凍結法在富水砂層地鐵聯(lián)絡通道施工中的應用

劉海鵬

中煤特殊鑿井有限責任公司 安徽淮北 235000

凍結法加固土體、礦山法暗挖已成為地鐵隧道單側泵站的主要施工方法。但土體在凍結過程中體積會發(fā)生膨脹，解凍融化過程中由于凍土體排水固結、凍土體積減小，會引起較大的壓密沉降和地表融沉，對隧道、道路管線和附近建筑造成一定的影響。地鐵隧道單側泵站結構完成后，常規(guī)的自然解凍及跟蹤注漿的工法，一般需要4-6 個月時間。由于凍結壁自然解凍持續(xù)時間長，后期地層的融沉注漿質量難以得到有效保證。現(xiàn)實中地鐵隧道旁通道及側向泵站施工還面臨著鋪軌施工工期和進度的考驗，凍結法施工沉降未穩(wěn)定就鋪設軌道道床，后期將面臨道床與隧道一起沉降的問題，影響列車通車上線調試和運行安全。因此，加快凍土體解凍的速度，有效控制隧道融沉，成為當前急需解決的問題。采取快融注漿的方法就是利用原凍結管及部分原鹽水循環(huán)系統(tǒng)，將凍結管中的冷鹽水換成熱鹽水進行循環(huán)，使凍結土體的溫度逐漸上升，凍土中的冰快速融化，達到快速解凍土體、縮短融沉時間的目的。在快速解凍過程中，需要及時跟蹤注漿控制沉降，保護好隧道及地面環(huán)境。

1 凍結加固工藝原理

凍結法在地層加固領域得到了廣泛應用，其主要以人工制冷技術為核心搭建凍結管系統(tǒng)，通過低溫冷媒在其中循環(huán)，將產生的冷量持續(xù)向現(xiàn)場地層傳遞，可使土體水分溫度達到冰點的溫度要求，最終結冰。然后利用冰的膠結作用，使土體形成一個不透水的整體結構，以大幅度增強土體的強度、穩(wěn)定性和抗?jié)B性，從而形成隔絕地下水的屏障，有效抵抗巖土壓力，進而實現(xiàn)安全的開挖和支護作業(yè)。以制冷方式為依據(jù)，凍結法可細分為循環(huán)制冷和直接制冷兩種方式。其中，循環(huán)制冷的核心工作思路在于將氨或氟利昂作為制冷劑，鹽水作為冷媒。該方式造價低，使用較為普遍。直接制冷所采用的制冷劑則是低溫液氮等相關材料，在泵裝置的作用下傳輸?shù)蜏匾后w，使其經由凍結管后作用于地層，使地層轉為凍結狀態(tài)。考慮循環(huán)式制冷方式和直接制冷方式兩種凍結方式的特點，該工程決定采用循環(huán)式制冷方式凍結法進行施工。循環(huán)式制冷方式得以運行的核心在于得到制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)及冷媒水循環(huán)三個循環(huán)的協(xié)同配合。

2 凍結孔施工

先施工透孔，根據(jù)穿透孔的偏差，進一步調整鉆進參數(shù)。然后根據(jù)聯(lián)絡通道施工的孔位，采用由下向上的順序進行施工，這樣可防止因下層凍結孔的施工引起上部地層擾動，減小鉆孔施工時的事故發(fā)生率。

（1）定位開孔及孔口管安裝：在鑿平孔口區(qū)域布設4 個φ12mm 膨脹螺栓，在魚鱗扣上緊密纏繞麻絲，砸入孔口管后，將其與膨脹螺栓穩(wěn)定連接，再安裝DN125 閘閥，經二次開孔后，完全穿透砼管片。

（2）孔口裝置安裝：根據(jù)要求選擇孔口裝置，將其穩(wěn)定安裝至閘閥上，并配置適量密封墊片。

（3）鉆孔：鉆孔作業(yè)所用設備為MD-80 型鉆機，在施工中要合理調整好鉆機的位置，對其采取固定措施，使鉆頭有效進入孔口裝置內。若無誤，則將盤根壓在盤根盒內。

（4）封閉孔底部：封堵孔底（可通過接長桿將絲堵至孔內）。

（5）測量：全面檢測凍結管，明確其長度情況，再組織測斜作業(yè)，保證偏斜率≤1%。

（6）打壓試驗：封閉孔口，借助手壓泵打水入孔。隨著水壓的持續(xù)提升，待該值達到0．8MPa 并滿足至少為凍結工作面鹽水壓力1．5 倍的要求后，便可暫停打壓。此后檢驗打壓效果，緊閉閥門，持續(xù)觀測30min，保證該期間降壓量≤0．05MPa。

3 工程質量與安全技術保證措施

3.1 預防凍結孔施工漏水的措施

首先，應采用二次開孔工藝，使用膨脹螺絲對孔口管進行固定處理，并在管口位置安裝好閥門。其次，應先充填鋼管片格倉并焊上蓋板后再在鋼管片上開孔。與此同時，處理凍結管時，應使用夯管法進行處理，夯管過程中，必須確保安裝孔口密封壓緊裝置與水平鉆進法相同。最后，應事先準備好凍結管蓋板與橡膠止?jié){塞，如果凍結管發(fā)生破裂，則對其進行及時的封堵。

3.2 凍結孔施工安全質量技術措施

首先，應準確找到需要進行開孔的孔位，并在隧道兩邊分別布設點位，從而為施工中的校驗、控制凍結孔等工作的開展。同時，應增加鉆機到開口之間的距離，并架設孔外導向裝置和開口短導向管，以此降低開孔后誤差。其次，考慮到管片中鋼筋的密集程度，使用開孔器進行開孔之前，應按照管片施工圖準確找到隧道管片中結構鋼筋的位置，從而避開鋼筋，并對開孔位置進行調整，確保其與設計之間的偏差控制在100mm 以內。最后，進行第一個凍結孔施工時，應對地層鉆進過程中的參數(shù)變化情況進行分析與觀察，詳細檢查與觀測地質、水文情況，如有發(fā)生異常，應立即采取針對性措施進行處理。

3.3 地層凍結安全質量技術措施

對地層凍結安全質量進行控制時，如果凍結孔偏斜較大，可增設輔助凍結孔，確保凍土帷幕不留薄弱環(huán)節(jié)。同時，選擇效率高、體積小、制冷量大、便于運輸安裝和操作控制的螺桿冷凍機組，并采用串并聯(lián)循環(huán)方式，加大鹽水在凍結管內的流量，加快凍結管的熱交換。

3.4 凍結孔鉆進

一般情況下，進行凍結孔鉆進施工時，應先安裝簡易鉆頭，直接進行無水鉆進。無法進行深入鉆進時，應在鉆頭位置安裝單向閥門，使用帶水鉆進的方法繼續(xù)進行鉆進。當凍結管達到設計深度后，對單向閥進行沖洗，并對凍結管的端部進行密封處理。為了確保鉆進精度符合要求，應對開孔段進行精準的控制。鉆進前2m 時，必須對凍結管的方向進行反復核對，而后對鉆機的位置進行適當?shù)恼{整，并在確保經經緯儀、精密羅盤檢測無偏移等問題后，才能夠繼續(xù)進行鉆進。按照凍結孔實際的施工位置，合理的調整鉆機的位置，并將其固定好，完成固定后，將鉆頭裝入到孔口裝置中，在盤根盒內輕壓盤根，鉆進的過程中，應先使用干式鉆進法，當鉆進比較難時，且無法前進，則應使用注水式鉆進法，并打開小閥門，對出水、出砂情況進行觀察，通過控制閥門開關控制出漿量，保證地面安全，避免出現(xiàn)地面下沉的情況。凍結管下入孔內前要先配管，保證凍結管同心度。下好凍結管后，采用經緯儀燈光測斜法檢測，然后復測凍結孔深度，并進行打壓試漏。凍結孔試漏壓力控制在0．8-1．0MPa，穩(wěn)定15min 壓力無變化或前15min 壓降＜0．05MPa，后15min 不降為試壓合格。在凍結管內下入供液管。供液管底端連接150mm 長的支架，準8mm 鋼筋焊接。然后安裝去、回路羊角和凍結管端蓋。凍結管安裝完畢后，用堵漏材料密封凍結管與孔口管之間的間隙，然后拆卸孔口密封裝置。

3.5 管路連接、保溫與測試儀表

取隧道管片斜坡的位置，于該處搭建具有足夠穩(wěn)定性的管架，再設置鹽水管。為加強對管道與冷卻水循環(huán)管路連接部分的處理，可在該處設置伸縮接頭等附件。圍繞鹽水管路展開試漏及清洗作業(yè)，再利用阻燃材料保溫，形成厚度約50mm 的保溫層，于外側包扎阻燃布，實現(xiàn)全方位的防護。集配液管與凍結管的連接處可設置高壓膠管，凍結管各進出口均需安裝閥門，目的在于后期能根據(jù)實際需求及時調整流量。部分凍結管位于聯(lián)絡通道四周，可將該部分按照4 個/組的方式串聯(lián)，剩余凍結管各組數(shù)量以5-6 個為宜。各組均配置集配液管，對凍結器接口依次編號。

4 結語

（1）快速解凍采用雙鹽水箱設置，先用低溫鹽水循環(huán)，并逐步加熱到30℃的熱鹽水循環(huán)0．5h 后，再轉換至加熱到70℃的鹽水箱進行循環(huán)解凍，可有效地控制斷管風險，整個鹽水加熱解凍期間沒有出現(xiàn)斷管的現(xiàn)象。

（2）加強監(jiān)測并及時注漿是有效控制隧道及地面沉降的保證，根據(jù)隧道、地面、管線以及建筑物的沉降和解凍溫度場的監(jiān)測，實時掌握解凍發(fā)展情況，調整注漿量和注漿時間間隔，保證凍土融化空間的及時填充，從而減小隧道和地面沉降。

（3）快速解凍不需要拔出凍結管安裝注漿花管，可在拆除凍結站后組織實施，既減少了用電量，也避免了拔出凍結管的施工風險。

（4）合理分區(qū)，跳孔連接分組，適時循環(huán)熱鹽水快速解凍，并采取合理的注漿參數(shù)（注漿壓力、注漿量、流量等）及時注漿，這是保證注漿質量控制隧道及地面沉降穩(wěn)定的關鍵。