復雜條件下端頭井凍結加固施工風險與應對措施

溫 漢 宏

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

我國軌道交通建設已進入快速發展階段，而盾構法因其不影響周邊交通、不受風雨氣候影響、對附近居民干擾少等優點而廣泛應用于地鐵隧道施工，在盾構施工中，始發與接收是否順利，往往決定著工程的成敗。端頭井是盾構進出的一端所修建的工作井，當端頭井周圍地質條件差，存在涌水涌砂風險時，需要對端頭井周圍土體進行加固，凍結法因其加固體強度高，封閉性能好而被廣泛采用[1,2]。

本文以天津地鐵某區間端頭井凍結加固工程為例，對施工過程中的風險進行分析，并提出了應對措施，為盾構始發與接收順利完成提供了強力保障。

1 工程概況

天津市文化中心地下交通樞紐地下交通工程Z1線尖山路站—文化中心站盾構區間左線里程DK68+675.048～DK69+971.450，線路長1 316.845 m；右線里程DK68+675.047～DK69+971.450，線路長1 296.403 m，區間左右線均于尖山路站始發，沿樂園道向西南方向推進，于文化中心站接收。區間隧道為地下雙線單圓盾構隧道，盾構直徑6.34 m，隧道外直徑6.2 m，隧道內直徑5.5 m，管片厚度350 mm，盾構始發位置地面標高+2.42 m，隧道中心標高-21.132 m，盾構接收位置地面標高+3.2 m，隧道中心標高-19.243 m。

由于盾構區間所處地層含粉砂，屬于承壓含水層，為確保盾構始發與接收施工安全，采用凍結法進行端頭井土體加固。因工期緊張，尖山路站始發加固施工必須在車站施工結束前進行，所以不具備水平凍結條件，故采用垂直凍結的始發加固方式；文化中心站接收端上方為文化中心地下交通樞紐，不具備垂直凍結條件，故采用明洞+水平凍結加固的接收方式。

2 地質條件

區間始發端與接收端凍結加固區域主要位于8-1粉質粘土、8-1t3粘質粉土、9-1粉質粘土、9-23f粉砂、B10-1粉質粘土層。如圖1，圖2所示。其中，第8-1層屬不透水～微透水層，可視為潛水含水層與其下承壓含水層的相對隔水層；第9-1層屬承壓含水層，透水性好。

3 凍結設計

尖山路站采用垂直凍結的始發方式，共布置35個垂直凍結孔，孔深30.3 m，凍結管采用φ127×4.5 mm低碳鋼無縫鋼管，凍結孔分3排布置，排間距為1 m，最近排凍結孔距離地連墻0.4 m，孔間距為0.8 m，其余2排孔間距均為1 m。

文化中心站采用明洞+水平凍結的接收方式，明洞是1個能容納盾構機的鋼筋混凝土箱體，在明洞內布置3圈共57個水平凍結孔，凍結管采用φ89×8 mm低碳鋼無縫鋼管，第1圈凍結孔布置在洞圈外，圈徑8 m，布置32個凍結孔，孔間距0.784 m，進入土層6 m；洞圈內設置凍結孔共25個，均進入土層2.5 m，第二圈凍結孔圈徑5.4 m，布置16個凍結孔，孔間距1.053 m；第3圈凍結孔圈徑2.7 m，布置8個凍結孔，孔間距1.033 m；洞門中心布置1個凍結孔。

4 風險分析

1)本工程的盾構始發和接收均位于承壓含水層，凍結施工范圍內9-23f粉砂層厚度分別達到了5.9 m和4 m，垂直凍結孔鉆孔施工時存在塌孔、埋鉆風險；水平凍結孔鉆孔施工時存在涌水涌砂風險；砂層凍結壁在停凍后化凍速度快，會在凍結管與結構層之間形成導水通道，割管時存在涌水涌砂風險。

2)本工程的地層埋深大，盾構始發端垂直凍結孔緊靠地連墻布置，鉆孔深度超過30 m，如果打到地連墻，存在卡鉆風險；接收端水平凍結孔沿鋼圈布置，算上結構層厚度，外圈凍結管鉆孔深度超過7 m，如果外圈凍結管內偏進入盾構推進范圍，盾構接收時存在刀盤卡死及鹽水泄漏風險，對凍結孔施工精度和凍結管的焊接質量提出了更高的要求。

3)始發端與接收端洞門處均存在不同程度的漏水現象，始發端采取洞圈內全部澆筑混凝土的方式進行封堵，然而，地連墻與封堵層的接縫不在垂直凍結加固區域內，探孔施工至該接縫處時，存在涌水涌砂風險，無法滿足鑿除洞門的條件。接收端采用洞圈內部分澆筑混凝土的方式進行封堵，水平凍結孔施工時，封堵層與地連墻接縫處易開裂存在涌水涌砂風險。另外，洞門漏水會加快凍結加固區域地下水流速，不利于凍結壁發展。

4)接收井上方為地下1層文化中心交通樞紐，周邊有東方之珠KTV娛樂超市、銀河地下商業廣場等建構筑物，周邊環境對凍結效應較為敏感，應控制鉆孔、凍脹及融沉對地層的擾動。

5)工期緊張，接收端水平凍結加固與明洞施工均在端頭井的狹小空間內交叉進行，施工過程中存在互相干擾。

5 應對措施

5.1 鉆孔施工保證措施

1)為保證垂直凍結孔的施工質量，鉆機就位前后都應對孔位進行復核，每進尺3 m對鉆孔垂直度進行復核并及時糾偏，凍結管連接采用長150 mm的外接箍圍焊，以控制凍結管的垂直度，每個外接箍焊接完成后用靠尺進行垂直度檢驗，凍結管的偏斜率應控制在1%以內。調制合適的泥漿，進行潤滑和護壁，解決垂直凍結孔鉆孔時塌孔、埋鉆的問題。

2)鉆孔施工前應對洞門結構漏水處進行注漿堵水，避免因鉆孔施工引發水土壓力變化而導致結構裂縫處發生涌水涌砂事故。洞門結構注漿堵水也能減小凍結加固區域地下水流速，有利于凍結壁發展。

3)選擇夯管法[3]進行水平凍結孔鉆孔施工，與跟管鉆進法相比，夯管法出泥砂量更少、可加尺的單節管材更長、成孔速度更快。采用二次開孔的方式，一次開孔安裝孔口管和球閥，在球閥的保護下進行二次開孔，夯管鉆進時安裝孔口密封裝置，夯管結束后，對凍結管與結構層之間的通道進行注漿封堵，并將凍結管與孔口管之間的環縫進行滿焊處理。按照自下而上的順序施工水平凍結孔，每根凍結管鉆孔施工結束，均應根據出泥砂量多少進行地層補償注漿。

4)水平凍結孔開孔前應復核孔位，用精密地質羅盤調整開孔鉆機的角度，夯進前調整凍結管和夯管錘方位，第1 m凍結管夯進時，要控制夯進速度(減小供風)，反復校核凍結管方向，調整夯管錘位置，檢查偏斜無問題后方可繼續夯進，逐節夯入凍結管，接頭采用內襯管對焊連接，焊接時用1 m靠尺檢查確保順直，焊縫要飽滿并用角磨機打磨與管壁齊平。位于洞圈內需拔除的凍結管應盡量采用無接頭的整管，避免后期拔管時發生接頭斷裂。

5)每根凍結管鉆孔結束均應及時進行耐壓試驗及終孔測斜，并復核孔深，確保凍結孔施工質量符合設計要求。

5.2 凍結施工保證措施

1)為控制凍脹并減少冷量的無謂損耗，垂直凍結加固采用在凍結管內下入雙供液管(長進短出)的局部凍結方式，然而，非凍結段也有少量凍土擴展，拔管時化凍效果差。為此，在凍結管頭部加裝回水接頭，正常凍結期間將短供液管作為回水通道循環低溫鹽水，拔管時將凍結管與供液管之間的環形空間作為回水通道循環熱鹽水，從而保證非凍結段的化凍效果。

2)垂直凍結探孔施工時，有打到凍結管的風險。應結合凍結孔的實際偏斜情況，選擇合理的開孔位置，避開凍結管，并控制探孔深度。另外，為避免探孔施工至封堵層與地連墻接縫時造成漏水，應提前對接縫部位進行環洞門注漿堵水。

3)積極凍結期間，應控制鹽水的降溫梯度，避免因鹽水溫度驟降導致凍結管發生斷裂，為后期拔管帶來困難。

4)凍結過程中，應加強對周圍環境的監測，必要時可對制冷系統進行調節，采取間歇凍結或提高鹽水溫度的方法，控制凍脹對周圍環境的影響。

5)凍結壁解凍時有少量收縮，從而使地層產生融沉。為了消除地層融沉引起的地面沉降，利用隧道內注漿管，采取跟蹤注漿的方法加以補償。

5.3 明洞中水平凍結施工保證措施

1)明洞施工時機選取在凍結鉆孔施工完成后的積極凍結期間，應保證各工序有序錯開。明洞施工時，要注意避讓凍結管路，避免破壞管路，造成鹽水泄漏。

2)鹽水管路穿越明洞箱體會影響其密封性。外圈孔進回水連接膠管穿越明洞段宜改用鋼管并加焊止水鋼板，逐根分開澆筑到明洞頂板中；內圈孔連接膠管可以從預留洞口穿越，待內圈孔拔管后就可以將膠管移除，如圖3所示。

3)在明洞內部進行凍結管拔除時，熱鹽水澆到冰上和焊割產生的煙氣會影響作業人員的視野和職業健康。應在明洞的兩個預留口分別安裝軸流風機(一壓一抽)，加快明洞內煙氣排放，改善作業環境。

4)盾構接收過程中，外圈凍結孔需維持正常凍結，往明洞中回填砂漿會對外圈孔管路造成沖擊，此時如果發生凍結管路破損將難以恢復。故應在遠離洞門的預留口進行砂漿回填，并控制回填速度，減小對凍結管路的沖擊。另外，外圈孔應進行跳孔分組，避免因一處管路破損造成大范圍停凍，回填前對鹽水管路采取必要的保護措施。

5)通常盾構接收完成即可停止凍結，然而，亦必須等到明洞鑿除完畢，盾構機吊出后，才能進行外圈凍結管割除，但此時，凍結壁已解凍，割管時存在涌水涌砂風險。故應提前對凍結管與結構層之間的環形空間進行注漿堵水。

6 結語

通過對復雜條件下端頭井凍結加固施工風險及其應對措施的探討，得出以下幾點體會：

1)粉砂層鉆孔施工風險大，應采取合理措施解決塌孔埋鉆、涌水涌砂等問題。

2)洞門處存在漏水現象時，應在凍結施工前進行結構層注漿堵水，此時采用水平凍結進行土體加固效果更佳。

3)采用明洞法進行盾構接收時，應采取針對性的措施解決水平凍結施工與明洞施工之間的互相干擾，有條件的情況下，宜采用垂直凍結加固配合明洞進行盾構接收施工。