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摘要:針對(duì)凍結(jié)法在盾構(gòu)接收地層加固中的應(yīng)用，提出根據(jù)地質(zhì)條件及周邊環(huán)境對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和分級(jí)，在此基礎(chǔ)上選擇合理的加固方式和措施。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)凍結(jié)法施工過(guò)程中可能存在施工風(fēng)險(xiǎn)及其對(duì)策從設(shè)計(jì)和施工角度分別進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:凍結(jié)法，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，地層加固

1概述

凍結(jié)法是目前軟土地區(qū)盾構(gòu)始發(fā)和接收端頭地層加固常用的加固工法，特別是在上海、杭州、無(wú)錫、寧波等存在軟弱淤泥質(zhì)土、承壓含水砂層的地區(qū)應(yīng)用廣泛。該工法具有封水可靠、無(wú)污染、加固體承載力較高(一般單軸抗壓強(qiáng)度3．5MPa以上)等優(yōu)點(diǎn)。但由于施工質(zhì)量不到位或工藝銜接不當(dāng)，事故屢屢發(fā)生，尤其是盾構(gòu)接收工程，例如上海軌道交通12號(hào)線(xiàn)某工程盾構(gòu)接收位于承壓含水層，由于加固長(zhǎng)度未包裹盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)度而導(dǎo)致涌水涌砂［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，盾構(gòu)法始發(fā)或接收引起的工程事故占盾構(gòu)法隧道工程總事故量的70%以上［2，3］。針對(duì)盾構(gòu)接收的風(fēng)險(xiǎn)控制，本文分別從凍結(jié)設(shè)計(jì)和施工角度進(jìn)行分析并針對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源提出針對(duì)性的措施。

2工程風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與凍結(jié)法適用范圍

目前針對(duì)凍結(jié)法在盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用尚缺乏規(guī)范類(lèi)文件。本文建議根據(jù)各地區(qū)特點(diǎn)從工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素綜合考慮，將工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)，在此基礎(chǔ)上提出加固方式與參數(shù)建議。本文根據(jù)多個(gè)地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，提出以下劃分方法:劃分依據(jù):1)場(chǎng)地環(huán)境等級(jí);2)工程地質(zhì)條件。場(chǎng)地環(huán)境等級(jí)劃分:根據(jù)周邊重要管線(xiàn)、建(構(gòu))筑物是否在施工影響范圍區(qū)，以及施工可能對(duì)其造成的影響程度，將場(chǎng)地環(huán)境等級(jí)劃分為三級(jí):一級(jí)(A1):管線(xiàn)或建筑物在施工影響區(qū)范圍內(nèi)，地層變形或涌水涌砂控制不當(dāng)后果很?chē)?yán)重;二級(jí)(A2):管線(xiàn)或建筑物距離施工影響區(qū)范圍較近(2倍中心埋深豎向投影區(qū)域內(nèi))，地層變形或涌水涌砂控制不當(dāng)存在周邊環(huán)境影響較大;三級(jí)(A3):管線(xiàn)或建筑物距離施工影響區(qū)范圍較遠(yuǎn)(2倍中心埋深豎向投影區(qū)域外)，地層變形或涌水涌砂對(duì)周邊環(huán)境影響較小。工程地質(zhì)條件劃分:根據(jù)場(chǎng)地地層特點(diǎn)，地下水位埋深、地層滲透系數(shù)等條件綜合判定。將工程地質(zhì)條件劃分為三級(jí):一級(jí)(B1):淤泥質(zhì)土，Cu≤5的砂土，承壓水頭較高且滲透系數(shù)較大的砂土等具有較大涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的地層;場(chǎng)地周邊存在河流、湖泊等，水系與端頭加固區(qū)有聯(lián)通的可能。二級(jí)(B2):除一級(jí)以外，可能存在沼氣等不良地質(zhì)條件或因前期施工遺留的不利因素。三級(jí)(B3):除一級(jí)、二級(jí)以外的地層。依據(jù)以上分級(jí)確定凍結(jié)法端頭加固風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表1所示。對(duì)于一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源的地層建議采用凍結(jié)法+鋼套筒或明洞接收確保盾構(gòu)接收萬(wàn)無(wú)一失，對(duì)于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源地層建議根據(jù)場(chǎng)地條件采用凍結(jié)法施工的同時(shí)采取完備的配套風(fēng)險(xiǎn)控制措施。凍結(jié)法具有良好的封水性，加固體強(qiáng)度高，但對(duì)于實(shí)際地下水流速大于5m/d、有集中水流或地下水水位有明顯波動(dòng)的地層需采取措施降低地下水流速。對(duì)于地下水含鹽的地層需單獨(dú)進(jìn)行凍土物理力學(xué)試驗(yàn)，確定合理的平均溫度，以及凍結(jié)法的經(jīng)濟(jì)合理性。

3盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

本文從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面對(duì)盾構(gòu)接收的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析如下。

3．1盾構(gòu)接收地層加固設(shè)計(jì)

凍結(jié)法一般應(yīng)用于有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的地層，加固的目的在于:1)形成具有足夠強(qiáng)度的凍結(jié)圓板，保證鑿除洞門(mén)圈混凝土后的安全;2)須保證在盾構(gòu)接收過(guò)程中防止水土流失。對(duì)于1)，通過(guò)對(duì)凍結(jié)圓板的強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算保證。圖1為凍結(jié)壁計(jì)算模型，在凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度且盾構(gòu)機(jī)到達(dá)盾構(gòu)接收端頭附近時(shí)，需將洞門(mén)鋼圈范圍內(nèi)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)鑿除，這時(shí)凍結(jié)壁成為鋼圈范圍內(nèi)地層水土壓力的主要承載結(jié)構(gòu)，其受力驗(yàn)算可按圓板中心所受的最大彎曲應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算。對(duì)于第一條，采用水平凍結(jié)施工方案，在外圈凍結(jié)孔間距合理的情況下一般可以予以保證，同時(shí)應(yīng)注意采取車(chē)站內(nèi)襯墻處的保溫措施。對(duì)于第二條，要求外圈凍結(jié)壁長(zhǎng)度應(yīng)能包裹整個(gè)盾構(gòu)機(jī)外殼，且超出至少1環(huán)～2環(huán)的距離，以便在盾構(gòu)機(jī)尾部設(shè)置止?jié){墊。否則，水土容易通過(guò)盾構(gòu)機(jī)與凍結(jié)加固體間隙涌入車(chē)站內(nèi)。除以上凍結(jié)施工措施外，一般在風(fēng)險(xiǎn)較大的地層配套使用鋼套筒或明洞接收方案進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)洞外的土壓平衡，從根本上杜絕涌水涌砂的可能性，以確保盾構(gòu)接收的安全。采用鋼套筒或明洞接收時(shí)凍結(jié)壁的主要作用在于確保鑿洞門(mén)的安全，這時(shí)水平凍結(jié)長(zhǎng)度可不包裹盾構(gòu)機(jī)外殼。也可采用垂直凍結(jié)施工工藝，即從地面向下打設(shè)凍結(jié)管。但對(duì)于采用旋噴樁等施工工藝的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的車(chē)站應(yīng)特別注意封堵圍護(hù)結(jié)構(gòu)與車(chē)站內(nèi)襯間可能存在的過(guò)水通道。

3．2盾構(gòu)接收凍結(jié)加固風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策

盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)控制主要在于對(duì)地層涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的控制，除3．1節(jié)提及的設(shè)計(jì)上的保證措施外，施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做到精細(xì)化施工，排查各種可能的風(fēng)險(xiǎn)源并積極采取對(duì)策。本文根據(jù)實(shí)際工程案例總結(jié)，對(duì)凍結(jié)法盾構(gòu)接收的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對(duì)策歸納如下:第一方面:地層風(fēng)險(xiǎn)。由于地勘資料存在未勘察到的軟弱夾層、過(guò)水通道、暗浜等不良地質(zhì)條件或施工前期采用聚氨酯等材料進(jìn)行過(guò)搶險(xiǎn)施工，導(dǎo)致隔熱的聚氨酯等材料遺留在地層中對(duì)凍結(jié)法施工造成影響;周邊河流或基坑降水施工影響，導(dǎo)致存在大于5m/d的地下水流，易導(dǎo)致凍結(jié)壁不交圈。對(duì)策:在凍結(jié)設(shè)計(jì)前及施工前都應(yīng)準(zhǔn)確了解施工場(chǎng)地地質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)條件，準(zhǔn)確分析不利于凍結(jié)法地層加固的風(fēng)險(xiǎn)因素，并采取措施或采取其他施工工法。第二方面:鉆孔施工階段。1)鉆孔施工開(kāi)孔及鉆進(jìn)過(guò)程中可能導(dǎo)致地層涌水涌砂，導(dǎo)致地層水土流失，地面沉降，危及周邊環(huán)境安全。對(duì)策:對(duì)有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的地層采用二次開(kāi)孔施工工藝和安裝孔口密封裝置(見(jiàn)圖3)，對(duì)于粉細(xì)砂或淤泥質(zhì)地層，水土仍然有可能通過(guò)密封裝置的縫隙涌出，這時(shí)可選擇采用夯管法施工工藝或采取保壓鉆進(jìn)施工工藝。發(fā)生水土流失時(shí)應(yīng)及時(shí)通過(guò)孔口管上的旁通閥注入水泥水玻璃雙漿液補(bǔ)償?shù)貙訐p失，注漿量依據(jù)地層流失量確定。圖3孔口密封裝置安裝示意圖地層圍護(hù)結(jié)構(gòu)車(chē)站內(nèi)襯結(jié)構(gòu)膨脹螺絲孔口管閘閥孔口裝置鉆桿小閘閥2)孔口裝置脫落。對(duì)策:為防止孔口裝置脫落，開(kāi)孔時(shí)在孔口管上打設(shè)魚(yú)鱗扣并纏繞麻絲夯入孔口。每個(gè)孔口管應(yīng)至少保證不少于3根M20膨脹螺絲或植筋固定在車(chē)站內(nèi)襯墻上。第三方面:凍結(jié)期。1)鹽水漏失，影響凍結(jié)效果。對(duì)策:凍結(jié)過(guò)程中，加強(qiáng)鹽水液位監(jiān)測(cè)。配備液位報(bào)警器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液位變化，發(fā)現(xiàn)鹽水漏失，要迅速查清組號(hào)并關(guān)閉相應(yīng)組閥門(mén)，向原凍結(jié)管內(nèi)下放套管繼續(xù)凍結(jié)。要立即查明原因，并對(duì)鹽水對(duì)地層凍結(jié)的影響進(jìn)行評(píng)估，并采取措施補(bǔ)救。凍結(jié)管應(yīng)盡量減少接頭數(shù)量，對(duì)于長(zhǎng)度小于8m的凍結(jié)管，盡量不設(shè)置接頭。設(shè)置接頭的位置應(yīng)盡量避開(kāi)地層變化處。2)測(cè)溫孔溫度降低緩慢，超過(guò)凍結(jié)時(shí)間仍然不能滿(mǎn)足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要求。對(duì)策:排查以下可能:a．是否地下水流速過(guò)大導(dǎo)致冷量損失;b．是否凍結(jié)加固前不久進(jìn)行過(guò)旋噴加固等水泥系加固措施。對(duì)于a．應(yīng)排查是否為周邊基坑開(kāi)挖等降水施工或開(kāi)采地下水導(dǎo)致的，或?yàn)榈貙颖旧泶嬖诎盗鞯仍?，針?duì)性地采取措施應(yīng)對(duì);對(duì)于b．，凍結(jié)法施工應(yīng)在水泥系加固水化熱消散后進(jìn)行。排除以上兩點(diǎn)可能性后，檢查凍結(jié)系統(tǒng)局部或整體供冷量是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，局部?jī)鼋Y(jié)系統(tǒng)不滿(mǎn)足時(shí)提高局部管路鹽水供給，整體不滿(mǎn)足時(shí)應(yīng)檢查冷凍系統(tǒng)，提高單位時(shí)間制冷量。第四方面:盾構(gòu)接收期間。1)臨時(shí)停電，危及凍結(jié)安全。對(duì)策:a．每天定時(shí)檢查電纜、配電箱等供電電纜及設(shè)備安全情況;b．拔管及盾構(gòu)接收過(guò)程中保證雙路電源，一用一備，可及時(shí)切換;c．一旦停電，需最短時(shí)間恢復(fù)凍結(jié);d．專(zhuān)人負(fù)責(zé)，加強(qiáng)凍結(jié)用電安全檢查，及時(shí)排除安全隱患。2)盾構(gòu)機(jī)凍住。對(duì)策:a．在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)凍結(jié)壁的過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)端部刀盤(pán)應(yīng)保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)必須停止時(shí)，應(yīng)在每間隔10min左右轉(zhuǎn)動(dòng)一次;b．現(xiàn)場(chǎng)備用一臺(tái)蒸汽機(jī)，以備盾構(gòu)凍住后蒸汽解凍。3)地下水有可能從盾殼與凍土之間間隙涌出。對(duì)策:a．在盾構(gòu)機(jī)尾部?jī)鼋Y(jié)壁長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置止?jié){墊(環(huán)箍)，并在洞門(mén)鋼環(huán)上設(shè)置止水裝置。b．進(jìn)洞過(guò)程中密切觀(guān)察現(xiàn)場(chǎng)情況，一旦有險(xiǎn)情及時(shí)發(fā)現(xiàn)并立即采取措施。

4盾構(gòu)接收凍結(jié)法施工案例

上海地鐵17號(hào)線(xiàn)中國(guó)博覽會(huì)北站—虹橋火車(chē)站區(qū)間盾構(gòu)接收水平凍結(jié)加固工程，地面標(biāo)高+5．1m，隧道中心線(xiàn)標(biāo)高－10．303m。設(shè)計(jì)在虹橋火車(chē)站西端頭井接收。盾構(gòu)接收區(qū)域內(nèi)地層主要有③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色黏土以及⑤1灰色黏土?？紤]到虹橋火車(chē)站為重要的交通樞紐站，工程安全極為重要，一旦發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)后果不堪設(shè)想，必須確保萬(wàn)無(wú)一失。故設(shè)計(jì)采用水平凍結(jié)法+鋼套筒組合接收。施工流程圖如圖4所示。盾構(gòu)進(jìn)洞共布置59個(gè)水平凍結(jié)孔。進(jìn)洞口中心布置1個(gè)凍結(jié)孔，進(jìn)入土層深度1．8m，從進(jìn)洞口中心向外布置3圈凍結(jié)孔。第1圈圈徑2．90m，孔數(shù)8個(gè)，孔間距1．1m，進(jìn)入土層深度1．8m;第2圈圈徑5．70m，孔數(shù)16個(gè)，孔間距1．112m，進(jìn)入土層深度1．8m;第3圈圈徑8．4m，孔數(shù)34個(gè)，孔間距0．8m，進(jìn)入土層深度2．8m。凍結(jié)時(shí)間設(shè)計(jì)30d。盾構(gòu)洞門(mén)破除前在洞門(mén)圈內(nèi)“米”字型布置9根探孔，探孔上安裝球閥并穿透地連墻進(jìn)入土層，探孔顯示土體干硬，實(shí)測(cè)凍土與地連墻表面溫度最高－5．6℃，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。洞門(mén)鑿除后對(duì)鋼套筒進(jìn)行填料、加壓封閉。隨后盾構(gòu)順利接收。施工過(guò)程中順利，未發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

5結(jié)語(yǔ)

作為盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)集聚的部位，盾構(gòu)接收一直是地鐵盾構(gòu)施工領(lǐng)域施工技術(shù)和管理人員最為關(guān)注的方面之一。而凍結(jié)法在國(guó)內(nèi)軟土地區(qū)的盾構(gòu)接收地層加固中得到了廣泛使用，但由于相關(guān)管理或技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的不足，各種風(fēng)險(xiǎn)和事故時(shí)有發(fā)生。本文根據(jù)多年相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了凍結(jié)法施工中可能存在的部分施工風(fēng)險(xiǎn)并針對(duì)性地提出了對(duì)策。風(fēng)險(xiǎn)控制最重要的是防患于未然，施工中應(yīng)從每個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行把關(guān)，盡量降低風(fēng)險(xiǎn)的概率。

參考文獻(xiàn):

［1］楊勇．微承壓水地層中盾構(gòu)進(jìn)洞洞門(mén)密封與封堵技術(shù)［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2011(10):1479-1484．

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［3］王天明，戴志仁．盾構(gòu)法隧道端頭井地層加固方法及其應(yīng)用研究［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(8):90-95．

［4］GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)

作者：孔令輝單位：北京中煤礦山工程有限公司