高流速富水砂層聯絡通道冷凍法施工技術研究

張曉磊

摘 要：結合北京地鐵6號線二期玉帶河大街站至郝家府站區間2#聯絡通道凍結工程，闡述聯絡通道凍結施工工藝，并通過整理工程實測數據以及工程實際出現的問題，分析了影響凍結帷幕形成的原因，最終在凍結帷幕薄弱區域采用補孔加固凍結等措施解決高水頭高流速全斷面富水砂層凍結難題，為以后類似工程提供了理論依據。

關鍵詞：冷凍法；聯絡通道；流速；富水砂層；凍結帷幕

1 工程概況

北京地鐵6號線二期玉帶河大街站至郝家府站區間，區間于右線K39+50.000設置2#聯絡通道兼泵站，距離玉帶河大街站約790.8m，距離后加會展中心站約500m。2#聯絡通道中心標高約為

-4.98m，地面標高約為+20.45m，隧道中心間距為15.0m。2#聯絡通道及泵站正上方為楊坨村前銀杏樹林。聯絡通道凍結加固如圖1-1所示。

2號聯絡通道覆土主要為：粉土粘土填土①1層、粉土②層、細中砂②3層、中粗砂⑤1層、細中砂⑦層，圍巖穩定性較差，較難形成自然應力拱，施工過程中容易形成坍塌，存在一定的施工安全隱患。開挖范圍內為細中砂⑦層：灰黃～灰色，密實，飽和，標貫技術平均值為75，屬低壓縮性土，局部含粉細砂夾層；聯絡通道位于現狀潛水（二）水位線以下，側壁圍巖土體的再自穩能力差，加上潛水（二）的影響，容易發生涌水涌砂和流土等不良現象，極易發生隧道坍塌。（表1）

2 凍結施工情況

2#聯絡通道及泵站凍結工程，共布設4個泄壓孔，左線X1、X2，右線X3、X4，泄壓孔原始壓力分別為0.1MPa、0.09MPa、0.1MPa和0.1MPa。到2014年2月9日，積極凍結26天，壓力升到0.15MPa、0.14MPa、0.15MPa和0.14MPa。到2014年2月24日，積極凍結41天，壓力未發生變化，期間也進行泄壓，有持續清水流出，閥門關閉后，壓力迅速回升到0.15MPa。

根據凍結壁厚度測算出通道未凍區域方量約133方，由于加強孔距離側墻凍結約4m，加強孔未能將通道和集水井完全隔開，集水井與通道連通，集水井未凍結區域約20方，推算得到總未凍區約153方。根據地勘資料，該⑦號土層孔隙率約為0.39，活水方量約59.67方。同時參考1#聯絡通道，泄壓孔壓力最高也為0.15MPa。并持續泄壓，對泄壓量及水溫進行測量記錄。

3月2日開始敞開泄壓孔泄壓，3月3日左線底部泄壓孔X2凍住，同時X1泄壓孔流量明顯減小，清水帶有氣體。從3月3日到3月12日一直持續泄壓，每天泄壓8小時，水流未見減小，泄水總量約30方。由于工期原因，擬增大放水量，故在左右線腰線往下30cm開泄壓孔，加大放水。3月13日到3月14日，大量泄壓，出水量約為38方，共計泄壓量約68方，后停止泄壓。2#聯絡通道及泵站凍結壁基本未交圈，可能有薄弱位置。

3 影響凍結帷幕閉合的原因排查及分析

地鐵聯絡通道凍結法施工過程中，影響凍結帷幕閉合的原因有：

①水文地質資料不準確，凍結加固不穩定含水層時，凍結深度凍結范圍不夠；

②所凍地層含鹽量高，較高的含鹽量將使得土層冰點降低、凍土帷幕厚度減小、凍土力學性能降低；

③凍結地層范圍內水的流速過大，將地層中凍結管的冷量帶走；

④外界因素影響凍土溫度升高，使得凍土強度迅速降低，可能導致凍結帷幕部分位置形成漏洞；

⑤外部壓力大于凍結帷幕的支護力等。

2#聯絡通道右線施工探孔6個，對集水井三角區域進行探測，集水井三角區域是否凍實，如集水井凍實，可確定通道某部位薄弱，再對通道可能薄弱區域進行探測，逐步縮小范圍。先施工T8探孔，發現集水井處未凍實，隨后施工探孔T11，探測凍結壁，發現東側墻凍結壁在D29處薄弱且涌砂，有明顯與外界溝通跡象。

利用鉆機打深探孔測溫及相關凍結管縱向測溫進行分析。此外并對薄弱位置凍結孔D29、D31、D33及右線底部孔D56進行密封性試驗檢測，檢測合格。鹽水箱鹽水液面穩定，無鹽水漏失跡象。2014年3月25日，對西側墻D29、D31、D33及右線底部D56進行縱向測溫，溫度隨位置變化如圖3-1所示。

從溫度曲線圖可以推斷，D29、D31處凍結壁薄弱，薄弱的范圍大約沿凍結管方向5-7m，豎向約2-3m。D33、D56處凍結壁基本完好。

根據上海市工程建設規范《圓隧道旁通道凍結法技術規程》（2005），在地層凍結區域內有地下水流速大于5m/d、有集中水流或地下水水位有明顯（≥2m/d）波動的情況時，設計中應進行深入分析并采取針對性措施。通過對玉帶河大街站～郝家府站區間聯絡通道地下水流速檢測發現，2號聯絡通道地下水流速遠遠大于設計的5m/d。

4 針對地下水流速快采取的具體措施

4.1 延長凍結時間

根據理論計算，2號聯絡通道凍土發展速度平均按20mm/d計算，交圈時間約為20～23天。在45天左右凍結壁厚度發展到2米以上。凍結壁發展示意圖如下。（圖4-1，4-2）

在45天的基礎上，繼續進行積極凍結，增加凍結壁發展厚度。

4.2 增加備用冷凍結機組

2號聯絡通道及泵站凍結總需冷量為7.4×104kcal/h，配備JYSLGF16型冷凍機組一套作為主運轉機，7.4×104kcal/h<8.60×104 kcal/h。選擇一臺套YSLGF16型或相當制冷能力的冷凍機組作為1#聯絡通道和2#聯絡通道及泵站共用備用機。將備用機和主運轉機同時開啟，加大制冷量。

4.3 增加凍結孔

為確保安全及爭取工期，主要采取在凍結壁薄弱部位外側增加凍結孔為主。圖4-3中陰影部分為凍結薄弱區，位于聯絡通道的西北側，也是水流方向的迎水側，一共補打8個凍結孔，加快薄弱區域的凍結交圈速度。具體位置如圖4-3～圖4-6所示。

4.4 輔以在聯絡通道凍結壁范圍內注水化熱較小的漿液，降低地下水流速。

在聯絡通道凍結范圍內，局部地下水流速較大，實測達到15m/d，對凍結效果影響較大。為了加速薄弱環節凍結，確保凍結參數達到設計要求，本工程采用了注膨潤土措施，并有效地解決了地下水流速過大問題，使地下水流速降到8 m/d。施工過程中調配好膨潤土泥漿的稠度，在凍結區域地下水的上游，采用后退式注漿技術，使膨潤土盡可能滲入到凍結區域地層中，封堵地層中的孔隙，從而降低地下水在地層中的通過系數，保證了地層凍結效果達到設計要求。

5 結論

①根據凍結帷幕形成機理，結合工程實際出現問題，分析了高水頭高流速下富水砂層地質下影響凍結帷幕形成因素以及進行原因排查采用的措施，為今后出現類似工程問題提供依據。

②在高水頭高流速富水砂層中，在鉆孔時采取二次開孔工藝有效地防止了涌水涌砂風險的發生，為今后富水砂層鉆孔施工提供了很好的指導意義。

③探孔是直接觀察凍結效果的有效手段，探孔測溫是檢驗凍結帷幕形成效果的重要方法，對工程實踐有著重要意義。

④凍結帷幕薄弱區域采用補孔和注膨潤土進行凍結加固是修復凍結帷幕的重要方法。

⑤本工程的施工技術研究通過相關控制措施總結出了相關工法施工的重要參數，為北京地區今后采用類似工法施工提供了寶貴的經驗。

參考文獻：

[1]北京地鐵6號線二期玉帶河大街站～郝家府站區間1#聯絡通道施工圖[R].2013.7.

[2]王鵬.地鐵施工中凍結法地基加固可行性研究[J].城市軌道交通研究，2007.

[3]曾豐姿，李兆平.區間盾構隧道聯絡通道施工對隧道結構和周圍地層安全性影響的研究[J].中國安全科學學報，2006.

[4]陳朝暉，李方政.地鐵隧道聯絡通道凍結帷幕形成分析[J].施工技術，2007，1.

[5]肖朝昀.人工地層凍結凍土帷幕形成與解凍規律研究[D].上海：同濟大學，2007.