江底地鐵隧道聯絡通道凍結法施工風險分析

楊 志 剛

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

1 工程概況

杭州地鐵7號線市民中心站～奧體站區間為地下雙洞單線盾構區間，區間左線全長2 323.439 m，右線全長2 323.567 m。本區間在YDK6+663.740處設置1號聯絡通道及泵房，線間距12.96 m，隧道中心埋深32.65 m；在YDK7+295.000處設置2號聯絡通道，線間距12.00 m，埋深29.83 m；在YDK7+822.000處設置3號聯絡通道，線間距12.00 m，埋深23.01 m。3處聯絡通道及泵房均采用冷凍法施工，其中1號聯絡通道及泵站、2號聯絡通道在錢塘江下方；3號聯絡通道位于江南地段。錢塘江江底地面標高在0 m左右，江面水深5 m左右。

2 地質條件

3 工程風險分析

3.1 地質條件風險

1)1號聯絡通道兼泵站、2號聯絡通道埋深較深，且處于錢塘江江底，水土壓力較大，凍結壁厚度和強度要求高，工期要求更長，凍結薄弱位置尤其是聯絡通道與隧道交界處易產生滲水通道，凍結效果不佳有管涌、流砂風險，嚴重時，甚至發生江水倒灌，造成淹井事故。2)1號聯絡通道兼泵站處于4圓礫層中，滲透系數高達8×10-2cm/s，透水性強，因上部存在相對隔水層⑨21粉質黏土層，故該地層為承壓水風險地層，且該承壓水頭較高，一旦上部相對隔水層被擊穿并與錢塘江產生水力聯系，極易發生透水事故。因此，在凍結造孔階段和開挖階段，是聯絡通道施工過程中的兩大致命性風險點。3)4圓礫地層級配差，粒徑大，凍結管由于不均衡受力和反復磨損，鉆孔過程中易發生大面積斷管、凍結管損傷等風險；積極凍結階段，受損傷的凍結管在低溫下易發生脆斷，造成鹽水滲入地層破壞凍結壁。此外，砂卵石地層中開挖速度較慢，工期較長，凍結壁暴露時間長，對凍結壁不利。4)停凍后，砂卵石地層中凍結壁化凍快，且隧道管片熱交換劇烈，聯絡通道喇叭口與隧道管片交界面處溫度驟升，此處凍結壁極易被擊穿而產生滲漏水現象，凍結管割除過程中承壓水極易沿著凍結管與孔口管間的環形空間形成涌水通道，存在涌水涌砂的風險。5)本區間的地層條件盡管不大利于大規模淺層天然氣貯存，且勘探過程中亦未揭露淺層天然氣，但不能排除局部囊狀天然氣體的存在。開挖過程中，由于伴隨著頻繁的電焊、氣割等動火作業，存在爆炸或火災等災害風險，開挖過程中對于可燃氣體的監測必不可少，同時應做好相應的應急預案。6)1號、2號聯絡通道均處于錢塘江江底以下，錢塘江水位潮起潮落可能引起受其補給的地下水的流動，當地下水流速超過5 m/d時，凍結壁的形成將受到不同程度的影響，因此，凍結施工前，應充分考慮潮汐作用對地下水流速流向的影響，同時，南岸鄰近區域有大量在建工程，降水現象較多，凍結施工前，應高度重視地下水流速流向對凍結壁形成的影響，并可采取地下水流速流向原位測試等措施，以確保凍結安全。此外，錢塘江江水及下臥土層的含鹽量亦對凍結壁的形成影響重大，凍結施工前應做好水樣和土樣的化驗工作。

3.2 環境控制風險

盾構隧道管片尤其是混凝土管片，對于鉆孔期間的取芯削弱效應、凍結過程中的凍脹效應、泄壓孔泄壓及開挖過程中的卸載效應、停凍后的融沉效應等反復擾動，收斂變形較為敏感，變形控制尤為嚴格，且因地處承壓水地層，一旦收斂變形過大，管片錯臺，存在隧道漏水漏砂等風險。

3.3 結構施工質量風險

聯絡通道二襯結構施工時，受運輸和澆筑空間限制，拱頂部位混凝土澆筑密實度難以保障，振搗效果不理想，易導致混凝土澆筑質量問題。且因該聯絡通道外部地層的風險性大，二襯結構滲漏水風險較大。二襯結構施工完成后，充填補償注漿尤為關鍵。

4 風險防范技術措施

4.1 凍結壁保障技術措施

1)在凍結壁設計方面，應采用更為保守的平面彈性力學計算模型[1]，同時，提高凍土各項物理力學性能指標的安全系數，以提高安全賦予度，確保凍結壁的安全性。2)強化凍結孔布置，優化凍結布孔格局，在嚴格控制凍結孔間距的同時，左右側墻部位可采用雙排梅花式布孔格局。同時，聯絡通道頂部采用3排梅花式布孔格局，并將主凍結面的第三排凍結孔延伸至對側隧道頂部正上方200 mm～500 mm處，增大對側隧道頂幫凍結壁與隧道管片的搭接面積。同理，主、輔凍結面底部均采用雙排梅花式布孔格局，主、輔兩隧道底部上排凍結孔形成“V”字形搭接，以確保凍結帷幕的封閉性。3)為防范凍結壁與隧道管片交界面因換熱劇烈而產生凍結弱區，在主凍結面隧道管片處采用密貼加厚型保溫層，通過膠粘的方式保證貼合度，在凍結輔面隧道開挖面兩側采用6排間距400 mm加密型密貼冷板。同時，在兩隧道的凍結壁邊界外2 m處均設置擋風簾，削弱隧道內的空氣流動性，防范凍結壁與隧道管片交界面處凍結弱區的產生。4)強化過程監控，加強凍結壁形成的均勻性調節，通過持續的凍結壁溫度監測與凍結壁形成預測，對比開挖荒徑四周凍結壁發展的均衡情況，并根據凍結壁發展的薄弱環節針對性的采取如加大該部位凍結孔鹽水流量等措施，凍結壁交圈后，應密切關注泄壓孔壓力和隧道收斂等變形監測。在開挖階段，通過密切監測開挖暴露面的井幫溫度及掌子面溫度，持續跟蹤凍結壁狀態，并配合初期支護收斂變形監測、隧道變形等監測情況及時調整開挖步距，必要時采用初期支護后加敷保溫層等措施。5)加強設備維護，確保備用設備和備用電源。為防范開挖期間的設備故障風險和停電風險，凍結期間應強化設備巡視與維護，一旦主設備故障或停電，確保在6 h內啟動備用設備及備用電源，以保障凍結壁的安全。

4.2 含砂地層管涌、流砂防范措施

1)凍結造孔施工前，先利用隧道管片預留注漿孔對聯絡通道前后各10環隧道管片進行管片壁后預注漿，尤其針對凍結孔開孔區域，應采用雙液漿注漿方式，水泥漿與水玻璃漿按1∶1的配比配備，注漿量按量控制，以可在開孔區域管片壁后形成100 mm厚注漿層為準。2)采用二次開孔方式，一次開孔僅取芯200 mm，并安裝纏有止水麻絲的孔口管，孔口管上安裝球閥后方可進行二次開孔，正式鉆孔前須先壓上壓緊裝置，在壓緊裝置內滿布牛油盤根，以防止鉆進[2]時孔口涌水涌砂。3)凍結管鉆進達到設計深度后，通過孔口管處旁通閥注漿封孔，以防范凍結管、孔口管、管片三者之間的縫隙涌水涌砂。

4.3 卵石層凍結管斷裂防范技術措施

鉆機鉆具選用方面，應選用小扭矩、低給進力、大轉速鉆機，鉆頭應采用凸面三翼鉆頭，同時，配制比重和粘度適宜的泥漿，兼做潤滑劑和護壁泥皮的作用，可防范鉆孔時卡鉆和抱死導致凍結管焊縫損傷的風險。礫石地層鉆孔過程中，摻入一定比重的泥漿，通過泥漿的潤滑作用，保護凍結管不被礫石損傷。凍結過程中，通過調節鹽水溫度，避免溫度驟降對凍結管造成損傷而出現斷管現象。砂石地層凍結管割除過程中，地層化凍快，沿著環形空間易發生涌水涌砂現象，因此，在凍結管割除時，先不停止冷凍機，僅關閉當組閥門，其余組凍結孔維持凍結，邊停凍邊割除，直至全部凍結孔割除后，方停止冷凍機。

4.4 潮汐、動水及含鹽土凍結應對措施

1號聯絡通道及泵站、2號聯絡通道均位于錢塘江江底以下，且周邊在建工地存在降水施工的可能，潮汐作用、地下水流速超標、含鹽量超標等均可導致常規凍結失效，凍結施工前，須充分考慮動水[3]的不利影響，做好地下水流速流向測試、周邊600 m范圍內的降水施工排查和土樣水樣的化驗工作。此外，在凍結施工前，可利用隧道預留注漿孔先對地層進行注漿改良，減小地層滲透系數[4]；同時，加快凍結速度，配足制冷設備保證凍結壁安全有效。

5 結語

通過對江底隧道聯絡通道凍結施工風險分析及其應對措施的探討，得出以下體會:1)江底隧道聯絡通道凍結施工應格外注意潮汐作用、降水施工等動水不利條件對凍結施工的影響，并及時采取相應措施。2)礫石地層鉆孔難度大，為防止凍結管斷裂，采用特定的鉆頭并配備一定比重的泥漿是關鍵。3)富水礫石地層凍結壁化凍速度快，凍結管割除時采取邊停凍邊割管可有效防止割管過程中涌水涌砂。