李慶禹，張 建，岳 鵬

（兗礦新陸建設(shè)發(fā)展有限公司，山東鄒城 273500）

0 引言

目前，凍結(jié)法從北京、上海推廣到了全國各地的市政項(xiàng)目，主要應(yīng)用于地鐵進(jìn)出洞加固、聯(lián)絡(luò)通道施工和盾構(gòu)尾刷更換等[1-2]。

國外凍結(jié)法成功案例較多，顯示出國外對(duì)于應(yīng)用凍結(jié)法解決特殊工程的信心。國內(nèi)市政工程對(duì)于凍結(jié)法的應(yīng)用還比較局限，但對(duì)于凍結(jié)法的施工應(yīng)用及風(fēng)險(xiǎn)措施等研究較多。李峰對(duì)人工凍結(jié)法在北京地鐵?6?號(hào)線區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程中的應(yīng)用與普通暗挖法進(jìn)行了分析對(duì)比[3]；李慶禹等人早在?2013?年對(duì)武漢地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)和施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，提出了獨(dú)特的見解[4]；唐亮對(duì)水平人工凍結(jié)技術(shù)在富水淺埋暗挖隧道中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，肯定了凍結(jié)法的可靠性，提出了相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[5]；張曉峰對(duì)南寧富水圓礫地層聯(lián)絡(luò)通道加固選型及應(yīng)用進(jìn)行了研究，彌補(bǔ)了類似地層的技術(shù)空白[6]；高錕對(duì)凍結(jié)法在甘肅引洮輸水工程?7#?隧洞含水疏松砂巖地層中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述及分析，為凍結(jié)法在水利工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[7]。然而，凍結(jié)法在西北高原地區(qū)，特別是在蘭州黃河流域強(qiáng)風(fēng)化砂巖中的應(yīng)用還是空白。本文以蘭州地鐵?1?號(hào)線首個(gè)凍結(jié)法應(yīng)用為例，對(duì)凍結(jié)法在強(qiáng)風(fēng)化砂巖（紅砂巖）地層的應(yīng)用進(jìn)行闡述、分析，提出了部分建議，希望為類似地層聯(lián)絡(luò)通道，甚至其他工程工法的選擇提供參考。

1 工程概況

1.1 地面環(huán)境

研究范圍為蘭州地鐵?1?號(hào)線一期工程五里鋪站至東部市場站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道。本區(qū)間出五里鋪后，向東沿東崗東路經(jīng)甘肅省科技研究院、蘭州軍區(qū)戰(zhàn)斗文工團(tuán)、西北鞋類批發(fā)商場、甘肅省氣象局，至嘉峪關(guān)北路與東崗東路交叉口處設(shè)東部市場站。五里鋪站至東部市場站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道地面交通繁忙、管線復(fù)雜，地面加固施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。

1.2 工程地質(zhì)

地表分布有人工填土，其下為第四系全新統(tǒng)沖積黃土狀土、卵石，底部為下古新統(tǒng)—始新統(tǒng)砂巖。區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道主要地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化砂巖（紅砂巖），其工程性質(zhì)較差、空隙比較大、壓縮性高，易產(chǎn)生流變現(xiàn)象，土層的蠕動(dòng)流動(dòng)易造成開挖面失穩(wěn)，同時(shí)土層具有高粘性。

1.3 前期普通法加固情況

原方案地面采用φ800@600??mm?雙重高壓旋噴加固方式，預(yù)先對(duì)聯(lián)絡(luò)通道部位進(jìn)行加固。豎向加固范圍：聯(lián)絡(luò)通道頂部以上?3??m，底部以下?2??m；平面加固范圍：區(qū)間左右線隧道外輪廓外側(cè)各?1.5??m。聯(lián)絡(luò)通道開洞前后各?2?環(huán)管片采用?C?型管片（8φ22）加強(qiáng)，聯(lián)絡(luò)通道處?2?環(huán)管片采用通縫拼裝。2014?年?12?月和?2015年6?月，分?2?期完成聯(lián)絡(luò)通道地面雙管旋噴樁施工，如圖?1?所示。2016?年?10?月?22?日，在五里鋪站至東部市場站區(qū)間隧道雙線貫通后，于聯(lián)絡(luò)通道前后各?10?環(huán)處進(jìn)行了洞內(nèi)二次注漿。

地面加固和洞內(nèi)二次注漿后，項(xiàng)目部于?2016?年?10月?28?日安排人員在聯(lián)絡(luò)通道開挖處管片上開孔，孔內(nèi)立即漏水漏沙，且漏水漏沙量一直穩(wěn)定維持，半小時(shí)內(nèi)漏沙量達(dá)到約?0.5??m3，如圖?2?所示。從此次漏水漏沙情況來看，無法達(dá)到聯(lián)絡(luò)通道安全施工要求。為此，項(xiàng)目部組織降水施工隊(duì)伍在聯(lián)絡(luò)通道周邊地面打設(shè)?6?口降水井，降水井布置如圖?3?所示，井深?28～34??m，井管采用460?無砂混凝土管。

通過降水發(fā)現(xiàn)，降水井內(nèi)來水量較小，且水位相對(duì)穩(wěn)定，設(shè)計(jì)降水井滿足降水要求。為再次確認(rèn)聯(lián)絡(luò)通道處開挖土體狀況，于?2016?年?11?月?18?日安排人員打開原管片孔口，但漏水漏沙情況與上次開孔相差無幾。增加地面降水措施尚不能滿足聯(lián)絡(luò)通道安全施工條件。因此，經(jīng)過綜合比選，對(duì)本聯(lián)絡(luò)通道采取加固后地層強(qiáng)度高、密閉性好、地層適應(yīng)性強(qiáng)、施工風(fēng)險(xiǎn)小的冷凍法加固方式[8-9]。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道地面加固現(xiàn)場照片

圖2 開孔后漏水漏沙狀況/半小時(shí)后漏沙量

圖3 降水井井位布置圖

2 施工內(nèi)容

2.1 冷凍施工

根據(jù)工程地質(zhì)條件及其他施工條件，確定采用“隧道內(nèi)鉆鑿，布設(shè)水平孔、近水平孔凍結(jié)臨時(shí)加固土體，礦山法暗挖構(gòu)筑”的施工方案。即在隧道內(nèi)利用水平孔和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使聯(lián)絡(luò)通道外圍土體凍結(jié)，形成強(qiáng)度高，封閉性好的凍土帷幕，然后根據(jù)“新奧法”的基本原理，在凍土中采用礦山法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道的開挖構(gòu)筑施工，地層凍結(jié)和開挖構(gòu)筑施工均在區(qū)間隧道內(nèi)進(jìn)行，其主要施工順序?yàn)椋?/p>

施工準(zhǔn)備→凍結(jié)孔施工（同時(shí)安裝凍結(jié)制冷系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)）→進(jìn)行隧道支撐→積極凍結(jié)→探孔試挖→拆管片→聯(lián)絡(luò)通道掘進(jìn)與初期支護(hù)→聯(lián)絡(luò)通道永久支護(hù)→結(jié)構(gòu)充填注漿→進(jìn)行自然解凍融沉注漿充填→撤場。

（1）測溫孔溫度情況。對(duì)土體溫度監(jiān)測自凍結(jié)開機(jī)之日起，每日早?8?:?00上報(bào)報(bào)表數(shù)據(jù)監(jiān)測?1?次。圖?4?為部分測溫孔測點(diǎn)溫度走勢圖。C1、C2、C5、C6、C7、C8?用于監(jiān)測凍土發(fā)展?fàn)顩r，作為計(jì)算凍土發(fā)展速度和衡量凍結(jié)壁發(fā)展情況的依據(jù)，衡量及幫助掌握不同方位凍結(jié)壁的穩(wěn)定性。

從測點(diǎn)溫度曲線圖可以看出，紅砂巖地層降溫較快。因此，該地層較適宜采用冷凍法進(jìn)行地基加固。另外，在甘肅定西引洮輸水工程凍土強(qiáng)度試驗(yàn)中，試件富含水粉細(xì)砂層（紅砂巖地層），其含水率為?6.15%～18.2%。取平均值?12.18%?進(jìn)行重塑土樣的配制，通過試驗(yàn)得到?-10℃?時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值5.578??MPa，彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)平均值?2.08??MPa，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)平均值?1.56??MPa。由此證明，紅砂巖地層具備良好的溫度特性和優(yōu)良的凍結(jié)特性。

圖4 測溫孔溫度走勢圖

圖5 凍結(jié)壁厚度的分析斷面劃分圖和 35 天凍結(jié)帷幕發(fā)展情況（單位：mm）

（2）凍結(jié)壁發(fā)展情況。分別在通道的兩端和中部位置選取?3?個(gè)斷面進(jìn)行凍結(jié)壁厚度的分析。圖?5?為凍結(jié)?35?天時(shí)各特征截面交圈圖，由圖?5?可知凍結(jié)壁厚度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足開挖需要。其中?35?天時(shí)側(cè)墻最小凍土厚度達(dá)?3??323??mm，拱頂結(jié)構(gòu)開挖完后最小凍土保護(hù)層厚度達(dá)3??893??mm。

（3）凍土平均溫度計(jì)算。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測土體溫度，利用成冰公式推算?1-1、2-2、3-3?這?3?個(gè)特征截面的凍結(jié)壁有效厚度和平均溫度列于表?1。

表1 凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與實(shí)際情況對(duì)比

表?1?對(duì)比列舉了凍結(jié)壁設(shè)計(jì)與實(shí)際情況，凍結(jié)壁有效厚度大于?2.0??m，凍土平均溫度低于?-10℃，符合設(shè)計(jì)要求，滿足施工需要。

2.2 開挖構(gòu)筑

聯(lián)絡(luò)通道開挖構(gòu)筑施工占用一側(cè)隧道，在聯(lián)絡(luò)通道開口處搭設(shè)工作平臺(tái)，利用隧道作為排渣及材料運(yùn)輸通道。在做好施工準(zhǔn)備并經(jīng)探挖確認(rèn)可以進(jìn)行正式開挖后，打開管片，從左線開口向右線方向暗挖。聯(lián)絡(luò)通道開挖支護(hù)按照礦山暗挖法實(shí)施，部分工序有所不同。土方開挖過程中，遵循隨挖隨支的原則，鋼支撐架后用木背板密背，背板必須同凍結(jié)壁緊貼，盡量減少支護(hù)間隙，木背板不能松動(dòng)，當(dāng)支護(hù)間隙較大時(shí)，可增加背板厚度和木橛子，以提高支護(hù)效果。開挖荒斷面不能直接初噴，以避免凍土融化、噴漿掉落。在完成鋼拱架安裝和木背板敷設(shè)后，進(jìn)行噴漿。通道支護(hù)及結(jié)構(gòu)層施工時(shí)，在木背板和凍土之間及防水層和結(jié)構(gòu)層之間預(yù)埋注漿管，作最后充填注漿用。

圖6 旋噴樁實(shí)際成樁效果圖

凍結(jié)法加固為聯(lián)絡(luò)通道開挖及構(gòu)筑提供了無水施工環(huán)境，有助于提高結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。本工程聯(lián)絡(luò)通道開挖過程中，在總承包方、監(jiān)理方的監(jiān)督下測得二襯鋼筋綁扎施工過程中硐室空氣溫度為?14℃。該溫度可以確?；炷恋恼仓罢ｐB(yǎng)護(hù)，因此無需過分擔(dān)心凍結(jié)法施工對(duì)于混凝土強(qiáng)度的影響。

開挖過程中，總承包方、監(jiān)理方及專業(yè)分包方對(duì)冷凍效果及前期旋噴加固效果進(jìn)行了跟蹤檢查。經(jīng)冷凍加固后土體開挖溫度性良好、硬度較大，安全可靠，證明紅砂巖地層適合采用冷凍法加固。開挖過程中對(duì)暴露出來的旋噴樁進(jìn)行了檢查，經(jīng)驗(yàn)證，所有旋噴樁成樁孔徑小，幾乎沒有擴(kuò)散，進(jìn)一步證明紅砂巖地層中采用旋噴加固方案效果差。開挖揭露的旋噴樁實(shí)際成樁效果如圖?6?所示。

2.3 沉降監(jiān)測

該聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，打鉆階段至結(jié)構(gòu)完成，地表累計(jì)沉降量不足?3??mm。進(jìn)入融沉階段以后，由于紅砂巖地層的致密性造成融沉注漿量少，在遵循多次少量的原則下，累計(jì)融沉注漿水泥用量只有?20??t?左右，融沉注漿過程中地表無明顯沉降，地層穩(wěn)定性好。冷凍法在紅砂巖地層中融沉的影響非常小，相比其他地層，其融沉量小的特性為突出優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，紅砂巖地層采用冷凍法加固不必過分擔(dān)心融沉對(duì)地表管線及建筑物的影響。

3 人工凍結(jié)法在蘭州市政工程中的應(yīng)用展望

蘭州屬中溫帶大陸性氣候，冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑，氣候溫和，市區(qū)海拔平均高度?1??520??m，年均氣溫11.2℃，年均降水量?327??mm，在冷凍過程中測得蘭州地下?20??m?左右的常年地溫?14℃?左右。以上氣候條件對(duì)于冷凍法施工非常有利，從氣候方面看，蘭州地區(qū)適合采用冷凍法替代旋噴加固、降水井等傳統(tǒng)方式。

另外，蘭州位于黃河上游，其地下水水質(zhì)好壞影響黃河下游灌溉用水及生活用水的水質(zhì)。因此，建議蘭州地區(qū)更多地采用環(huán)保工法，減少對(duì)地下水的抽排，減少化學(xué)漿液的使用，減少人為改變地下水系，而冷凍工法可以更好實(shí)現(xiàn)這些目的。其次，實(shí)踐證明蘭州地區(qū)紅砂巖地層中采用冷凍法加固，其加固效果遠(yuǎn)比其他工法要好，工期可控、造價(jià)合理。蘭州市沿黃河而立，城市狹長，道路擁擠，地鐵施工宜盡量減少對(duì)地面環(huán)境的占用及影響。冷凍法所有工序均可以在隧道內(nèi)完成，無需占用地面空間，符合蘭州市城市建設(shè)特點(diǎn)對(duì)工法的要求。綜上所述，凍結(jié)法應(yīng)該在蘭州城市建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。

4 蘭州地區(qū)應(yīng)用凍結(jié)法施工的幾點(diǎn)建議

根據(jù)在該項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的一些問題，提出以下建議:

（1）目前蘭州地鐵1號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念中，聯(lián)絡(luò)通道底板標(biāo)高與軌面標(biāo)高一致。該設(shè)計(jì)理念會(huì)造成聯(lián)絡(luò)通道整體結(jié)構(gòu)處在兩側(cè)隧道的中下部，由于隧道內(nèi)操作空間有限造成冷凍設(shè)計(jì)受到限制。建議聯(lián)絡(luò)通道底板標(biāo)高與列車車廂一致，將整體標(biāo)高提高?300??mm左右，以便于冷凍打孔設(shè)計(jì)。

（2）建議根據(jù)蘭州地鐵?1?號(hào)線聯(lián)絡(luò)通道施工情況，針對(duì)施工難度大的地層推薦第一工法為冷凍法，減輕冷凍法工期壓力。

（3）優(yōu)化聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)，地質(zhì)復(fù)雜、施工難度大的聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)線間距盡量控制在?12～16??m。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)蘭州地鐵?1?號(hào)線?14?工區(qū)五里鋪至東部市場站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工實(shí)例的闡述，介紹了該工藝的施工流程，總結(jié)了凍結(jié)施工過程中獲取的相關(guān)參數(shù)，通過對(duì)比體現(xiàn)出凍結(jié)法加固的優(yōu)勢，并結(jié)合蘭州所處的地理位置，引申出蘭州對(duì)環(huán)保工法的需求。該工程采用凍結(jié)法土本加固技術(shù)，成功改良了紅砂巖地層的物理特性，尤其解決了無法進(jìn)行地面加固的難題，在保證安全的前提下縮短了工期，經(jīng)濟(jì)效益較好。