李孔剛

(1.北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013； 2.煤炭科學(xué)研究院建井研究分院，北京 100013)

1 概述

從20世紀(jì)50年代末開(kāi)始到現(xiàn)在，凍結(jié)法的應(yīng)用已有近百年的歷史，從開(kāi)始的礦山建設(shè)領(lǐng)域，逐步向其他工程領(lǐng)域擴(kuò)展，主要包含有地下管道施工、地鐵工程施工、圍堰工程施工等領(lǐng)域。

20世紀(jì)80年代中期，在國(guó)內(nèi)市政建設(shè)工程中，黑龍江東海拉爾水泥廠卸礦室及皮帶走廊基坑圍護(hù)凍結(jié)工程、上海地鐵一號(hào)線寧海西路聯(lián)絡(luò)通道地面凍結(jié)加固工程等工程首次引入凍結(jié)法。之后，北京中煤礦山工程有限公司開(kāi)發(fā)了水平凍結(jié)技術(shù)，1997年完成了北京地鐵復(fù)八線大北窯段隧道拱頂局部水平凍結(jié)工程，1998年完成了國(guó)內(nèi)第1個(gè)全斷面地鐵聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)工程，2000年完成國(guó)內(nèi)第1個(gè)全斷面隧道——廣州地鐵二號(hào)線過(guò)清泉街破碎帶隧道水平凍結(jié)工程[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，凍結(jié)法在我國(guó)很多城市地鐵建設(shè)中得到推廣應(yīng)用，涉及地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道、盾構(gòu)進(jìn)出洞地基加固等[2]。2006年，上海申通地鐵集團(tuán)公司聯(lián)合北京中煤礦山工程有限公司編制并發(fā)布《旁通道凍結(jié)法技術(shù)規(guī)程》后，地鐵凍結(jié)設(shè)計(jì)、施工管理得到逐步完善，凍結(jié)法施工也逐步成為軟土地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工的主要工法。目前，適合采用凍結(jié)法施工的地鐵隧道交叉穿越段、地鐵車站(出入口)、區(qū)間隧道等地下工程逐步采用此法施工，且效果良好[3-5]。

2 凍結(jié)法在隧道施工中的應(yīng)用

1999年廣州地鐵二號(hào)線海公區(qū)間左線隧道施工中出現(xiàn)滲水事故，通過(guò)對(duì)地址條件分析后，采用凍結(jié)法施工將土層保護(hù)，保證掘進(jìn)施工安全[6]。

2003年深圳地鐵4A標(biāo)段暗挖隧道施工中，首次成功采用常規(guī)凍結(jié)法在鐵路橋下大流速地層中開(kāi)挖，解決了復(fù)雜地址地質(zhì)條件下凍結(jié)法施工的技術(shù)難題，為特殊地層條件下的隧道凍結(jié)法施工提供了借鑒[7]。

2003年南京地鐵一號(hào)線張府園至三山街區(qū)間地鐵聯(lián)絡(luò)通道位于流砂層，地下水豐富，開(kāi)挖支護(hù)難度大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，采用凍結(jié)法施工，獲得較好的效果[8]。

2013年常熟發(fā)電廠江底盾構(gòu)取水隧道施工中，發(fā)生的突水涌砂事故，采用凍結(jié)法形成臨時(shí)封堵墻，排出隧道內(nèi)積水，構(gòu)筑永久封堵墻，為隧道工程下一步施工提供了安全保障[9]。

3 凍脹控制措施研究

分段凍結(jié)與全線凍結(jié)法、錯(cuò)峰凍結(jié)、調(diào)高鹽水溫度、泄壓孔泄壓、設(shè)置溫控孔。

分段凍結(jié)與全線凍結(jié)法：主要是對(duì)凍結(jié)距離進(jìn)行分段，依次凍結(jié)的方法，主要適用于凍結(jié)距離較長(zhǎng)的隧道凍結(jié)。

錯(cuò)峰凍結(jié)法：主要是針對(duì)雙向隧道同時(shí)凍結(jié)來(lái)講，為避免同時(shí)凍結(jié)時(shí)產(chǎn)生較大的抬升量，而采取的一條隧道先行凍結(jié)，另一條隧道在一定時(shí)間過(guò)后開(kāi)始凍結(jié)的方法。

調(diào)節(jié)鹽水溫度法：此方法主要針對(duì)于在凍結(jié)壁已交圈，且凍結(jié)天數(shù)已達(dá)到設(shè)計(jì)需要的天數(shù)情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，在保證凍結(jié)壁安全可靠，再繼續(xù)凍結(jié)能夠產(chǎn)生較大的危險(xiǎn)性凍脹現(xiàn)象，且需要長(zhǎng)時(shí)間維持凍結(jié)時(shí)，所采取的一種控制凍脹的措施。

泄壓孔泄壓：是指通過(guò)工程設(shè)計(jì)中預(yù)先設(shè)計(jì)好的專門用于控制凍脹的泄壓孔來(lái)卸掉凍土中應(yīng)力的一種方法，此方法是應(yīng)用最廣泛，且是最重要的一種方法。

設(shè)置溫控孔：是在設(shè)計(jì)預(yù)算凍結(jié)壁達(dá)到最大狀態(tài)時(shí)的外圍打孔，為防止凍結(jié)壁無(wú)限擴(kuò)大產(chǎn)生凍脹影響的一種方法。

4 凍脹控制措施在工程實(shí)際中的應(yīng)用

4.1 工程概況

上海軌道交通18號(hào)線一期工程從北至南縱貫寶山區(qū)、楊浦區(qū)、浦東新區(qū)三個(gè)行政區(qū)，共設(shè)26座車站。其中在國(guó)權(quán)路站與既有運(yùn)行10號(hào)線相交，且為換乘車站，18號(hào)線上下行線隧道采用凍結(jié)法加固后礦山暗挖法開(kāi)挖，下行線隧道與車站方向豎直相交，上行線與車站方向斜交，初期支護(hù)完成后，盾構(gòu)推進(jìn)穿越，拼裝管片作為永久結(jié)構(gòu)，上下行隧道管片頂部距離車站底板僅2.209 m。新建18號(hào)線上下行線隧道自東向西依次穿越新建18號(hào)線國(guó)權(quán)路車站西側(cè)主體結(jié)構(gòu)(稱A墻)、10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站東側(cè)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)(稱B墻)、10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站西側(cè)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)(稱C墻)、10號(hào)線國(guó)權(quán)路車站4號(hào)出入口圍護(hù)結(jié)構(gòu)(稱D墻)。

該工程施工影響范圍內(nèi)，主要有電力、信息、燃?xì)?、上水、雨水等管線。施工區(qū)域所處地層自上而下為①1雜填土、②3-1灰色砂質(zhì)土夾粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土、⑤3色淤泥質(zhì)土夾砂、⑤4灰綠色粉質(zhì)黏土等，施工影響范圍土層主要有④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土及⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土層[10]。對(duì)本工程設(shè)計(jì)及施工有影響的是潛水。本工程鉆孔距離長(zhǎng)，車站底部障礙物較多，凍結(jié)孔長(zhǎng)度達(dá)42 m，凍結(jié)孔穿墻，部分凍結(jié)孔穿墻及穿樁，凍結(jié)體量大，凍結(jié)周期長(zhǎng)，單條隧道凍結(jié)時(shí)間近8個(gè)月，凍脹控制難度大。

4.2 泄壓孔及溫控孔布置

泄壓孔分別由上行線與下行線的內(nèi)圈孔與外圈孔組成，內(nèi)圈孔分布在待開(kāi)挖主隧道中，即位于凍結(jié)壁內(nèi)部區(qū)域，外圈孔分布在三角區(qū)域及上層頂板上部。上行線內(nèi)圈孔由Xs1～Xs8組成；下行線內(nèi)圈孔由Xx1～Xx8組成；外圈孔由Xw1～Xw13孔與J1～J18孔組成，其中孔Xw0，J1，Xw1，J2，Xw4，Xw9，J8，J15及Xw12位于上層頂板上部。內(nèi)圈孔起凍結(jié)壁內(nèi)部泄壓作用，外圈孔Xw1～Xw13作用為凍結(jié)壁外部泄壓作用；J1～J18為溫控孔，主要作用是當(dāng)上層頂板抬升較大時(shí)，通入熱鹽水，通過(guò)提高凍結(jié)壁外圍溫度降低凍結(jié)壁的發(fā)展速率，防止凍脹持續(xù)上升，避免對(duì)上層頂板甚至上方運(yùn)營(yíng)車站產(chǎn)生較大的影響。

泄壓孔布置如圖1所示。

4.3 凍脹控制措施應(yīng)用

為了將雙線隧道凍結(jié)對(duì)10號(hào)線運(yùn)營(yíng)車站的影響控制在允許范圍內(nèi)，避免對(duì)10號(hào)線車站的安全造成不良影響，結(jié)合該凍結(jié)加固工程的施工難點(diǎn)，采取了相應(yīng)的措施，減弱凍脹對(duì)車站的不良影響。

1)打開(kāi)泄壓孔閥門自行泄壓。

此種泄壓方式簡(jiǎn)單直接，直接打開(kāi)泄壓孔閥門，使其泄壓孔內(nèi)的水、污泥等自行流出的泄壓方式。此種方式適用于凍結(jié)前期，即泄壓孔內(nèi)的水、污泥等還未凝結(jié)階段，當(dāng)壓力表數(shù)值高于0.25 MPa時(shí)，打開(kāi)閥門泄壓，在泄壓孔孔口壓力較高的水、污泥流出后，關(guān)閉閥門。泄壓時(shí)，須專人盯控，防止泄壓孔內(nèi)的水、污泥流出較多造成沉降或者斷管的危險(xiǎn)情況發(fā)生，此泄壓方式可使用于全部泄壓孔。

現(xiàn)場(chǎng)泄壓如圖2所示。

2)沖水及沖氣結(jié)合泄壓。

隨著凍結(jié)的持續(xù)進(jìn)行，泄壓孔內(nèi)的泥漿較黏稠，泄壓孔內(nèi)的水及泥漿不能順利的流出泄壓孔，但還未發(fā)生凝固時(shí)，此時(shí)可以用沖水和沖氣相結(jié)合的方式泄壓。首先采用水管沖洗泄壓孔，使泄壓孔里面的泥漿順?biāo)鞒觯瑸榉乐苟嘤嗟乃ㄟ^(guò)泄壓孔的花管部位進(jìn)入地層，則在花管段減少?zèng)_水時(shí)間，且水管來(lái)回抽送，使得泥漿隨水快速流出泄壓孔。當(dāng)水管較難推進(jìn)時(shí)，停止沖水，接上氣管，用氣沖出泄壓孔里的水及泥漿。此泄壓方式應(yīng)用于除凍結(jié)壁周邊泄壓孔之外的泄壓孔較為安全可靠，水管具有一定剛度的軟管較為好用；此種方式操作簡(jiǎn)單易行，效果明顯。其現(xiàn)場(chǎng)泄壓圖如圖3所示。

3)取土泄壓。

此種方式為螺旋鉆桿取土泄壓，當(dāng)凍結(jié)到一定程度，泄壓孔中的水泥漿已凝固，無(wú)法采用水氣結(jié)合的泄壓方式時(shí)，采用此種方式泄壓效果較為明顯。由于此工程凍結(jié)周期長(zhǎng)，持續(xù)凍脹對(duì)10號(hào)線運(yùn)營(yíng)車站、車站底板、周邊建筑物及各種管線產(chǎn)生較大的影響，故在上下行線與底板的左上角、右上角及中間三角區(qū)域布設(shè)泄壓孔，用于控制凍脹所產(chǎn)生的影響，此種方式采用螺旋鉆桿鉆進(jìn)緩慢來(lái)回取土，達(dá)到泄壓的目的。其泄壓圖如圖4所示。

此種泄壓方式，也可實(shí)現(xiàn)定位泄壓，且效果較明顯。根據(jù)沉降數(shù)據(jù)報(bào)表，既有車站立柱LZ02，LZ03抬升較為明顯，立柱LZ02位于上行線隧道上部，立柱LZ03位于上下行線隧道中間區(qū)域的上部，根據(jù)立柱與A墻的距離控制螺旋鉆桿的鉆進(jìn)深度，進(jìn)行取土泄壓時(shí)須按照少量多次的原則，防止一次性取土量過(guò)大造成凍結(jié)壁變形或者造成凍結(jié)管損傷。立柱位置如圖5所示。

4)錯(cuò)峰凍結(jié)與分段凍結(jié)。

上、下行線隧道(簡(jiǎn)稱上行線、下行線)凍結(jié)時(shí)，為盡量避免三角區(qū)域凍脹產(chǎn)生的疊加效應(yīng)，故采用錯(cuò)峰凍結(jié)的方式，減少同時(shí)凍結(jié)的時(shí)間。在下行線凍結(jié)第111天時(shí)，上行線開(kāi)始開(kāi)機(jī)，進(jìn)行凍結(jié)，但此時(shí)下行線BC段尚未進(jìn)行開(kāi)挖，所以上下行線的凍脹在三角區(qū)域產(chǎn)生了疊加，此時(shí)車站立柱有較明顯的抬升，隨之上行線關(guān)機(jī)停止凍結(jié)；在下行線隧道凍結(jié)第156天時(shí)，下行線隧道BC段開(kāi)挖工作結(jié)束，上行線隧道再次開(kāi)機(jī)凍結(jié)，下行線凍結(jié)對(duì)車站影響減小，采用錯(cuò)峰凍結(jié)的方式，可避免上下行線同時(shí)凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹疊加效應(yīng)。

為了控制上、下行線隧道同時(shí)凍結(jié)對(duì)10號(hào)線運(yùn)營(yíng)車站結(jié)構(gòu)的凍脹疊加作用，同時(shí)滿足施工工期要求，故上行線采取分段凍結(jié)方式，即AB段內(nèi)圈孔先行凍結(jié)，然后進(jìn)行全長(zhǎng)凍結(jié)。

5)溫控孔循環(huán)鹽水泄壓與調(diào)整鹽水溫度。

為了控制三角區(qū)的凍脹發(fā)展，利用溫控孔循環(huán)常溫鹽水，溫控孔的鹽水循環(huán)采用單獨(dú)的鹽水管路循環(huán)，單獨(dú)設(shè)置鹽水泵和鹽水箱，常溫鹽水比重與低溫鹽水比重相同。此種方式在滿足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)厚度后方可使用，能有效的控制車站立柱的抬升速率，效果較明顯。

本工程上、下行線隧道凍結(jié)施工分別采用單獨(dú)的凍結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行凍結(jié)施工，設(shè)計(jì)低溫循環(huán)鹽水溫度為-30 ℃，下行線采取的全長(zhǎng)凍結(jié)，車站立柱抬升量較大，在凍結(jié)46 d時(shí)將循環(huán)鹽水溫度調(diào)整為-28 ℃，溫度調(diào)整后，立柱抬升量增速減緩[11]。

5 結(jié)論

主要介紹了幾種長(zhǎng)距離隧道凍結(jié)凍脹控制措施及在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)于長(zhǎng)距離隧道凍結(jié)凍脹控制措施的應(yīng)用，根據(jù)應(yīng)用時(shí)間及土層凍結(jié)情況大致可以參照以下順序進(jìn)行：一是在凍結(jié)初始階段采用打開(kāi)泄壓孔閥門自動(dòng)泄壓；二是泄壓孔中的水泥漿較黏稠，但未凝固時(shí)可采用水和氣相互結(jié)合的方式；三是土層已凝固時(shí)可采用取土泄壓的方式；四是凍結(jié)壁已達(dá)到設(shè)計(jì)的厚度且比較穩(wěn)固時(shí)可采用溫控孔循環(huán)鹽水或者調(diào)整鹽水溫度的方式。根據(jù)工程設(shè)計(jì)及實(shí)際情況實(shí)時(shí)的采取錯(cuò)峰凍結(jié)與分段凍結(jié)的方式。從控制凍脹效果方面來(lái)講，根據(jù)凍結(jié)區(qū)域和結(jié)構(gòu)型式，在保證安全的情況下，可以采用多種控制凍脹措施并行的方法，均能達(dá)到控制凍脹的效果。