地鐵聯絡通道凍結法施工中的漏水搶險及后續修復關鍵技術研究

葉松明

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

1 研究背景

聯絡通道作為現有2條并行隧道中間聯通的“逃生通道”，一般在主隧道基本完成后開始施工。目前，位于土層中的聯絡通道大都采用凍結法加固、礦山法施工完成。凍結法可有效隔絕地下水、適用性廣、對周邊環境影響小，但對于復雜地質環境條件，當凍結效果不理想時，易存在涌水、漏砂、后期融沉等不利影響。

上海所處地區的多數軟土層含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集，地下管線設施稠密。由于聯絡通道設置要求的特殊性，且所處位置較深等復雜性和不可確定性，造成聯絡通道的施工難度和風險大大增加。當采用凍結法施工出現漏水、漏砂等不利風險時快速積極地進行應急響應，控制和減小聯絡通道的施工風險，是地下工程聯絡通道設計與施工需要解決的一個難題。本文對上海軌道交通17號線漕盈路站—淀山湖大道站區間6#聯絡通道凍結施工中遇到的漏水搶險應急及后續修復處理方案進行總結介紹，以供類似工程參考。

2 工程概況

2.1 總體概況

上海軌道交通17號線工程9標段合同工程范圍為：西段盾構工作井—淀山湖大道站盾構區間、淀山湖大道站—1#風井—漕盈路站盾構區間隧道工程（含6座聯絡通道），自西向東編號依次為1#～6#。本文討論的6#聯絡通道位于1#風井—漕盈路站盾構區間，靠近漕盈路站（圖1）。6#聯絡通道處上（下）行線盾構隧道里程分別為SK12＋175.000（XK12＋182.800），中心距為13.000 m，上行線隧道中心標高－13.630 m，下行線隧道中心標高－13.574 m，聯絡通道處地面標高＋3.82 m，中心埋深約為17.45 m。

6#聯絡通道采用水平凍結法加固地層，礦山暗挖法施工，聯絡通道主設計施工過程內容包括：聯絡通道地層凍結加固、施工支護、隧道支撐和防護門。聯絡通道由與隧道鋼管片相接的喇叭口、水平通道構成。

圖1 聯絡通道位置示意

本工程聯絡通道所在位置的隧道管片為鋼管片，隧道內徑5 900 mm，管片厚350 mm。襯砌采用二次襯砌方式，初次支護采用型鋼支架和C20噴射混凝土結構，厚200 mm，二次襯砌為厚450 mm的C40P10現澆鋼筋混凝土結構。在臨時支護層和永久結構層之間設1道防水層（圖2）。

圖2 聯絡通道結構示意

2.2 地質、水位條件

根據地質勘察資料，6#聯絡通道全斷面位于⑥2砂質粉土中（圖3）。

圖3 聯絡通道地質剖面

場地沿線賦存潛水、微承壓水和承壓水。潛水埋深0.3～1.5 m。⑥2微承壓水位標高－12.20～－2.58 m，⑥3 t微承壓水位標高－18.70～－10.56 m，⑦2承壓水水位標高－26.38～－21.74 m。經勘察，工程沿線盾構掘進范圍內分布⑥2、⑥3t層粉性土，滲透性較強，在一定水動力條件下易產生流砂。

2.3 周邊環境

6#聯絡通道南北兩側分別為民樂佳苑及民樂佳苑二期；其中，民樂佳苑二期基礎采用預制樁；所在位置地面為盈港路，地面以下給水管、煤氣管、雨水管、污水管較多。其中φ800 mm雨水管處于6#聯絡通道正上方。

3 6#聯絡通道前期施工及應急搶險處理情況

3.1 聯絡通道前期施工情況

凍結孔施工情況：6#聯絡通道上行線凍結孔施工開始于2016年3月19日，2016年3月27日全部完成，本次鉆孔采用單面打孔的方式，共施工凍結孔40個。 測溫孔、泄壓孔施工于2016年3月27日全部結束。測溫孔上行線布置2個，下行線布置6個，共計8個。泄壓孔上行線2個，下行線2個，深度為3.0 m，均布置在開挖斷面內（圖4）。

圖4 凍結孔平面布置

凍結施工情況：6#聯絡通道冷凍機于2016年4月13日開始正式運轉，開機后溫度迅速下降，4月19日（凍結7 d）鹽水去、回路溫度就已達到－18 ℃以下，到4月25日（凍結13 d）鹽水去路溫度就已達到－24 ℃以下，設計要求15 d，均符合凍結設計要求。去、回路溫差滿足設計要求（2 K以內）。凍結設計要求開挖前達到－28 ℃以下，本工程5月19日（已凍結37 d）達到了－28 ℃以下。

結構開挖情況：至2016年6月1日，已積極凍結48 d，各項指標達到設計要求，并通過了開挖條件驗收。2016年6月5日，正式開始開挖，洞門打開后，凍結效果良好，開挖暴露面結霜情況良好，各項測溫數據均滿足設計要求。

3.2 聯絡通道應急搶險過程

2016年6月9日早上7點，聯絡通道已經挖通，通道內正常段的型鋼支架已全部安裝完畢，木背板施工也已完成；在挖下行線上部喇叭口時，通道右最上方1點鐘方位，開始出現少量滲水；在封堵無效的情況下，果斷關閉安全門，并封堵兩側部分螺栓孔滲漏水。同時通過對滲漏點注聚氨酯，隧道內搶險工作完成后進行隧道清理工作，并對上、下行線開始施加圓木支撐（圖5）。

另外，漕盈路自東向西方向車道滲漏嚴重，出現大面積塌陷，為確保安全，立即對該路段進行臨時封閉，并安排專業人員用地質雷達對地面以下情況進行探測，確定地下空洞范圍，制訂注漿方案。地面注漿共布置53個壓漿孔，使用55 t水泥。盈港路沉降區域采用多臺注漿設備注水泥漿-水玻璃雙液漿。

圖5 關閉安全門及堵漏、圓木支撐

同時，對于鄰近聯絡通道上方開挖受損區域的雨水管，所有受損管節已全部吊出，并完成以下工作：雨水管道全部排好；黃沙塢幫完成；雨水井砌筑完成；雨水管上部混凝土澆筑完成，正在養護及兩側側平石施工。以上幾項工作確保了盈港路快速、全面地恢復交通。通車5 d后，第3次對道路塌陷區域進行探測，探測成果顯示，盈港路空洞區域經過壓密注漿后，注漿區域地層已密實。

4 原因分析及后續解決措施

4.1 原因分析

事件發生后，各方高度重視，并對6#聯絡通道漏水、涌砂原因開展專題分析會。主要原因分析如下：

1）17號線西段盾構區間位于青浦區湖沼相地層，與上海市區的濱海相地層不同，淀山湖大道站—漕盈路站區間6#聯絡通道為湖沼相⑥2土層中第1個聯絡通道凍結工程，缺乏該地層聯絡通道施工的相關經驗。

2）聯絡通道位置距離西大盈港約170 m，地下水可能存在水力聯系，水的流速可能較常規偏大，影響凍結帷幕發展速度。

3）在漏水點上方可能局部存在不明介質或空洞，造成凍結壁膠圈遲緩，該局部位置凍結效果不好，但現有技術規程布置的測溫點未能發現該部位存在異常。

4）在漏水點的正上方有一個雨水管窨井，在土體開始泄漏后可能有少量雨水管內的水流沿著滲水路徑到達漏水點，加速泥沙的流出。

5）開挖過程中發生漏水后，未能及時有效地封堵，造成漏水進一步擴大，以至于不得不關閉安全門，且安全門關閉后未能及時填充通道，引起地面塌陷，從而造成不良的社會影響。

4.2 主要解決與改進方案

結合聯絡通道漏水原因分析，在后續施工時針對性地采用以下措施：

1）設計補充凍結方案的凍結孔布置應以凍結壁損壞部位為目標，兼顧其他可能的薄弱環節。故需進一步探明凍結壁損壞區域，從而確定補充凍結的范圍，補充凍結范圍應大于凍結壁損壞區域。

2）采用有效手段探明凍結壁破壞區域，施工補充凍結孔時，在凍結管內放置測溫點，進行測溫判斷。

3）通過探孔進一步了解底部凍結壁的狀態，以決定是否增設隧道底部凍結管（B12～B17）；預留液氮凍結管可保留，以備鹽水凍結效果不足時采用液氮補強。

4）對開挖通道內特別是上部進行充填注漿，將已開挖通道上部可能存在的含水、氣部位充填密實。另外，針對漏水部位，施工補孔時對該區域加強注漿，充實該區域地層。

5）地面注漿的深度距原凍結壁仍有較大距離，對此區域進行注漿加強。建議地面增加若干注漿孔，成孔深度距原凍結壁1.0～1.5 m，采用粉煤灰漿液充填，注漿時應控制注漿壓力和注漿量。

6）加強冷凍站對側隧道鋼管片的保溫及冷凍排管鋪設，改善凍結壁與隧道管片膠結面的凍結狀態。

7）核實透孔的流量是否滿足凍結需求，合理分配流量，采取有效措施確保補孔的鹽水供應。

8）加強監測，在凍結壁薄弱處多設測溫孔，以便更全面地監測凍結壁狀態；開挖驗收的標準適當提高，確保安全。

9）制訂后續通道清理和結構施作專項方案及應急預案，編制后期融沉注漿、監測專項方案，確保通道結構、隧道結構、管線、地面、周邊構筑物的安全。

4.3 現場后續具體改進實施與措施

4.3.1 聯絡通道對側補充凍結孔

設計單位采取在聯絡通道對側補孔的措施來加強凍結效果（圖6）。

圖6 補充凍結孔

凍土壁承載力驗算采用許用應力法。考慮到地層已被擾動，安全系數提高20%作為安全儲備；設計取－10 ℃凍土的彈性模量和泊松比分別為120 MPa和0.25，凍土強度指標為：抗壓3.6 MPa，抗折2.0 MPa，抗剪1.5 MPa。根據計算，凍土壓應力計算值1.37 MPa，彎拉應力0.09 MPa，剪應力0.5 MPa，都滿足要求。

結合現場具體實施，根據6月10日上午10點的測溫數據顯示及現場整個凍結系統仍在正常運轉，個別測溫點有少量升溫，判斷出原凍結帷幕并未遭到破壞。因此本次補充凍結方案僅在隧道的對側設置凍結孔，共計19個，利用原有的2個穿透孔，供對側隧道底部凍結孔和冷凍排管需冷用。在凍結站對側隧道上沿凍結壁敷設加密的冷凍排管，間距為250 mm，并且對開挖面的部位進行局部冷凍排管加強，間距不大于800 mm，鋼管片格柵內填充密室，并采用厚50 mm的PEF板滿貼鋼管片，以加強對管片處的保溫效果。為防止鹽水凍結達不到預期效果，B2～B4加強孔采用不銹鋼材質，能夠及時轉為液氮凍結。技術參數如下：

1）凍結管用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管、φ89 mm×8 mm的R304不銹鋼管。

2）凍結孔的開孔位置誤差不大于100 mm，應避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。凍結孔最大允許偏斜不大于100 mm。

3）凍結管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強度不低于母管的80%。

4）凍結管用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管和φ89 mm×8 mm的R304不銹鋼管，凍結管耐壓不低于0.8 MPa，并且不低于凍結工作面鹽水壓力的1.5倍。

5）凍結孔有效深度不小于凍結孔設計深度，不能循環鹽水的管頭長度不得大于150 mm。

6）冷凍排管采用φ45 mm×3 mm的無縫鋼管。

4.3.2 安全門改進

在聯絡通道施工開挖構筑過程中，安全應急門作為一道極其重要的安全屏障，是開挖必備的安全防護措施，在開挖面出現涌水、涌沙時，起到隔絕泥沙和封堵水的作用。按照傳統施工方法安裝安全應急門，每個聯絡通道采用的安全門所需螺栓共計80個，在現場進行應急演練過程中，用安全門進行封閉搶險，螺栓擰緊共需26 min，初步封閉擰緊需4 min，如果在螺栓擰緊過程中出現雜物撞擊安全門，安全門可能被撞開，螺栓擰緊將無法使安全門密封，不能達到應急搶險目的（圖7）。

圖7 傳統安全門結構示意

為此，我們對安全門進行改進，在原來的安全應急門上通過增加定位卡、U形卡及扳手初步封閉安全門，既方便人工操作，又能起到臨時封閉的作用（圖8）。

圖8 安全門改進

采用安全鎖進行封閉施工時，安全門關閉后立即擰緊安全鎖，安全門初步封閉完成，所需時間僅為30 s，比原有的螺栓全部連接更為方便、快捷，起到了應急搶險的作用，為后續安全門螺栓擰緊提供安全、可靠的條件。

4.3.3 鉆孔施工控制要點

由于該地層受到多次擾動，鉆孔時極易發生涌水、涌砂現象。應對措施：首先確定孔口管固定牢靠，每個孔口管與鋼管片的固定點不少于4個。其次，采用二次鉆孔，在打孔前，用微膨脹混凝土將要開孔的鋼格柵填充平整密實，然后進行開孔250 mm，安裝牢靠孔口管后，用鉆機進行二次開孔，確保安全。

由于對側已有施工完畢的凍結管，該部位凍結管打設時容易碰到對側已有凍結管，造成鹽水泄漏進入土體。應對措施：依據施工基準點、已完成凍結管的實際位置圖，進行精準定位。施工凍結孔時，將對側對應區域內的1組凍結孔關閉，防止鹽水泄漏進入土體，凍結孔施工順序為先打設上部孔，后下部孔。

打設上部孔B1～B8和B12時，關閉第5組和第6組正面凍結孔，打設完成及時恢復；打設上部孔B9～B11和B13時，關閉第1組和第2組正面凍結孔，打設完成及時恢復；打設下部孔B14～B16時，關閉第4組正面凍結孔，打設完成及時恢復；打設下部孔B17～B19時，關閉第8組和第9組正面凍結孔，打設完成及時恢復。利用上部B2～B8凍結孔，在凍結孔里布置測溫線進行測溫，進一步探明小天窗的范圍。

4.3.4 凍結施工控制要點

1）由于上方可能存在不明介質，易造成凍結帷幕發展緩慢。應對措施：施工凍結孔時，利用泥漿循環系統，向土體內注入惰性漿液，達到將不明介質置換的目的，從而保證凍結效果。開挖面內利用下行線的2個泄壓孔進行充填注漿。

2）相對于已經凍結的部位，該部位凍結起步晚，對凍結效果不利。應對措施：適當減小已凍結部位的鹽水流量，加大該部位的鹽水流量，在原有鹽水循環系統中增加1臺管道泵，增加透孔的流量，達到快速凍結的目的；增加冷凍排管的范圍和密度，保證管片膠結面的凍結效果。

4.3.5 開挖構筑施工

針對該地質條件及已經施工的情況，該部位開挖時易產生涌水、涌砂現象。應對措施：除凍結滿足設計各項條件外，需要在特定部位打設探孔，以探測該部位的實際凍結效果。

原聯絡通道內型鋼支架已經完成通道段施工，漏水后有可能造成型鋼支架變形和軸線偏移。應對措施：重新加工制作通道段內的型鋼支撐，開挖過程中，如遇型鋼支撐變形量超過50 mm，則采取更換的措施，如果軸線偏差超過20 mm，則拆除支架重新修正，保證初次襯砌的施工質量及后續永久結構施工的尺寸。

4.3.6 二次開挖

此次二次開挖土層經過擾動，穩定性較差，采用24 h不間斷挖掘以盡快完成開挖過程。因第1次開挖時已經將通道主體內的鋼支撐架設完成，所以本次采用從管片腰線以上部位直接挖掘到之前施工位置再往下挖掘，因方法得當，本次挖掘速度較快。開挖過程中通過測溫儀隨時掌握土體溫度情況，以便應對突發情況（圖9）。

圖9 開挖時通道及土體測溫

在通道主體土體挖掘完成后，將要進行喇叭口的開挖，前期開挖時就是在挖掘下行線喇叭口時發生的滲水，所以喇叭口開挖時需密切觀察土體情況，隨時準備應對。因準備充分，凍結效果良好，喇叭口開挖比預期提前完成。在開挖完成后迅速架設鋼支撐并安放木背板。

4.4 實施效果

通過對事件的原因進行詳細分析，并針對性采取上述一系列的改進及優化措施，最終安全、順利、有序地確保了6#聯絡通道的貫通（圖10）。

圖10 聯絡通道貫通

5 結語

通過本次聯絡通道漏水應急搶險及后續處理修復事件，為我們在聯絡通道這一高風險工程提供了可靠的設計及施工參考，得出以下結論[1-6]：

1）合理選擇聯絡通道位置。本次6#聯絡通道漏水原因，經各方綜合分析主要為：由于地層存在局部不明介質或不良地質條件，漏水點上方窨井或對漏水狀況有加劇作用。為避免類似漏水搶險事件的發生，宜在前期設計勘察階段勘察隧道沿線環境及各類管線、不良地質等情況。設計結合詳細勘察信息進行合理的聯絡通道位置設置，以避讓不良地質條件環境。

2）聯絡通道雙向凍結孔設置。目前針對地鐵隧道聯絡通道加固，主要是通過單向打設凍結孔進行凍結加固。單向打設凍結孔，可能對遠處及局部土體凍結效果不好，不能形成良好的凍土膠圈。建議在凍結施工時，打設雙向凍結孔，以形成良好的凍結效果。

3）安全門結構優化。鑒于本次事件在高壓環境下安全門關閉困難，對安全門進行優化，增加一個螺旋式關門裝置。首先對安全門進行臨時定位，然后再轉緊緊固螺栓，為應急搶險爭取時間。

4）建立良好的快速應急響應機制。在工程出現險情時，一個良好的快速反應機制，對于險情的控制起著決定性作用。因此對聯絡通道高風險工程施工需建立、健全應急組織以及配備足夠的搶險物資。

5）聯絡通道加固形式的優化與加強展望。目前地鐵隧道聯絡通道加固主要以凍結加固為重，形式單一。隨著地下工程加固方式和手段的不斷發展，探索和研究新的更有效的聯絡通道的加固方式顯得尤為重要。目前大直徑的水泥系MJS加固也逐步完善，水泥系加固避免了凍結加固后期融沉等不利影響，在聯絡通道加固中的拓展應用也值得研究與期待。