湖底隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固施工技術(shù)研究

吳 凱 劉雨欣

（湖北省神龍地質(zhì)工程勘察院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

城市地鐵下穿湖底施工往往是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工程，其難度在于水下環(huán)境惡劣、湖底地質(zhì)條件復(fù)雜、施工安全較難保障、施工工藝復(fù)雜和施工過程中技術(shù)難度極大等［1］。而凍結(jié)法可以適用于多種地質(zhì)條件下的隧道施工，包括沙土層、黏土層、泥巖、砂礫巖等多種地質(zhì)環(huán)境。同時，在施工過程中既能控制水位，防止涌水，也能保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高施工質(zhì)量和效率。此外，由于凍結(jié)法不需要大面積開挖和施工，所以可減少施工現(xiàn)場對周圍環(huán)境和建筑物的影響，減少施工噪聲和震動［2］。

目前，凍結(jié)法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于隧道工程中，并且研究也在不斷深入，主要研究方向包括以下幾個方面［3-6］。一是對凍結(jié)材料和冷源的研究。凍結(jié)法的施工需要大量的冷源和凍結(jié)材料。目前研究主要集中在提高冷源和凍結(jié)材料的效率，降低其對環(huán)境的影響。二是對凍結(jié)過程中水流和熱傳遞機(jī)理的研究。研究凍結(jié)法中冷卻水的流動特性和熱傳遞機(jī)理，對預(yù)測凍結(jié)過程中溫度、壓力和水位等變化的控制具有重要意義。三是對凍結(jié)環(huán)境下的巖石/土壤力學(xué)特性的研究。凍結(jié)法環(huán)境下的巖石、土壤力學(xué)等物理特性研究，對施工安全預(yù)警和支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有重要意義。四是對凍結(jié)環(huán)境下的隧道支護(hù)技術(shù)的研究。凍結(jié)法雖然具有支護(hù)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其支護(hù)方式也需要進(jìn)行深入研究和優(yōu)化，以提高支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性。五是對安全風(fēng)險評估的研究。其是凍結(jié)法研究中的重要方向，目前研究者們正在積極探索可行的安全管理方法。

本研究以某地鐵區(qū)間跨湖段2#聯(lián)絡(luò)通道工程為例，針對其特殊地質(zhì)環(huán)境，分析在該種施工環(huán)境下凍結(jié)法施工技術(shù)要點(diǎn)，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵6 號線車城東路站～江城大道站全程2103.717 m。區(qū)間線路寬度13.00～16.20 m，區(qū)間埋深9.50～17.86 m，下穿南太子湖，采用盾構(gòu)法施工。為了滿足區(qū)間防火疏散的要求，在里程右K2+700.000（左K2+690.640）設(shè)置2#聯(lián)絡(luò)通道（與排水泵房合建），線中心間距13.00 m。2#聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，結(jié)構(gòu)由通道門洞門與水平通道組成，采用復(fù)合型襯砌，初期支護(hù)采用格柵鋼架間距500 mm+雙層鋼筋Φ8（150 mm×150 mm）+250 mm厚C25，P6 網(wǎng)噴混凝土支護(hù)；二襯厚度為側(cè)墻和拱頂厚度400 mm、拱底500 mm，采用C40、P10模筑鋼筋混凝土。

2 工程條件

2.1 水文概況

廠區(qū)經(jīng)過太子湖區(qū)域，水位變動幅度較小，最高控制洪水位為19.1 m，正常控制水位為18.6 m。

地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。上層滯水賦存于人工填土中，主要接受太子湖湖水側(cè)向入滲補(bǔ)給，水位高程基本與太子湖水面高程持平；孔隙承壓水和基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)～中等風(fēng)化基巖和角礫層中，與上部角礫層中的地下水連通。鑒于強(qiáng)風(fēng)化基巖基本風(fēng)化呈黏土狀，而中等風(fēng)化基巖裂隙不發(fā)育，偶見近水平向，故基巖裂隙水的水量不大。

2.2 地質(zhì)條件

區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道位于南太子湖湖底，頂部覆土厚度約為12.3 m，洞身位于10-1c 含角礫黏性土、10-2 角礫、15a-1 強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中。其地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)情況

3 凍結(jié)加固設(shè)計(jì)

該通道采用人工開挖。在施工過程中，利用凍結(jié)加固方法，對通道周圍土體進(jìn)行加固處理，再將洞口的鋼管片拆下，通過井下施工方法進(jìn)行開挖。在施工過程中，通過人工挖方，并及時進(jìn)行支護(hù)處理，使施工面盡快閉合，同時采取短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、盡早封閉成環(huán)的措施，以便有效地控制接觸面周邊的變形。

在凍結(jié)需冷量計(jì)算時，采用公式（1）。

式中：Q結(jié)、Q排分別為凍結(jié)管和冷凍排管的需冷量；d結(jié)、d排分別為凍結(jié)管和冷凍排管的直徑，Φ89 mm、Φ45 mm；L結(jié)、L排分別為凍結(jié)管和冷凍排管的直徑，分別為Φ89 mm、Φ45 mm；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)，Kcal/m2h。

經(jīng)計(jì)算2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)站最大需冷量約為5.1×104Kcal/h。

3.1 設(shè)計(jì)施工及技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)該工程特點(diǎn)及所處地層的特性，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在隧道內(nèi)采取“隧道內(nèi)橫向凍結(jié)土體加固，礦山法掘進(jìn)”的施工方法。其主要內(nèi)容是：采用水平鉆孔、局部鉆孔等方法，對連接通道周邊的土壤進(jìn)行凍融，從而形成具有較高強(qiáng)度、較好密封性的凍融帷幕。在凍土條件下，以礦井法為基礎(chǔ)，對地下聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行施工。

3.2 凍結(jié)帷幕厚度

車城東路站～江城大道站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道凍土帷幕有效厚度初支結(jié)構(gòu)外側(cè)不小于2.2 m，帷幕示意如圖2 所示，其抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別不小于5.0 MPa、2.0 MPa。設(shè)計(jì)凍結(jié)壁平均溫度不大于-10 ℃。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕示意（單位：mm）

3.3 凍結(jié)孔、測溫孔、泄壓孔布置

2#聯(lián)絡(luò)通道采取上下行線隧道凍孔兩邊排布的方法，共設(shè)置了48 個凍結(jié)孔；在隧道中間開兩個穿孔口，為對面隧道需要冷卻的排管口。聯(lián)絡(luò)通道上設(shè)置6 個測溫孔，目的是通過對凍結(jié)帷幕區(qū)域內(nèi)各部分的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測，從而采取相應(yīng)的控制措施，保證工程的安全性。

在凍結(jié)帷幕左右行線封閉區(qū)域內(nèi)布置了4 個卸壓孔，卸壓管道采用2 m 長、32×3 m 長的鋼管，管道前端是敞開的，在入土段的管壁上鉆部分孔，呈“梅花”形分布，以保證凍結(jié)帷幕內(nèi)部壓力的高效傳導(dǎo)。將壓力計(jì)安裝在泄壓孔上，以便非常直觀地對凍結(jié)帷幕內(nèi)部的壓力進(jìn)行監(jiān)控。通過日常的觀察，可以對凍結(jié)帷幕的成型過程及時做出判斷，也可以將凍脹力直接釋放出來。

4 主要施工方法及工藝

4.1 鉆孔施工

為保證施工順利進(jìn)行，減小事故發(fā)生率，需要合理調(diào)整凍結(jié)孔的施工順序。根據(jù)預(yù)先施工的穿透孔的偏差結(jié)果來調(diào)整和優(yōu)化鉆孔參數(shù)，再結(jié)合實(shí)際孔位布置圖，從上至下逐步進(jìn)行施工，以避免擾動對地層穩(wěn)定造成較大影響。

凍結(jié)孔孔位布置應(yīng)與管片配筋圖以及鋼管片加強(qiáng)筋位置相互協(xié)調(diào)配合，選用金剛石鉆機(jī)進(jìn)行開孔。取出的巖心應(yīng)用最少4 個固定點(diǎn)將其固定在管片上，之后安裝孔口密封裝置，如圖3所示。

圖3 凍結(jié)孔開孔及鉆孔

正常情況下，鉆進(jìn)時采用無水鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)深度后，對凍結(jié)管端部進(jìn)行密封，在此過程中應(yīng)對孔斜進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)控，如果出現(xiàn)了偏斜，要立即進(jìn)行糾正。在下完凍結(jié)管之后，應(yīng)對凍結(jié)管的長度重新進(jìn)行測量，之后用燈光測斜儀對其進(jìn)行測斜，并畫出鉆孔的偏斜圖。

4.2 積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

積極凍結(jié)是指在隧道開挖前，冷凍機(jī)將冷凍液注入到隧道開挖輪廓線以外一定范圍內(nèi)的地層中，進(jìn)行冷凍凍結(jié)。冷凍液會將地層中的水分抽出，使地層形成凍結(jié)層，從而增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該工程設(shè)計(jì)凍結(jié)時間為45 d，凍結(jié)孔單孔流量不小于6 m3/h。若達(dá)不到此設(shè)計(jì)要求，應(yīng)適當(dāng)延長積極凍結(jié)時間。

維護(hù)凍結(jié)是指在凍結(jié)段隧道周圍一定范圍內(nèi)設(shè)置排水孔，定期排水，防止凍結(jié)層出現(xiàn)積水，導(dǎo)致凍結(jié)土體與原土體之間產(chǎn)生滑坡等危險情況。兩次凍結(jié)期間應(yīng)持續(xù)對各結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行測量和監(jiān)控，適時調(diào)整相關(guān)施工方法。

4.3 開挖施工

由于土體已經(jīng)凍結(jié)加固，其承載力和強(qiáng)度均顯著提高，因此可采用礦山法全斷面暗挖技術(shù)進(jìn)行施工。施工過程按照分區(qū)分層分階段進(jìn)行，為確保施工安全，應(yīng)及時根據(jù)開挖土體凍結(jié)效果和監(jiān)測信息調(diào)整施工進(jìn)度。由于凍土具有較高的強(qiáng)度和韌性，因此需要使用風(fēng)鎬。對風(fēng)鎬尖端進(jìn)行硬化，可以有效提高其工作效率。隧道貫通后，采用兩次支護(hù)方式（鋼支架加鋼筋網(wǎng)片+現(xiàn)澆鋼筋混凝土），以控制開挖導(dǎo)致地層中應(yīng)力重分布產(chǎn)生的位移變形和凍結(jié)帷幕因新增附加荷載而產(chǎn)生的蠕變。

4.4 注漿施工

注漿施工可以有效控制地表及隧道的沉降變形。由于周邊地表?xiàng)l件較好，擬采用自然解凍的方式，并通過信息化監(jiān)控系統(tǒng)對土體溫度及沉降變化進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并采用淺部及深部兩種不同的注漿管進(jìn)行密實(shí)灌漿，按照監(jiān)測結(jié)果對灌漿過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。根據(jù)凍融條件，進(jìn)行分區(qū)注漿，依托空間整體工作原理，避免尚未注漿的土體發(fā)生沉陷。注漿以少量多次為原則，淺部注漿采用惰性漿液，對各成分重量進(jìn)行嚴(yán)格配比，并根據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行靈活調(diào)整，注漿壓力小于2 倍靜水壓力；深部注漿采用雙液漿，其主要成分為水泥和水玻璃混合料，注漿方法采用先深后淺、由上至下的方式。注漿孔布置剖面如圖4所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道注漿孔布置剖面（單位：mm）

5 施工風(fēng)險及應(yīng)對措施

風(fēng)險1：該工程聯(lián)絡(luò)通道為湖底通道，其地層主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和角礫巖，故鉆孔時由于土體擾動易出現(xiàn)突涌等現(xiàn)象，造成水土流失，使鉆孔質(zhì)量下降和地表沉降過大。

應(yīng)對措施：在凍結(jié)孔施工前應(yīng)預(yù)先進(jìn)行探孔，對地層穩(wěn)定性進(jìn)行判斷評估。此外，可分兩次對凍結(jié)孔進(jìn)行開孔施工。在施工過程中嚴(yán)格控制水土流失，若存在流失過多的情況，可采用單液水泥漿對土體進(jìn)行注漿加固。

風(fēng)險2：凍結(jié)過程中，若凍結(jié)管供冷不均衡、鹽水發(fā)生泄漏以及土體的凍脹作用都會使凍結(jié)帷幕出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，對凍結(jié)施工造成影響，甚至造成凍結(jié)失敗。

應(yīng)對措施：工程施工供電采用雙電源供電模式，按二級負(fù)荷考慮施工用電，同時多備用一臺冷凍機(jī)組，以保證在發(fā)生故障時不影響凍結(jié)施工，并加強(qiáng)對設(shè)備的管理和維護(hù)及鹽水箱液面的測量，若發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即報告。若鹽水滲出凍土外，則可視情況及時進(jìn)行修補(bǔ)，然后重新開始凍土。當(dāng)鹽水滲漏到凍土體中時，通過排除法，進(jìn)一步判斷出問題組，最終確定到某一凍結(jié)管，通過下套管，重新進(jìn)行凍結(jié)。

風(fēng)險3：土體開挖必然會對原始地層應(yīng)力狀態(tài)造成破壞，應(yīng)力重分布后地層會產(chǎn)生新的位移和附加荷載，使已建好的凍結(jié)帷幕在新的應(yīng)力作用下產(chǎn)生新的變形，若變形過大，相關(guān)結(jié)構(gòu)會被破壞，導(dǎo)致凍結(jié)無法進(jìn)行。

應(yīng)對措施：在凍結(jié)孔施工前，應(yīng)預(yù)先對薄弱部位進(jìn)行探孔，對地層穩(wěn)定性進(jìn)行判斷評估。施工過程中可通過凍結(jié)壁溫度變化對帷幕變形情況進(jìn)行判斷，根據(jù)實(shí)際情況對施工安排進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。在出現(xiàn)較大變形的情況下，應(yīng)加大凍結(jié)力度，并在縮小通道開挖步距的同時，縮短通道的臨時支撐間距。施工中一旦出現(xiàn)漏沙、涌水的情況，要立即使用緊急沙袋和其他救援材料進(jìn)行充填，以防止事故擴(kuò)大。在無法進(jìn)行有效控制的情況下，應(yīng)及時關(guān)閉緊急出口，并對隧道進(jìn)行充氣或注滿水，以保證隧道不發(fā)生塌方。

6 結(jié)語

本研究以實(shí)際地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程為例，對工程概況及特殊地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析，提出采用凍結(jié)法對土體進(jìn)行加固處理，以提高土體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，對主要施工方法及工藝進(jìn)行深入研究，并對施工風(fēng)險進(jìn)行分析和解決。本工程已正式投入使用，施工過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、涌水涌沙、結(jié)構(gòu)坍塌等問題。研究成果為凍結(jié)法在類似工程中的施工提供了一定的參考。