人工降水影響下富水砂層凍結施工技術應用

付 財

(1.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013; 2.天地科技建井研究院,北京 100013)

0 引言

人工地層凍結技術以其地層適應性強、封水性好、布置靈活、環境污染小等特點，已替代或局部聯合水泥系加固方式被廣泛應用于城市地鐵聯絡通道工程中，目前上海地鐵聯絡通道幾乎全部采用凍結法施工。旁通道凍結法技術規程(DG/T J08—902—2006)[1]規定：在凍結壁形成期間，凍結壁內或凍結壁外200 m區域內的透水砂層中不宜采取降水措施，地下水流速不應大于5 m/d，否則，應進行針對性設計。但地鐵工程復雜的交叉施工，尤其是人工降水施工，在凍結期間可導致地下水水頭劇烈變化[2]，地下水流速加快，冷量流失，延長凍結壁交圈時間；嚴重時，可沖刷凍結壁形成“窗口”[3]，破壞已形成的凍結壁，甚至引發工程事故。因此，在凍結期間，應排查周邊人工降水情況，監測地下水流速流向，以便采取針對性技術措施。

本文以南昌某地鐵聯絡通道凍結施工為背景，詳細介紹了凍結過程中，由于人工降水導致凍結壁長時間不交圈而采取的針對性的技術措施，并提出了相關建議。

1 工程概況及重難點分析

南昌某地鐵聯絡通道兼泵房工程隧道中心線間距為12 m，結構埋深17.824 m，為復合式襯砌結構，初期襯砌采用厚度300 mm的型鋼+木背板+C25噴射混凝土，二次襯砌結構采用450 mm厚C40P10模筑混凝土，初期襯砌與二次襯砌之間設置1.5 mm厚PVC全包防水層。

聯絡通道兼泵房正上方為豐和南大道，東側約50 m為正在進行基坑開挖的某地下商場工程，東側約900 m為正處于豐水期的贛江，水源補給充足。

根據詳勘資料，聯絡通道兼泵房所處地層從上至下依次為：②7圓礫層，滲透性系數為4.1×10-2cm/s，為承壓水地層；②5粗砂層，滲透性系數為1.4×10-2cm/s；⑤1-2泥質粉砂巖層，為強風化泥巖；地下水埋深約1.2 m。設計采用水平凍結法施工，凍結孔布置示意圖如圖1所示。主要凍結參數如表1所示。

表1 聯絡通道主要凍結施工參數

該聯絡通道采用凍結法施工的重點及難點突出。

1)地層條件差。聯絡通道腰線以上均為②7高滲透性的飽和砂卵石地層，且局部因上部存在不透水層，具有承壓性，鉆孔和開挖過程中透水風險極大。

2)地下水豐富。地下水位埋深淺，水頭高，且東側臨江，地下水補給充足，贛江的潮汐作用對凍結壁形成極為不利。

3)人工降水施工交叉影響。東側緊鄰一地下商場基坑，坑內設有10個人工降水井，在高滲透性富水砂層中，若全面啟用降水井可導致凍結壁長時間不交圈或沖刷破壞已形成的凍結壁出現“窗口”，若處理不當會造成開挖過程中透水甚至淹井事故。

2 凍結施工簡況

積極凍結7 d，鹽水溫度降至-20 ℃，積極凍結15 d，鹽水溫度降至-28 ℃，此后一直維持在-28 ℃以下。積極凍結第10天始，對比右線隧道測溫孔C3降溫趨勢，左線隧道測溫孔C1和C9出現明顯的降溫異常，積極凍結22 d溫度仍處于5 ℃左右，因其余測溫孔降溫正常，初步判斷凍結壁長時間不交圈范圍為聯絡通道腰線以上，降溫異常測溫孔溫度歷時曲線如圖2所示。

經排查，地下商場基坑工程在聯絡通道積極凍結第10天開始逐步進行人工降水施工，鑒于雙方工期壓力及基坑施工安全，人工降水施工與聯絡通道凍結施工將同時進行，且具有不可調和性。經多方協調，雖然該地下商場基坑工程分別在積極凍結第15天,第20天采取了暫停抽水和止水樁施工等措施，但由于砂卵石地層滲透性高，聯絡通道在積極凍結45 d時仍未交圈。

3 縱向測溫

為全面了解凍結壁發展狀況，準確判斷凍結壁薄弱位置，對左線隧道聯絡通道腰線以上凍結孔進行縱向測溫[4]。左線隧道第1排、第2排以及第3排凍結孔縱向測溫結果如圖3～圖5所示。

由圖3可知，第1排凍結孔淺點0.45 m位置測點溫度較深點高5 ℃以上，縱向上其余測點溫度較為穩定，且均處于-8 ℃以下的較低溫度水平。可以推斷出聯絡通道頂部與左線隧道管片交界處凍結壁存在不交圈的薄弱位置[5]。由橫向對比可見，淺點0.45 m處D5和D6位置溫度較D1～D4位置高4 ℃以上，可以推斷出聯絡通道右上角與左線隧道交界處最為薄弱。

由圖4可知，第2排凍結孔除淺點0.45 m測點外，縱向溫度較為穩定且均處于-16 ℃以下的較低溫度水平。第2排凍結孔縱向測溫結果與第1排類似，進一步驗證了凍結壁薄弱位置即為聯絡通道頂部與隧道管片交界處。由橫向對比可知，淺點0.45 m處D7和D13位置溫度異常偏高，可以推斷聯絡通道左上角及右上角與左線隧道交界處最為薄弱。

由圖5可知，第3排凍結孔最淺部0.45 m位置及最深部10 m位置較其余測點溫度高5 ℃以上，溫度明顯異常，縱向上其余測點均處于-10 ℃以下的較低溫度水平，可以準確判斷凍結壁薄弱處即為聯絡通道頂部與左線隧道管片的交界處。

在D1與D7及D8與D13凍結孔中心連線中點位置施工探孔T1和T2，發現孔內均有涌砂，在D10與D3，D4凍結孔形成的三角形形心位置施工探孔T3，孔內見凍土，驗證了縱向測溫結果的科學性和準確性。

4 地下水流速流向測試

為確定人工降水施工對聯絡通道凍結施工的影響，全面了解人工降水施工后地下水流速流向狀態，在聯絡通道正上方東西兩側各施工水文觀測井1個(E井和W井)。

采用GEOTECH型AquaVISION地下水流速流向儀[6]對2個觀測井中地下水流速流向進行測定，測定深度均為12 m，2個水文觀測井的測試結果匯總如表2所示。

表2 AquaVISION地下水流速流向儀測定結果

由測定結果可知，西側觀測井(左線隧道上方)地下水流速高達68.67 m/d，遠大于常規凍結設計規定的5 m/d限值，由地下水流速流向點散布圖可知，流向點分布近乎一條水平線，不符合自然地下水流規律，必定是受到更大的外力所致，使水流中粒子克服了自然狀態下的擺動而更趨于一致。根據現場對比，地下商場基坑處于聯絡通道北偏東41°方位，可見基坑人工降水是聯絡通道地下水流速異常加劇的主要原因。

5 注漿與雙排管凍結

由于人工降水施工不可調和，為解決地下水流速大導致的凍結壁不交圈問題，在維持凍結的同時，對聯絡通道腰線以上的凍結孔進行補孔，與原有孔位呈梅花形布置形成最大孔間距不大于500 mm的雙排管布局。共補打17個凍結孔，補孔參數如表3所示，補孔孔位布置如圖6所示。

表3 補孔參數表

補孔施工完成后，通過補孔孔口管處的旁通閥向地層注入水泥—水玻璃雙液漿，降低地層滲透系數，堵塞凍結區域內地下水滲流通道，從而降低地下水流速。最后，在原凍結時間的基礎上，采用雙排管凍結延長積極凍結時間20 d。

6 探孔檢驗

雙排管凍結20 d后，測溫孔溫度降溫正常，推算出凍結壁厚度和平均溫度等凍結壁參數指標均達到了設計要求，泄壓孔漲壓正常，打開探孔后孔內均干燥無流水，探孔內溫度均低于-5 ℃，凍結效果達到預期。并于凍結第80天時開始開挖施工，歷時7 d完成通道開挖、初支支架及噴錨，形成封閉體，確保了開挖施工的安全。該聯絡通道因人工降水導致的凍結壁長時間不交圈問題的成功解決，為今后聯絡通道凍結施工積累了寶貴的經驗。

7 建議

1)在高滲透性富水砂層中進行凍結施工應加大人工降水施工排查范圍，以便在凍結設計階段考慮該不利影響并進行針對性設計。

2)凍結施工前應進行地下水流速流向測定，凍結施工期間可通過水文觀測孔持續監測地下水動態。

3)縱向測溫技術及雙排管強化凍結技術是檢測和解決凍結壁長時間不交圈問題的有效手段。