劉 祥 趙玉善 解文杰 郭志敏

(中建八局第三建設有限公司，210046，南京∥第一作者，碩士研究生)

地鐵隧道建設過程中風險較大的環(huán)節(jié)是盾構(gòu)始發(fā)與接收。在鑿壁破除洞門階段，當加固效果不好時會引起洞門塌陷、涌水涌砂、地下管線及地面建筑物下沉損壞等問題。因此，達標的洞門加固強度是保證盾構(gòu)始發(fā)與接收的關鍵。目前常用的加固方法有攪拌樁法[1]、旋噴法[2]、SMW(水泥土攪拌樁墻)法[3]和垂直及水平凍結(jié)法[4]等。當面對復雜的地質(zhì)條件時，凍結(jié)法是洞門加固的理想工法。凍結(jié)法的基本原理是通過人工降溫在地下開挖土體特定范圍內(nèi)形成負溫的、不透水的和有足夠強度的凍土結(jié)構(gòu)物，保護地下工程實施。該工法的作用是用低溫方法對含水不穩(wěn)定地層進行地下工程開挖前的預加固，具有安全性高、適應性強、靈活性好、可控性好、污染性小和經(jīng)濟合理等優(yōu)點，在盾構(gòu)端頭加固施工中具有良好的應用前景[4-6]?；跓o錫地鐵市民中心站復雜的地質(zhì)條件，本文提出采用水平凍結(jié)法對盾構(gòu)進出洞門進行加固。

1 工程概況

無錫地鐵4號線市民中心站—吳都路站區(qū)間，左線起終點里程左DK20+880.765—左DK21+793.155，左線短鏈0.091 m，左線長912.299 m；右線起終點里程右DK20+880.765—右DK21+793.155，右線長912.390 m；左右線全長1 824.689 m。本區(qū)間設一處聯(lián)絡巷，與泵房合建，聯(lián)絡通道及泵房中心里程為右DK21+208.600(左DK21+208.600)?？傮w工程籌劃如下：本區(qū)間采用一臺盾構(gòu)機掘進，盾構(gòu)機從吳都路站北端左線盾構(gòu)井下始發(fā)，掘進至市民中心站左線南端頭，然后調(diào)頭掘進區(qū)間右線至吳都路站解體吊出，完成本區(qū)間施工。只有市民中心站端頭接收與始發(fā)洞門采用水平凍結(jié)法加固。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

在市民中心站地面垂直向下取芯11處。根據(jù)取芯結(jié)果，洞門位置土層自上而下可分述為：①1層雜填土、③1層黏土、③2層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③3層粉質(zhì)黏土、④2層砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑤1層粉質(zhì)黏土、⑥1-1層粉質(zhì)黏土、⑥1層黏土、⑥2T層粉質(zhì)黏土、⑥2A層砂質(zhì)粉土和⑥2B層黏土。

無錫市地處江南水網(wǎng)區(qū)，屬于長江流域太湖水系，區(qū)內(nèi)地表水系十分發(fā)育，河網(wǎng)密布。本工點第四系松散巖類孔隙水主要為：潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要分布于淺部填土中，微承壓水賦存于④2層砂質(zhì)粉土夾粉砂層中，承壓水賦存于⑥2A層砂質(zhì)粉土和⑦2A層砂質(zhì)粉土夾粉砂層中。市民中心站端頭盾構(gòu)中心埋深約20.1 m，穿越土體主要為⑥1黏土，土層位于微承壓水和承壓水之間。

1.2 建筑物及管線情況

市民中心站是無錫地鐵4號線與1號線的換乘站，其南北端頭位于立德道下方。該站周邊建筑物情況：南端頭東側(cè)為市民中心配套綠化，西側(cè)為國聯(lián)金融大廈，距車站端頭井遠大于安全距離。該站周邊管線情況：距南端頭井40 m有一條DN90K中壓煤氣管橫穿端頭井，距北端頭50 m有一條DN500污水管道橫穿端頭井，南北方向有一條DN600雨水管穿過南北端頭；端頭井西側(cè)有一條銅/光11/12 500 mm×300 mm信息管線和一條銅5/6 600 mm×400 mm電力電纜；端頭井東側(cè)有一條銅/光11/12 500 mm×300 mm信息管線及銅/光3/6 300 mm×200 mm信息管線、一條0/15 850 mm×600 mm電力空管及一條DN400雨水管道。鑒于工程地質(zhì)條件、建筑物與管線情況復雜，采用水平凍結(jié)法加固盾構(gòu)進出洞門。

2 水平凍結(jié)設計方案

2.1 凍結(jié)帷幕設計

根據(jù)工程地質(zhì)特點，采用杯體凍結(jié)加固方案，即利用水平凍結(jié)和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使盾構(gòu)機外圍及開洞口范圍內(nèi)土體凍結(jié)，形成圓柱形、強度高和封閉性好的凍結(jié)帷幕。盾構(gòu)機本體長度為9.5 m，為防漏水和涌砂，盾構(gòu)接收時加固區(qū)杯體長度需能“包住”盾構(gòu)機本體長度，故多增加2.5 m的兩環(huán)管片長度。本次設計盾構(gòu)接收加固區(qū)長度為12 m，盾構(gòu)始發(fā)加固區(qū)長度為9 m，凍結(jié)壁杯體厚度為1.65 m。凍結(jié)帷幕設計如圖1所示。

圖1 市民中心站凍結(jié)帷幕設計圖

2.2 凍結(jié)參數(shù)

根據(jù)凍結(jié)帷幕設計，凍結(jié)孔參數(shù)確定如下：南端頭左右線凍結(jié)孔按近水平角度布置，凍結(jié)孔共61個；圓柱體凍結(jié)孔外圈沿開洞口Φ7.8 m圓形布置；外圈孔開孔間距為0.765 m，凍結(jié)孔共32個，孔編號為D301—D332；左線凍結(jié)孔有效深度為13.8 m，右線凍結(jié)孔有效深度為10.8 m。由于洞門頂部5個凍結(jié)孔距負二層底板太近，無法施工，故將頂部5個凍結(jié)孔調(diào)整到負二層內(nèi)施工，為保證凍結(jié)效果，增加4個加強孔，孔編號為Z1—Z4；中圈沿開洞口Φ5.2 m圓形布置，中圈孔開孔間距為1.014 m，凍結(jié)孔共16個，孔編號為D201—D216，凍結(jié)孔有效深度均為4.4 m；內(nèi)圈沿開洞口Φ2.6 m圓形布置，內(nèi)圈孔開孔間距為0.995 m，凍結(jié)孔共8個，孔編號為D101—D108，凍結(jié)孔有效深度為4.4 m；在開洞口中心處布設1個凍結(jié)孔，孔編號位D001，凍結(jié)孔有效深度為4.4 m。市民中心站南端頭左右線凍結(jié)孔平剖面布置如圖2所示。

圖2 市民中心站南端頭左右線凍結(jié)孔位布置示意圖

凍結(jié)基本參數(shù)要求如下：①積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28～-30 ℃；②維護凍結(jié)期溫度為-28～-30 ℃；③外圍凍結(jié)孔開孔間距Lmax≤1 000 mm，凍結(jié)帷幕交圈時間20 d；④積極凍結(jié)時間總共為35 d；⑤凍結(jié)工期安排為總工期65 d，其中,打鉆25 d，安裝4 d，積極凍結(jié)35 d，拔管1 d。

2.3 凍結(jié)施工流程

凍結(jié)施工的施工流程：洞門注漿→凍結(jié)孔施工→凍結(jié)站安裝→積極凍結(jié)與維護凍結(jié)→凍結(jié)質(zhì)量控制。

3 盾構(gòu)始發(fā)與接收技術措施

3.1 施工流程

水平凍結(jié)加固和盾構(gòu)始發(fā)與接收的施工流程為：施工準備→同時進行凍結(jié)孔施工與凍結(jié)站安裝→同時進行凍結(jié)器系統(tǒng)安裝與檢測系統(tǒng)安裝→積極凍結(jié)運轉(zhuǎn)→槽壁破除0.5 m→探孔→槽壁破除→開洞口內(nèi)凍結(jié)拔管→盾構(gòu)推進→盾構(gòu)始發(fā)與接收。

3.2 盾構(gòu)始發(fā)與接收技術要求

1)為保證盾構(gòu)始發(fā)與接收安全，需確定凍結(jié)帷幕應達到的設計強度及厚度；與槽壁完全膠結(jié)后，方能進行槽壁破除、拔管，盾構(gòu)始發(fā)與接收施工。

2)破壁分4～5層分層剝離。盾構(gòu)接收前，破除槽壁厚度不小于200 mm，并保留外排鋼筋；最后一層槽壁要在確保凍結(jié)體滿足要求后才能完全破除。

3)槽壁混泥土完全破除后，盾構(gòu)靠上洞門，刀盤尖端與凍土表面應保持20 cm距離，以防止因刀盤擠壓土體而造成拔管困難。

4)盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)時，停留時間不宜過長；拼裝管片出現(xiàn)故障時，每隔10～15 min轉(zhuǎn)動刀盤3～5 min，以防刀盤凍死。

3.3 拔管

在拔管前，需進行探孔和槽壁鑿除。通過測溫孔數(shù)據(jù)，確定凍結(jié)帷幕達到設計厚度和強度后，將盾構(gòu)推進至距圓柱凍結(jié)帷幕一定距離處，破除洞口槽壁0.5 m；然后探孔，孔深為5～10 cm，當各探孔實測溫度低于-5 ℃，且無泥無水流出時，說明凍結(jié)效果良好；最后將槽壁完全破除后，即可拔管。

3.4 破壁及盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)的保證措施

1)溫度控制：盾構(gòu)始發(fā)與接收時，必須有效控制外周凍土溫度不低于-5 ℃并接近0 ℃，此時凍土抗剪強度不高于1 MPa，所需總推力不大于3 000 t為宜。

2)槽壁探孔：通過測溫孔觀測計算，確定凍結(jié)帷幕達到設計厚度及強度。當槽壁厚度還剩不小于300 mm時，在洞門上打探孔。用風鎬進行鑿窩，窩直徑為400 mm，窩深為200～400 mm。探孔打好后，用電錘穿透探孔內(nèi)剩下的槽壁，最終探孔進入凍土內(nèi)深度5～10 cm。各探孔的實測溫度需低于-5 ℃。

3)凍結(jié)指標監(jiān)測：盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)前，凍結(jié)指標如下：①總?cè)セ芈符}水溫度為-28～-30 ℃；②鹽水去回路溫度差≤2 ℃；③凍土墻設計厚度 ≥1.8 m；④凍土平均溫度 ≤-10 ℃；⑤各探孔溫度 ≤-5 ℃；⑥凍結(jié)時間達30 d。

3.5 凍脹及融沉控制措施

1)預注漿：在鉆孔施工期間，利用孔口上旁通閥對盾構(gòu)始發(fā)與接收口范圍內(nèi)土層進行注漿，補充鉆孔期間泥水流失，控制地面沉降。

2)凍脹控制：每個泄壓孔的端部安裝一個壓力表，打開泄壓孔閥門釋放凍脹壓力；或打凍結(jié)孔加熱循環(huán)，進行解凍。

3)融沉控制：在始發(fā)與接收區(qū)域8環(huán)管片上設置注漿孔，每環(huán)10個。利用管片上注漿孔進行跟蹤注漿，進而減少融沉。

4 水平凍結(jié)溫度實測分析

4.1 測溫點布置

在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上設置測溫點。洞門外圈每2～3個凍結(jié)孔串聯(lián)為一組，外圈33個凍結(jié)孔分為11組；洞門內(nèi)圈從上往下每一排4～5個凍結(jié)孔串聯(lián)為一組，內(nèi)圈25個凍結(jié)孔分為6組。每組串聯(lián)回路設一個測溫點。

凍結(jié)加固區(qū)共布置5個測溫孔。內(nèi)圈布置3個測溫孔(C1、C2、C3)，孔深為3.5 m；每個孔內(nèi)布置4個測溫點，測溫點間隔0.83 m。外圈布置2個測溫孔(C4、C5)，孔深為10.3 m；每個孔內(nèi)布置7個測溫點，測溫點間隔1.38 m。測溫孔位置如圖2所示。

4.2 總?cè)セ芈符}水測溫分析

端頭凍結(jié)加固工程于2019年1月11日開始，至2019年2月13日凍結(jié)34 d。本文以右線盾構(gòu)始發(fā)為例，分析凍結(jié)效果和盾構(gòu)始發(fā)情況。

總?cè)セ芈符}水溫度及溫差是綜合反映冷媒吸熱量及凍結(jié)效果的重要指標?？?cè)セ芈符}水溫度隨時間變化曲線如圖3所示。該曲線分為以下3個階段。

圖3 總?cè)セ芈符}水溫度隨時間變化曲線

1)階段Ⅰ——快速下降階段：總?cè)セ芈符}水溫度快速下降，曲線斜率較大。凍結(jié)前4 d去回路溫差分別為1.1 ℃、1.4 ℃、1.3 ℃和1.2 ℃。因為初始地溫較高，鹽水吸熱量較大。所以去回路溫差略大且有波動。

2)階段 Ⅱ——緩慢下降階段：總?cè)セ芈符}水溫度緩慢下降，曲線斜率較小。凍結(jié)第24 d的總?cè)ヂ符}水溫度為-30.5 ℃，總回路鹽水溫度為-31.6 ℃，溫差為1.1 ℃。此時去回路溫度都已達到設計標準。

3)階段Ⅲ——平穩(wěn)變化階段：總?cè)セ芈符}水溫度平穩(wěn)變化，曲線斜率近似為0。凍結(jié)第34 d的總?cè)ヂ符}水溫度為-30.8 ℃，總回路鹽水溫度為-31.9 ℃，溫差為1.1 ℃。此階段溫差均小于1.1 ℃，說明總?cè)セ芈窚夭钜堰_到設計標準。

4.3 內(nèi)外圈回路鹽水測溫分析

內(nèi)外圈凍結(jié)孔串聯(lián)回路分別布置6個和11個測溫點。內(nèi)外圈回路溫度反映各串聯(lián)凍結(jié)管回路中的鹽水溫度。內(nèi)外圈回路鹽水溫度隨時間變化曲線如圖4所示。由圖4可知：在外圈凍結(jié)孔串聯(lián)成的17個測溫點中，回路鹽水溫度變化趨勢與總?cè)セ芈符}水溫度變化趨勢基本一致；凍結(jié)前4 d各測溫點回路鹽水溫度迅速下降，凍結(jié)4～28 d溫度緩慢下降，凍結(jié)第24 d后溫度趨于平穩(wěn)。其中，內(nèi)圈測溫點回路鹽水溫度普遍低于外圈，主要由于內(nèi)圈凍結(jié)孔長度遠小于外圈凍結(jié)孔，鹽水冷溫能量損失量較少。通過上述分析可知，凍結(jié)開始后，各串聯(lián)回路中鹽水溫度分階段穩(wěn)步下降，鹽水循環(huán)正常，符合凍結(jié)設計要求。

圖4 內(nèi)外圈回路鹽水溫度隨時間變化曲線

4.4 測溫孔測溫效果分析

筆者對5個測溫孔測溫數(shù)據(jù)均進行了匯總，所呈現(xiàn)的特征規(guī)律較為一致。由于篇幅所限，本文從實測數(shù)據(jù)中選取有代表性的C4測溫孔進行測溫效果分析。

4.4.1 不同深度土體溫度變化分析

C4測溫孔共布設7個測溫點，距槽壁分別為2.00 m、3.38 m、4.77 m、6.15 m、7.53 m、8.92 m和10.30 m。獲得不同深度土體溫度隨時間的變化曲線如圖5所示。該曲線可分為以下4個階段。

圖5 C4測溫孔中各測點溫度隨時間變化曲線

1)階段Ⅰ：凍結(jié)時間為1～6 d，土層溫度由最高17.9 ℃下降到最低9.1 ℃，平均每天下降0.7～1.1 ℃。在此階段，C4-1測溫點溫度較低，其他不同深度的測溫點溫度相差不大，基本一致。

2)階段Ⅱ：凍結(jié)時間為7～15 d，土層溫度由最高11.6 ℃下降到最低-0.1 ℃，平均每天下降為1.0～1.2 ℃。在此階段，距槽壁最近的C4-1測溫點溫度最低，C4-2測溫點較其他測溫點溫度略低，而C4-3、C4-4、C4-5、C4-6和C4-7測溫點溫度相差不大。

3)階段Ⅲ：凍結(jié)時間為16～22 d，土層溫度由最高0.8 ℃下降到最低-5 ℃，平均每天下降0.16～0.47 ℃。各測點土層溫度下降速度明顯減緩。在此階段，C4-1溫度仍最低，在19～22 d期間急劇下降；7個測溫點溫度曲線逐漸呈現(xiàn)分離狀態(tài)，即不同深度的溫度逐漸出現(xiàn)差別，且距槽壁越遠(深度越大)溫度越高。這主要是由于低溫鹽水先完成水平淺土層的凍結(jié)，隨著水平深度的增加低溫鹽水消耗能量越多，低溫鹽水溫度越高，凍結(jié)效果越差。因此，水平入土越深溫度越高。

4)階段Ⅳ：凍結(jié)時間為23～34 d，土層溫度由最高-1.2 ℃下降到最低-12.5 ℃，平均每天下降0.3～0.6 ℃。該階段各測點溫度下降速度較階段Ⅲ略有增加，總體仍然較緩。7個測溫點呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律：入土越深溫度越高。其他4個測溫孔中測溫點溫度變化規(guī)律與C4一致，篇幅所限不在贅述。

4.4.2 凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度計算

凍結(jié)34 d后，測溫孔C4中，測點C4-7溫度最高，為-4.5 ℃。根據(jù)最不利原則，選取測溫點C4-7計算凍結(jié)壁厚度。根據(jù)凍結(jié)圓半徑公式[7]計算得到最小凍結(jié)圓柱半徑為1.1 m、最小凍結(jié)壁厚度為2.1 m(大于設計凍結(jié)壁厚度1.65 m)，滿足設計要求。

利用《建井工程手冊》凍結(jié)施工成冰公式[8]計算凍結(jié)壁平均溫度。同理，根據(jù)最不利原則對C4-7測點進行計算，得凍結(jié)壁平均溫度為-10.8 ℃，滿足凍結(jié)壁設計平均溫度-10.0 ℃要求。

4.4.3 探孔溫度分析

施工方于2月12日在洞門內(nèi)圈布設了8個探孔，探孔深度均為1.1 m，打孔過程未見流水流砂。測得探孔界面測點最高溫度為-22.8 ℃、最低溫度為-25.5 ℃。探孔溫度低于-5 ℃，滿足探孔溫度要求。

4.5 現(xiàn)場實際效果

凍結(jié)開始后，各串聯(lián)回路中鹽水溫度穩(wěn)步下降，鹽水循環(huán)正常，符合凍結(jié)設計要求。工程凍結(jié)34 d后，總?cè)セ芈符}水溫度分別為-31.9 ℃和-30.8 ℃，溫差1.1 ℃，滿足工程要求。最小凍結(jié)壁厚度為2.10 m，滿足工程要求的1.65 m。凍結(jié)壁的平均溫度為-10.8 ℃，滿足工程要求的-10 ℃。測得探孔界面測點最高溫度-22.8 ℃，最低溫度-25.5 ℃，滿足工程要求。積極凍結(jié)時間34 d，滿足工程要求。綜上所述，凍結(jié)34 d后，滿足了洞門槽壁破除及盾構(gòu)始發(fā)條件。

數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場勘測的結(jié)果表明，本次凍結(jié)效果較好，盾構(gòu)機成功實現(xiàn)接收與始發(fā)。

5 結(jié)語

本工程的成功實踐表明，在軟弱復雜地質(zhì)條件下可采用“杯型”水平凍結(jié)法加固洞門。水平凍結(jié)加固區(qū)總?cè)セ芈符}水溫度、內(nèi)外圈回路鹽水溫度和各測溫孔中測溫點溫度隨時間均存在階段性變化特征。

本文通過水平凍結(jié)溫度實測分析確定凍結(jié)34 d后已具備盾構(gòu)始發(fā)與接收條件，最終盾構(gòu)成功實現(xiàn)始發(fā)與接收，現(xiàn)場應用效果較好。因此可知，水平凍結(jié)法是復雜地質(zhì)條件下較好的加固新技術，在地鐵隧道工程中有良好的應用前景。