孔 令 輝

(北京中煤礦山工程有限公司，北京 100013)

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、無污染、加固體承載力較高(一般單軸抗壓強(qiáng)度3.5 MPa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)線某工程盾構(gòu)接收位于承壓含水層，由于加固長度未包裹盾構(gòu)機(jī)長度而導(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)行分析并針對各風(fēng)險(xiǎn)源提出針對性的措施。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)與凍結(jié)法適用范圍

目前針對凍結(jié)法在盾構(gòu)端頭加固中的應(yīng)用尚缺乏規(guī)范類文件。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)場地環(huán)境等級(jí)；2)工程地質(zhì)條件。

場地環(huán)境等級(jí)劃分：根據(jù)周邊重要管線、建(構(gòu))筑物是否在施工影響范圍區(qū)，以及施工可能對其造成的影響程度，將場地環(huán)境等級(jí)劃分為三級(jí)：

一級(jí)(A1)：管線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)后果很嚴(yán)重；

二級(jí)(A2)：管線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周邊環(huán)境影響較小。

工程地質(zhì)條件劃分：根據(jù)場地地層特點(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。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

對于一級(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)接收萬無一失，對于二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源地層建議根據(jù)場地條件采用凍結(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，但對于實(shí)際地下水流速大于5 m/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)分析及對策

本文從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面對盾構(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，保證鑿除洞門圈混凝土后的安全；2)須保證在盾構(gòu)接收過程中防止水土流失。

對于1)，通過對凍結(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。

(1)

其中，P為地層荷載，取鋼圈底部深度處的地層側(cè)壓力；D為洞門鋼圈直徑，m；μ為泊松比；h為圓板厚度。

最大剪應(yīng)力計(jì)算公式：

(2)

對于2),盾構(gòu)端頭接收時(shí)在凍結(jié)體周圍可能的過水通道有兩條：第一，沿車站內(nèi)襯與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間縫隙；第二，沿盾構(gòu)外殼與凍土之間的縫隙滲透，如圖2所示。

對于第一條，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)注意采取車站內(nèi)襯墻處的保溫措施。

對于第二條，要求外圈凍結(jié)壁長度應(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，水土容易通過盾構(gòu)機(jī)與凍結(jié)加固體間隙涌入車站內(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的安全，這時(shí)水平凍結(jié)長度可不包裹盾構(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。但對于采用旋噴樁等施工工藝的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的車站應(yīng)特別注意封堵圍護(hù)結(jié)構(gòu)與車站內(nèi)襯間可能存在的過水通道。

3.2 盾構(gòu)接收凍結(jié)加固風(fēng)險(xiǎn)分析與對策

盾構(gòu)接收風(fēng)險(xiǎn)控制主要在于對地層涌水涌砂風(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)源并積極采取對策。本文根據(jù)實(shí)際工程案例總結(jié)，對凍結(jié)法盾構(gòu)接收的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及對策歸納如下：

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)行過搶險(xiǎn)施工，導(dǎo)致隔熱的聚氨酯等材料遺留在地層中對凍結(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5 m/d的地下水流，易導(dǎo)致凍結(jié)壁不交圈。

對策：在凍結(jié)設(shè)計(jì)前及施工前都應(yīng)準(zhǔn)確了解施工場地地質(zhì)和現(xiàn)場條件，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)鉆孔施工開孔及鉆進(jìn)過程中可能導(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。

對策：對有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)的地層采用二次開孔施工工藝和安裝孔口密封裝置(見圖3)，對于粉細(xì)砂或淤泥質(zhì)地層，水土仍然有可能通過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。

2)孔口裝置脫落。

對策：為防止孔口裝置脫落，開孔時(shí)在孔口管上打設(shè)魚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。

對策：凍結(jié)過程中，加強(qiáng)鹽水液位監(jiān)測。配備液位報(bào)警器，實(shí)時(shí)監(jiān)測液位變化，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，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，并對鹽水對地層凍結(jié)的影響進(jìn)行評估，并采取措施補(bǔ)救。凍結(jié)管應(yīng)盡量減少接頭數(shù)量，對于長度小于8 m的凍結(jié)管，盡量不設(shè)置接頭。設(shè)置接頭的位置應(yīng)盡量避開地層變化處。

2)測溫孔溫度降低緩慢，超過凍結(jié)時(shí)間仍然不能滿足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)要求。

對策：排查以下可能：a.是否地下水流速過大導(dǎo)致冷量損失；b.是否凍結(jié)加固前不久進(jìn)行過旋噴加固等水泥系加固措施。對于a.應(yīng)排查是否為周邊基坑開挖等降水施工或開采地下水導(dǎo)致的，或?yàn)榈貙颖旧泶嬖诎盗鞯仍?，針對性地采取措施?yīng)對；對于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足設(shè)計(jì)要求，局部凍結(jié)系統(tǒng)不滿足時(shí)提高局部管路鹽水供給，整體不滿足時(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。

對策：a.在盾構(gòu)機(jī)通過凍結(jié)壁的過程中，盾構(gòu)機(jī)端部刀盤應(yīng)保持轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)必須停止時(shí)，應(yīng)在每間隔10 min左右轉(zhuǎn)動(dòng)一次；b.現(xiàn)場備用一臺(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。

對策：a.在盾構(gòu)機(jī)尾部凍結(jié)壁長度范圍內(nèi)設(shè)置止?jié){墊(環(huán)箍)，并在洞門鋼環(huán)上設(shè)置止水裝置。b.進(jìn)洞過程中密切觀察現(xiàn)場情況，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)線中國博覽會(huì)北站—虹橋火車站區(qū)間盾構(gòu)接收水平凍結(jié)加固工程，地面標(biāo)高+5.1 m，隧道中心線標(biāo)高-10.303 m。設(shè)計(jì)在虹橋火車站西端頭井接收。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，必須確保萬無一失。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1.8 m，從進(jìn)洞口中心向外布置3圈凍結(jié)孔。第1圈圈徑2.90 m，孔數(shù)8個(gè)，孔間距1.1 m，進(jìn)入土層深度1.8 m；第2圈圈徑5.70 m，孔數(shù)16個(gè)，孔間距1.112 m，進(jìn)入土層深度1.8 m；第3圈圈徑8.4 m，孔數(shù)34個(gè)，孔間距0.8 m，進(jìn)入土層深度2.8 m。凍結(jié)時(shí)間設(shè)計(jì)30 d。

盾構(gòu)洞門破除前在洞門圈內(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)測凍土與地連墻表面溫度最高-5.6 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。洞門鑿除后對鋼套筒進(jìn)行填料、加壓封閉。隨后盾構(gòu)順利接收。施工過程中順利，未發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語

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)并針對性地提出了對策。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。