天津地鐵某區間聯絡通道凍結加固的風險管理

摘要：本文分析了凍結法在聯絡通道施工過程中的風險要點，重點闡述了施工過程中風險管理的應急處理措施和對策，以規避施工風險，達到安全施工的目的。

關鍵詞：隧道地鐵 聯絡通道 凍結加固 風險管理

中圖分類號：TU7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0140-02

凍結法基本不受支護范圍和支護深度的限制，以及能有效防止涌水和城市挖掘、鉆鑿施工中相臨土體變形，是城市地鐵施工的重要方法之一。其具有安全可靠性好、適應性廣、靈活性好、可控制好、污染小、經濟合理等優點，在我國城市地鐵施工中得到越來廣泛的應用，并取得大量成熟經驗和研究成果。由于地下工程的復雜性和凍結法施工的特殊性，在施工中常會遇到一些險情，除對凍結理論進行系統研究、嚴格各個環節的施工工藝外，還需對施工過程中進行風險分析，并采取相應的對策和處理措施，以將施工過程中的安全隱患消除在萌芽狀態。

1 施工總體方案

天津地鐵某區間聯絡通道所穿越土層孔隙較大、含水豐富、承載力低、容易壓縮、在動力作用下易流變，開挖后天然土體本身難易自穩，容易引起水、砂突涌。根據工程地質條件及其它施工條件，確定采用“隧道內鉆鑿，布設水平孔、近水平孔凍結臨時加固土體，礦山法暗挖構筑”的施工方案，即：在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層，使聯絡通道及集水井外圍土體凍結，形成強度高，封閉性好的凍土帷幕，然后根據“新奧法”的基本原理，在凍土中采用礦山法進行聯絡通道及泵站的開挖構筑施工。

聯絡通道凍結加固施工主要技術指標：（1）凍結鹽水溫度：積極期：-30～-32℃，維護期：-22～-28℃。（2）凍土墻平均溫度：≤-10℃。（3）凍土強度：單軸抗壓3.6MPa，抗折2MPa，抗剪1.5MPa。（4）凍土墻厚度：1.6m。

聯絡通道地層凍結的冷凍機組布置在地面，通過冷凍管輸送至隧道內凍結加固，開挖構筑施工在區間隧道內進行，施工總工期在90～110d。其主要施工順序為：

施工準備→凍結孔施工（同時安裝凍結制冷系統，鹽水系統和檢測系統）→進行隧道支撐→積極凍結→探孔試挖→拆鋼管片→聯絡通道掘進與臨時支護→聯絡通道永久支護→泵站開挖與臨時支護→泵站永久支護→結構注漿→進行融沉注漿充填。

2 工程風險分析

基于隧道聯絡通道的地質條件和結構特點，采用凍結法施工，施工過程中存在如下工程風險：

2.1 凍結孔施工過程中的特殊風險點

（1）由于聯絡通道所處位置的工程地質狀況，若凍結孔施工不當，易造成孔口涌砂、冒水，進而引起地面的沉降。（2）凍結孔施工質量直接影響到下一步的凍土帷幕質量，給開挖和結構構筑帶來風險。（3）凍結管連接強度不夠，造成開挖過程中凍結管斷裂。

2.2 凍結施工過程中的風險點

（1）凍脹對隧道結構的影響：由于凍結工法特點，凍脹會對隧道結構造成一定的影響，使隧道產生凍脹變形，嚴重時可能造成管片的破壞及較大的凍脹變形，還可能會造成聯絡通道結構的滲漏，所以在運轉過程中，采取控制凍結技術，控制凍結產生的凍脹。（2）凍結設備損壞，維修不及時造成凍土融化風險。（3）凍土結構和隧道兩側管片膠結強度不夠造成接觸面漏水。

2.3 開挖和結構施工過程中的風險點

（1）凍結帷幕質量不好。（2）凍結帷幕變形過大。（3）施工過程中的停電、機器發生故障使凍結機組停止運轉超過規定時限，凍結過程中斷。（4）開挖過程由于凍結帷幕局部薄弱漏水、漏砂。（5）排水管敷設中的突發涌砂涌水現象。

3 凍結孔施工風險處理措施

3.1 凍結孔施工中涌砂、冒水風險處理措施

凍結孔在打設過程中，由于所處地質富含豐富的地下水，有涌砂、冒水可能，相應的風險處理措施：

（1）正式開孔前，施工現場要配備Φ125mm、Φ109mm等規格的木楔、2m3在砂袋和6T水泥（含1T速凝水泥）及注漿設備。（2）凍結孔開孔分一、二次控制泥漿涌出。首先孔位避開砼管片內受力主筋，然后用開孔器（配金剛石鉆頭取芯）按設計角度開孔，開孔直徑130mm，預留不小于100mm的管片厚度時停止取芯鉆進，安裝帶填料密封盒的孔口管，通過管側的φ40mm旁路閥門，防止孔口噴砂；其次將孔口管固定、密封好，并裝上DN125閘閥；最后將閘閥打開，用開孔器從閘閥內二次開孔，開孔直徑為108mm，一直將砼管片開穿，出現涌砂就及時關閉閘門。（3）在二次開孔后，若出現大量涌砂，通過孔口管的旁路閥門對地層注雙液漿封堵，必要時用木塞封堵鉆桿管口。（4）在孔口管裝置脫落時，立即在凍結管上加焊擋環，用管錘或鉆機將孔口管頂住，然后通過孔口管側的旁路閥門注雙液漿封堵，再用膨脹螺栓將孔口管重新固定在隧道管片上。（5）在未進入承壓水層時，采用強力水平鉆機無泥漿鉆進。（6）對旁通道所在地面進行觀測，若鉆進時出現大量涌砂、涌水事件，須加大地面的監測頻率，出現單次沉降3mm及以上，立即對地面的注雙液漿充填。（7）為防止開孔及鉆進期間涌水、涌砂現象的發生，還須采取以下措施：A、加大鉆具推力，強行頂入套管；B、利用原鉆具系統注入1：1的水泥-水玻璃雙液漿；C、必要時壓緊孔口管密封裝置，封閉該孔。

3.2 凍結管滲漏或斷裂風險處理措施

（1）發生凍結管滲漏或斷裂時，停止作業（必須正常運轉的設備和系統除外），立即逐級匯報，采取下放套管、關閉孔口閥、壓緊孔口裝置、實施注漿等措施。（2）現場采取妥善地保護措施，防止事態擴大。

4 凍結施工風險處理措施

（1）開機前對各系統進行嚴格調試，在開機前做到設備正常運轉。為保證凍結和開挖期間凍結運轉的連續，凍結系統設備采用新型凍結設備，并準備一套備用設備，當一臺設備出現故障時，啟用另一臺設備運轉，保持凍結的連續進行。同時，對故障設備進行維修，確保始終有一套設備備用。（2）預備二路供電電源（備用發電機）；預備備用冷凍機和相關備件；安裝各類計量和檢測儀表并預留備件；鹽水正常循環前進行管路施壓滲漏檢測，清洗后用橡塑材料保溫；做好凍結管的打壓試驗；在左線和右線隧道管片內側鋪設冷凍板和保溫層，確保凍土帷幕不存在薄弱環節。（3）按照方案及時對冷凍各系統參數進行監測，并保持記錄，做到每天一測，關鍵參數多次監測，發現問題立即處理。（4）每班測量凍結孔系統供液情況，確保每組凍結孔鹽水流量≥5m3/h，否則通過手動調節；每天對鹽水去回路溫度進行監測，去回路溫差在凍結壁交圈后小于1.5℃。（5）準備沖孔的必需設備，保持卸壓孔的暢通。（6）利用泄水壓孔每天放水泄壓，逐漸將聯絡通道開挖土體內水放出，消除凍結對隧道管片和臨近建筑物的凍脹影響。

5 聯絡通道開挖條件驗收

5.1 聯絡通道地面環境驗收

（1）聯絡通道所在地面的建筑物和管線是否穩定。（2）聯絡通道所在的地質及開挖地層中是否含承壓水。

5.2 凍結效果驗收

（1）設計積極凍結時間為45d。積極凍結7天鹽水溫度降至-18℃以下；積極凍結15d鹽水溫度降至-24℃以下；開挖時鹽水溫度降至-28℃以下。（2）各凍結孔組的去、回路鹽水溫差不大于1.5℃。（3）檢查凍結孔鹽水流量情況：要求凍結孔單孔流量不小于5m3/h，每米凍結管（包括冷凍排管）的設計散熱量不應小于100kcal/h，鹽水系統循環總流量在積極凍結期間達到設計值。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。（4）泄壓孔壓力上漲超過7d，或打開泄壓孔閥門確認無泥水流出。（5）聯絡通道凍土厚度大于1.6m的設計厚度，開挖區外圍凍結孔布置圈上凍結壁與隧道管片交接面處溫度不高于-5℃，凍結壁有效土平均溫度要達到-10℃以下；并進行探孔測溫檢測。根據測溫孔測溫結果計算，凍土帷幕的平均溫度和厚度達到設計值。（6）在鋼管片打開前，先在凍結可能存在有最薄弱部位打幾個探孔，以確定凍土強度是否達到設計值，并無水砂流出即可正式開挖。如果達不到開挖條件，應組織有關專家、技術人員等進行現場分析研究，找出原因合理延長凍結期，待凍結壁完全達到設計厚度方可正式開挖。

5.3 開挖時其他條件驗收

（1）通信系統安裝完畢。整個施工期間，在施工現場安裝直撥電話，并安排專人進行線路維護，便于對施工現場的監督和管理。（2）防護門安裝完畢。防護門安裝在聯絡通道開挖側，門框直接焊接在預留洞口鋼管片上，在門框與門邊接觸處設置密封橡膠條。同時確認防護門啟閉功能正常，接好供氣管。（3）完成隧道支撐加固。（4）冷凍機等機電設備及電源等完好的檢查報告。（5）對開挖作業人員進行了安全教育培訓和安全技術交底工作。（6）搶險物資和施工材料準備就緒并運到現場，包括：砂袋、水泥、鋼支撐、支護木背板、木楔等。

6 開挖施工處風險理措施

6.1 應急液氮

在聯絡通道附近儲備移動式液氮罐的連接管路和保溫材料，并與廠商簽訂協議，保證液氮在12h內連續供應至工地。

6.2 開挖面滲水風險處理措施

開挖過程中，開挖面有水滲出時，立即停止施工。第一時間由當班工長通知值班管理人員，同時對滲水點進行處理。如果出水量小，只是滴漏，未形成線流，利用快干水泥或注入聚氨酯封堵。如果滲水量大，利用液氮進行快速凍結。

冷凍站人員及時對滲水點觀察，立即查找原因，調整凍結參數。

6.3 涌水、涌砂風險處理措施

開挖時出現涌水、涌砂等情況時，用砂袋和粘土袋壓住出水點，封閉通道，上報項目總工和經理。（2）當出現無法控制的突發局面時，重要電機設備立即進行轉移，同時迅速組織人員撤離現場，關閉防護門。同時，對地面沉降情況進行檢測。并分析原因，制訂措施報請業主、監理和總包單位審批后實施。

6.4 停水、停電風險處理措施

（1）在積極凍結期間突然停電，凍結帷幕不會很快融化，對凍結效果影響也不大；如停電時間較長，應增加積極凍結時間，直到凍結帷幕完全交圈為止。（2）在開挖期間突然停電，立即停止掘進，把暴露的土體用保溫材料完全覆蓋，進行保溫。現場人員及時通知供電部門，排查故障原因，在30min內供電正常對旁通道的凍結及開挖沒有影響。如不能及時恢復供電，立即啟用備用發電機，保證冷凍站凍結系統正常工作。（3）凍結補充水每天補充一次，斷水24h一般不影響凍結；凍結時保證清水箱充滿水。另外在停水后，可以從別處運水補充至清水箱或在車站端頭井蓄水，緊急時抽水至清水箱，保證凍結系統的正常運轉。

6.5 工作人員打破凍結管風險處理措施

施工人員在開挖至凍結管附近時，由凍結值班人員向其標識凍結管的具體位置。如出現打破凍結管的情況，停止開挖，并通知凍結維護人員關閉鹽水閥門，防止鹽水外流融化凍土，由電焊工焊及時對凍結管補焊后繼續施工。

6.6 凍結管去、回路鹽水溫差大于1.5℃風險處理措施

在開挖和結構施工期間，保證每組鹽水的進、回路流量，一旦發現鹽水的去、回路溫差大于1.5℃，應及時調整該組鹽水管路的流量，保證各個凍結管鹽水流量均衡，使凍結管去、回路鹽水溫差滿足要求。

6.7 開挖工作面化凍風險處理措施

掘進施工人員如果發現已開挖的暴露面不斷有土塊掉下，且影響面積較大，而且周圍土體有松動現象，立即通知凍結施工人員，由凍結施工人員根據判斷情況，加強冷凍，同時做好開挖面的保溫工作。

6.8 承壓水不良作用風險處理措施

按不利原則分別考慮高、低水位，微承壓含水層呈帶狀不連續分布。因此制定本處理措施：

（1）凍結過程中，針對不安全部位多布置測溫孔加強溫度監測，及時對所測數據分析和統計，對凍結帷幕的發展狀況做出相應的預計。（2）開挖前對開挖條件嚴格把關，一旦發現有不合格條件，及時進行分析和排查，確實是凍結問題，采取加大局部凍結孔的流量，增加凍結時間，以提高局部凍結質量，直至滿足所有開挖條件才可開挖。（3）開挖過程中，派專人對開挖工作面的凍土質量及溫度進行監測，一旦發現問題及時上報給項目經理，經核查后啟動涌水處理措施。

6.9 排水管預留洞口處風險處理措施

敷設排水管時，預留洞口處已失去通道防護門的保護，如出現突發的涌水、涌砂現象，除關閉通道防護門外，洞口處也要封閉。具體的操作方法如下：可采用與通道防護門相似的做法，即在穿過的鋼管片隔腔處設置一可關閉的小型防護門，以增加洞門的密閉性，如出現突發現象，立即關閉此門，并加以固定。

6.10 其它處理措施

（1）做好信息化處理，通過監測指導施工。A、位移的監測工作在凍結孔施工前，建立監測原始基準數據，凍結孔施工時，開始第一天監測，直至凍結帷幕融化后。B、凍結系統及凍結壁的溫度等指數監測，自凍結運轉開始，直至凍結停凍。C、（3）測溫孔溫度監測，凍結開機后每天監測一次。D、監測的各種數據及時反饋分析處理，以便指導施工，采取措施。（2）為了控制支架間凍結帷幕的變形，減少凍結帷幕冷量損失，所有鋼支撐架后采用木背板密背，背板必須同凍結壁緊貼，盡量減少支護間隙，木背板不能松動，當支護間隙較大時，可增加背板厚度和木橛子，以提高支護效果。（3）開挖過程中，如發現土體加固強度不夠，影響正常掘進時，可以采取縮短進尺加強支護等措施處理。（4）成立搶險領導小組和救援隊伍，搶險領導小組輪流值班，當現場出現緊急情況時，能及時并有效不紊的實施工程搶險。

7 配備應急材料及設備

現場需配備的應急材料及設備包括：（1）水泥（包括速凝水泥）、水玻璃、粘土袋、砂袋、方木、木楔等常用材料；（2）凍結備用設備（包括冷凍機、鹽水泵和清水泵）、雙液注漿泵、空壓機、混凝土噴射機、千斤頂、電鋸、手拉葫蘆、電焊機等設備。

8 結語

凍土是對溫度十分敏感且性質不穩定的土體，施工過程中重點做好循環鹽水的溫度和流量、凍土墻的溫度、開挖期凍土墻體的變形量、地面凍脹和融沉量的監測，及時掌握施工質量。由于地下工程的復雜性，及時發現施工過程中存在的隱患，根據制定對策和措施采取正確的方法，才能堵絕事故苗頭，確保施工安全。

參考文獻

[1] 龔曉南，地基處理手冊[M].3版.北京：中國建筑工業出版社.

[2] 天津市地下鐵道暗挖法隧道工程施工技術規程（J10592-2010）[S].