喬國強

(中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030006)

1 引言

凍結法施工技術最早在礦井建設中誕生，后逐步在城市地下工程建設中普及，近年來隨著我國城市地鐵建設進程的加快，凍結法工藝被廣泛應用于盾構始發(fā)和接收、車站以及聯(lián)絡通道臨時加固等。凍結法安全靈活、綠色環(huán)保，適用性強、可控性強，但也存在一定的工程風險，如供冷不足或外部熱源可導致凍土帷幕性能退化、地下水含鹽量過大影響凍結效果、地層水流速過快導致凍結效果無法形成且致凍土快速消融等[1]。

本文結合實際施工過程中遇到的特殊情況，重點講述了在沈陽地鐵聯(lián)絡通道凍結施工中發(fā)現(xiàn)地下水流速影響凍結帷幕的形成，針對凍結數(shù)據(jù)分析采取的判斷措施和相關處理方法。

2 工程背景

2.1 工程簡介

沈陽地鐵10號線東北大馬路站～北大營街站區(qū)間聯(lián)絡通道位于右K14＋114.129處，隧道底部標高為＋24.590 m，盾構隧道中心距12.067 m，地面標高為＋48.360 m，聯(lián)絡通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構成。

聯(lián)絡通道的水平通道為直墻圓弧拱結構，聯(lián)絡通道及泵房開挖輪廓高為6.4 m，寬為3.6 m。東～北區(qū)間聯(lián)絡通道兼泵站原設計采用“地面旋噴加固土體，深井降水暗挖”的施工工藝，但在實際進行旋噴加固后因周圍環(huán)境影響無法施作降水井降水暗挖，遂改為采用“凍結法加固土體，礦山開挖”進行施工[2-3]。

2.2 工程地質與水文地質

根據(jù)地質資料，聯(lián)絡通道及泵站從上至下依次為:①雜填土、③3中粗砂、③5圓礫、④3中粗砂、④31粉質黏土、④3中粗砂、○144 礫砂、④5 圓礫、○154 礫砂。聯(lián)絡通道位于④5圓礫層中。本區(qū)間范圍內的地下水賦存于圓礫、礫砂等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。穩(wěn)定水位埋深約為7.0～12.5 m，相當于水位標高32.71～39.35 m，含水層厚度約19.0 m。④5圓礫、④53中粗砂、⑤4礫砂層透水強，連續(xù)分布，為承壓水層，主要受大氣降水垂直入滲補給。

3 聯(lián)絡通道積極凍結未形成封閉凍結帷幕

3.1 凍結設計概述

3.1.1 凍結帷幕設計

凍土墻設計厚度不小于2 m，凍土強度的設計指標為:單軸抗壓不小于3.6 MPa，彎折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10℃)[4]。積極凍結時，在凍結區(qū)附近200 m范圍內不得采取降水措施。在凍結區(qū)內土層中不得有集中水流[5-6]。具體凍結帷幕設計詳見圖1。

圖1 聯(lián)絡通道及泵房凍結帷幕設計

3.1.2 凍結主要設計參數(shù)

凍結主要設計參數(shù)詳見表1。

表1 凍結主要技術參數(shù)

3.2 積極凍結結束，泄壓孔壓力異常

聯(lián)絡通道自進場施工開始鉆孔施工，至完成鉆孔施工，經過對所有凍結孔的開孔孔位、實際長度、成孔偏斜等參數(shù)進行驗收，全部合格；開機運轉進行積極凍結45 d。積極凍結期間凍結孔頭部及外部管片的結霜情況正常，各個測溫孔的溫度變化也無異常，但發(fā)現(xiàn)4個泄壓孔壓力一直為原始地壓0.1 MPa左右，未上漲到0.4 MPa也未降到0 MPa。初步分析可能因管片滲漏水導致泄壓孔壓力外泄。打開泄壓孔準備排盡凍結帷幕內部糖心余水，發(fā)現(xiàn)出水量大且始終無法流盡，關閉閥門后壓力表隨之立即上漲至0.1 MPa。隨即對左右線聯(lián)絡通道凍結帷幕內中心位置施作探孔，發(fā)現(xiàn)右線探孔水量較小，壓力為0.09 MPa；左線探孔水量較大，壓力為0.1 MPa，凍結壁內部水土壓力與原始地層水土壓力基本相等。初步判斷凍結孔未交圈，未形成有效的封閉的凍結帷幕[7]。

為進一步確定是否形成封閉的凍結帷幕，采用中心探孔排水并根據(jù)出水量及各個測溫孔和頭部的溫度變化來判斷水源方向的方法。經過試驗測出左線探孔25 min流出約為1.09 m3。測量前后每桶水的放滿時間基本不變約為30 s，水溫自11℃變?yōu)?℃，始終為清水未攜帶泥沙。因凍結帷幕內部出水量大且流速未減緩，水溫前后降低4℃，確定探孔的水來自凍結壁外側。凍結帷幕存在薄弱區(qū)與凍結壁外原始地層貫通，原始地層流水在地壓作用下穿過凍結壁自探孔流出，導致探孔水源源不斷且水溫降低。通過以上數(shù)據(jù)分析，初步判斷凍結孔未交圈，未形成封閉凍結帷幕。

4 分析無法形成封閉的凍結帷幕的原因并逐一排查原因

根據(jù)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)及專家意見綜合分析未交圈原因可能有以下幾點:

(1)凍結系統(tǒng)循環(huán)不正常，鹽水溫度未達到設計要求；

(2)凍結孔終孔位置、偏斜、凍結孔深度是否滿足要求；

(3)供液管下放深度不足或脫管；

(4)凍結管斷裂滲漏鹽水導致化凍出現(xiàn)天窗；

(5)聯(lián)絡通道軸線問題，左右線偏值存在誤差導致兩側凍結管錯位未交叉；

(6)外部環(huán)境及地質原因，管線滲漏，地下有暗河水流速過快。

采用排除法逐一排查，先以凍結系統(tǒng)內部出現(xiàn)問題自查再分析外部環(huán)境影響。

4.1 檢查凍結系統(tǒng)循環(huán)及鹽水溫度是否正常

重新檢查自開機運轉以來的《鹽水系統(tǒng)和清水系統(tǒng)運行記錄表》及《低溫鹽水機組運行記錄表》，發(fā)現(xiàn)自運轉以來冷凍機均運轉正常無停機現(xiàn)象，鹽水去路溫度在積極凍結45 d時下降至-30℃回路溫度為-28℃達到設計要求。查看前后測溫情況發(fā)現(xiàn)各組凍結孔頭部溫度下降趨勢正常，鹽水去回路溫差在1～2℃左右，7個測溫孔溫度統(tǒng)一下降至-7～-25℃左右。因此排除凍結系統(tǒng)及鹽水溫度的影響。

4.2 凍結孔終孔位置、偏斜、凍結孔深度是否滿足要求

左右線所有凍結孔鉆孔施工共計96個(其中設計75個，增設孔17個，補孔4個)，采用“燈光測斜法”對所有凍結孔進行測斜驗收。匯總數(shù)據(jù)后算出終孔偏斜值。綜合匯總后分析所有凍結孔及補孔數(shù)據(jù)判定滿足凍結所需。

按照預定方案，安裝人員割除左、右線所有內圈凍結孔，測量所有凍結孔的實際深度。匯總數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)所有凍結孔復測深度與前期測量深度誤差在2～5 cm之內，按照凍結設計要求實際凍結孔深度滿足凍結所需不影響凍結效果。

4.3 檢查供液管下放深度

采用“測溫法”檢查左右線所有凍結主孔供液管是否發(fā)生短管或者脫管現(xiàn)象。向所有凍結孔內部下放多組測溫點，各測點間距0.5 m共計11個進行連續(xù)測溫，經過測溫篩選對各測點溫差超過鹽水總去總回溫差的凍結孔進行割孔拔除進行二次檢查。發(fā)現(xiàn)D10孔3.7～6.1 m位置溫度異常，與其他孔相差較大，且溫度回升速度異常迅速。最后在對側施作探孔深度2.8 m，發(fā)現(xiàn)也為凍土。將D10孔更換供液管后單獨循環(huán)直接回鹽水箱并放單獨測點進行測溫，對檢查過程中有異常的凍結孔頭部放測點觀察。反復排查后發(fā)現(xiàn)供液管全部正常，滿足凍結所需[8]。

4.4 檢查凍結管是否斷裂滲漏

檢查自開機運轉以來的《鹽水系統(tǒng)和清水系統(tǒng)運行記錄表》及《低溫鹽水機組運行記錄表》，發(fā)現(xiàn)鹽水箱液位一直未下降，不存在鹽水滲漏化開凍結帷幕的情況。

4.5 復測聯(lián)絡通道軸線

拆除開挖平臺后測量人員重新對聯(lián)絡通道左右軸線偏值進行復測，檢查發(fā)現(xiàn)誤差在2 mm左右，排除因聯(lián)絡通道軸線誤差使兩側凍結管錯位未達到設計位置從而導致無法形成封閉凍結帷幕。

4.6 檢查外部環(huán)境因素影響

前期排除凍結系統(tǒng)內部原因后，增加第二臺冷凍機延長凍結時間至第75天時發(fā)現(xiàn)泄壓孔壓力表仍然不見上漲或降低到0 MPa。分析討論決定用鉆機在右線上部打一排深孔探明水源。在D10孔下部施作B5、B6深度7 m。在鉆進過程中發(fā)現(xiàn)兩孔前5 m都為凍土硬度較大，在5～5.5 m位置鉆機猛然推進，土體硬度很小且開始漏清水，過5.5 m又開始鉆進緩慢變?yōu)閮鐾?。在后期繼續(xù)鉆進其它鉆孔時出現(xiàn)類似現(xiàn)象。經過組織討論分析懷疑聯(lián)絡通道位置上部地層在3～6 m位置存在流速較快的暗流或者斷層空洞[9]。

隨后對B5～B8下放供液管進行循環(huán)，將B9～B11充當測溫孔，各測點間隔0.5 m共計14個。每2 h測溫一次，匯總數(shù)據(jù)進行分析。經過12 h的連續(xù)測溫，匯總數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)B9各測點均下降正常；B10孔在3.5～5.5 m位置溫度明顯異常為1.6～9.9℃且持續(xù)回升；B11孔在2.65～5.15 m位置溫度為1.6～6.5℃且持續(xù)回升。通過凍結帷幕內B9、B10、B11三孔的溫度為正持續(xù)回升且有源源不斷漏水判斷地層存在流動水，且水流方向自北向東，即有一條水流通道貫穿整個上部凍結帷幕[10]。

經過調查發(fā)現(xiàn)距離聯(lián)絡通道400 m左右地鐵北大營換乘站正在采用降水暗挖施作車站基坑結構。長時間降水導致地下水流動加快并形成良好的暗流通道，高速流動的地下水造成凍結帷幕無法閉合。

5 注漿處理，恢復凍結

為保證注漿效果，采用“注漿隔水，延長凍結”的施工方案。根據(jù)凍結孔布置和水流方向，進行左右線注漿孔的布置，具體見圖2。注漿范圍見圖3。注漿順序自下而上依次進行。注漿期間，將加強對相關探孔內溫度進行檢測，以判斷流水通道封堵情況[11]。

圖2 注漿孔開孔位置布置

圖3 注漿范圍立面透視圖

安排專業(yè)注漿人員按照設計圖進行注雙液漿。注漿采用普通硅酸鹽水泥、水玻璃、磷酸。注漿壓力不大于6 MPa，在注漿期間同步注入磷酸。對B9～B11孔各層位的測點進行連續(xù)測量。發(fā)現(xiàn)自開始注漿后B10孔在3.5～5.5 m層位溫度下降非常明顯從1.6～9.9℃下降至-10～-19.5℃且持續(xù)下降；B11孔在2.65～5.15 m位置溫度下降明顯從1.6～6.5℃下降至-13～-21.5℃且持續(xù)下降，各個測溫孔及頭部因水泥水化熱原因溫度略有回升。打開左右線泄壓孔發(fā)現(xiàn)無水流出且觀察孔內全部結冰。判斷雙液漿凝結后阻斷聯(lián)絡通道上部暗流或導致暗流流速減緩加以凍結管輔助凍結已封閉了原來的凍結帷幕缺口形成完整的凍結壁。繼續(xù)延長凍結8 d后，開始破除洞門進行聯(lián)絡通道開挖施工，期間對開挖掌子面凍土的溫度進行連續(xù)監(jiān)測，各項凍結參數(shù)完全達到設計凍結效果[12]。

6 結束語

本文詳細介紹了在聯(lián)絡通道凍結法施工中發(fā)現(xiàn)未按設計形成封閉凍結帷幕后的具體排查方法，以及在通過各項凍結數(shù)據(jù)分析判斷聯(lián)絡通道凍結施工中確因遭遇地下暗流水流速過快導致無法形成凍結帷幕后，采用“注漿隔水”的方案進行處理，同時用測溫的方法間接反映出注漿對凍結期間地下暗流的影響，最終取得較好的凍結效果，為今后類似工程提供重要的借鑒和參考。