3mm鋼管焊接對接作為供液管，焊接長度比凍結管長約300mm，先放至冷凍管內，然后通過供液管對凍結管進行清洗，直至流出清水。凍結管每1～3根串聯，接入冰水外循環管路。

3.2.3 一用一備設備連接

為確保凍結站穩定運行和應對潛在的設備故障風險，凍結站采用2套冷凍機組，其中一套用于洞門凍結，另一套作為備用。兩套冷凍設備各循環區域聯分別連接成整體且考慮隨時切換替代運行的可能性。設備系統包括冷卻水管路及設備、冰水內循環管路及設備和冰水外循環管路及設備。各設備的布置形式以及管路連接如圖2所示。

圖2 垂直冷凍工藝運行示意圖

該設計方案的重要性和優勢如下：當一套設備發生故障時，可以隨時切換至備用設備，使凍結站連續運行。凍結設備包括冷卻水管路及設備、冰水內循環管路及設備和冰水外循環管路及設備。這種劃分方法能保證冷卻系統完整。冷卻水管路及設備提供凍結站需要的冷卻介質，并通過連接凍結設備散熱。冰水內循環管路及設備負責內部循環系統的冷卻和供應。冰水外循環管路及設備用于與外部系統進行熱交換，控制冷凍站的溫度。

3.2.4 打設洞門探孔

在洞門地連墻破除前，在洞門的上、中、下、左、右、左上、左下、右上和右下處用開孔機分別打9個φ3cm探孔，打穿地連墻，探孔進入凍土內深度在5～10cm。采用高精度的溫度計或測溫儀測量，各探孔實測溫度必須低于-5℃。

3.2.5 鑿除地連墻

凍結35d后可進行部分破壁，在部分破壁的過程中，如果發現有滲水點，要及時封堵，防止水土流失，影響凍土墻交圈。如果未發現異常情況，可直接進入下一層破壁。

全部清除地連墻混凝土后，盾構機靠上洞門，刀盤鼻尖與凍土表面應距離20cm，防止因刀盤對土體的擠壓鑿除而導致拔管困難。然后開始拔除凍結管。

盾構機穿越凍結區的停留時間不宜過長，當拼裝管片或發生故障時，刀盤應始終保持轉動，以防刀盤凍死。

3.2.6 拔管及回填

當盾構始發或到達時，開始拔除隧道內的冷凍管，在盾構機下穿的過程中，繼續凍結其余冷凍管。在盾構始發或接收完成，洞門臨時封堵合格后拔除剩余冷凍管。管道拔除操作可以在24h內完成，凍結器中，當用熱鹽水循環融化周圍的凍土厚度達到50mm～80mm時，開始拔管。在垂直凍結孔拔除后用M10砂漿及時充填。

3.2.7 融沉控制

根據測溫孔測溫結果和隧道變形監測結果配合進行融沉注漿施工。注漿的順序從隧道底部轉移到隧道兩側，最后是隧道頂部。

融沉注漿主要為單液水泥漿，最后一次注漿可以選用水泥-水玻璃雙液漿。原則是少量、多次且保持均勻，注漿壓力≤0.5MPa。水泥-水玻璃雙液漿的配比為7∶1（體積比），其中水泥漿的水灰比為1∶1。

當單日地層沉降值超過0.5mm，或累計地層沉降值超過3mm時，應進行融沉補償注漿。一旦地層隆起值達到3mm，應立即暫停注漿作業。

凍結壁完全融化且實測地面沉降持續一個月且每半個月≤0.5mm可停止融沉補償注漿。

4 凍結作業

4.1 試運轉與積極凍結

設備安裝完畢后，進行系統調試和試運行。在這個階段，根據工藝規程和設計要求，實時調整壓力、溫度等關鍵狀態參數，確保機組在指定的技術參數條件下運行。在凍結流程中，須每天檢測鹽水的溫度、流量以及凍土壁的擴展狀況，以便必要時調整凍結系統的運行參數。確定凍結系統運行正常后可進入積極凍結階段。

在積極凍結階段，根據每個分支回路的鹽水溫度調整閥門流量，保證各分支回路的鹽水溫度誤差在1℃內。每日檢測測溫孔的溫度，并根據數據分析凍結壁的擴展速度和厚度，以預測凍結壁達到設計厚度的時間。如果溫度沒有達到設計要求，就適當延長積極凍結的時間。

凍結效果的性能由第三方專業單位出具溫度監測分析報告。

4.2 維護凍結

凍結壁的實測溫度和厚度符合設計預期后，應打設探孔以確認無泥水冒出，若此時盾構機未到達進出洞位置，可進行維護凍結，但維護凍結鹽水溫度不應高于-25℃。待盾構機完全進出洞后可停止凍結。

5 凍結加固情況計算

5.1 凍結壁發展速度及凍結壁厚度

凍結圓柱半徑計算如公式（2）所示。

凍結壁厚度計算如公式（3）所示。

式中：t1為回路鹽水溫度；r為測溫孔離凍結管的距離；r1為凍結管內半徑；t為測溫孔溫度；l為凍結孔間距；D為第一排凍結管到地下連續墻的距離；L為凍結管排間距。

根據測溫孔中溫度最高點位的溫度數值，計算最小凍結圓柱半徑及凍結壁厚度，判斷凍結壁是否符合要求。

5.2 凍結壁的平均溫度

由于以往的成冰公式僅適用于單排凍結管平均溫度的計算，該工程采用雙排凍結管進行垂直凍結，因此不適用于該工程。

目前采用等效模型的計算公式計算凍結平均溫度，如公式（4）所示。

式中：ξ為最近凍土帷幕邊緣距離；tcp為凍結壁平均溫度；n為凍結管排數；L為凍結孔排距；l為凍結管間距；tc為凍結管溫度；r0為凍結管外半徑。

凍結管溫度tc可取回路鹽水溫度，ξ取0.88m，須考慮地連墻對凍結帷幕的影響。計算凍結壁的平均溫度，可以用于判斷凍結壁是否滿足工程需求。

6 效果評價

凍結完成后應認真做好凍結效果評價，以判斷凍結的可靠性，見表2。

表2 凍結效果評價表

表2中5項指標全部達標后，可基本判斷豎向凍結效果滿足要求。在項目應用過程中，經冷凍加固后的土體均質性較好，自立性和無側極限抗壓強度和滲透系數都符合設計要求[2]。

7 結語

該研究對富水粉細砂地層小型盾構隧道洞門垂直凍結加固施工關鍵技術進行探討，結論如下：1）在富水粉細砂地層中，采用垂直凍結技術對盾構洞門進行加固是一種有效的方法。通過形成凍土帷幕，可以控制地層風險因素，提高洞門的整體穩定性和強度。2）在冷凍加固設計中，確定凍結壁的功能和厚度是關鍵。該研究采用2m厚凍結壁能滿足洞門周圍封水區域的要求。同時，采用合適的冷卻系統進行控制，確保凍結壁的平均溫度符合設計要求。3）在實際施工中，合理控制鉆孔和下管工作、供液管施工和設備連接等環節對凍結效果至關重要。必須確保凍結孔的數量、間距和偏斜在合理范圍內，同時嚴格控制質量。4）凍結加固的效果評價是必要的。通過溫度監測和地層沉降監測，可以判斷凍結壁的發展速度和厚度是否滿足要求。在維護凍結的過程中，及時補償注漿，并嚴格控制凍結壁融沉的條件，確保加固效果的穩定和持久。

綜上所述，該研究通過合理設計凍結壁、控制施工過程并評價加固效果，可以有效提高洞門的穩定性和強度，降低地層風險，為類似工程提供可靠的技術支持和實踐指導。