水平凍結法盾構進出洞風險控制

袁婷婷（上海三維工程建設咨詢有限公司， 上海 200060）

0 引 言

隨著我國軌道交通建設突飛猛進，城市地鐵建設難度不斷加大。當盾構端頭井周圍地質條件差，存在涌水涌砂風險時，一些采用傳統土體加固方法的場合極易發生事故。凍結法進出洞是解決此類問題的手段之一[1]。

采用水平凍結法實施盾構進出洞加固在實際作業中仍存在較大風險，處理不當起不到凍結效果。本文以上海軌道交通某區間隧道水平凍結法盾構進出洞為例，通過對凍結法盾構進出洞地基加固施工風險的分析，提出相應的控制措施，從而有效保證盾構進出洞的順利進行。

1 工程概況

上海軌道交通某區間采用盾構法施工，始發接收井洞門圈直徑 φ7.1 m，洞門中心埋深為 18.7 m。本工程地質情況復雜，洞門處地層自上往下依次為：①1素填土、②1粉質黏土、②3黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、④ 淤泥質黏土、⑤1-1黏土、⑤1-2粉質黏土、⑤3-1粉質黏土，盾構進出洞所處的地層主要為：⑤1-1黏土、⑤1-2粉質黏土。本工程附近水系發達，地質變化較大，⑤、⑦ 承壓含水層存在連通的可能。申通集團確定該項為致命性風險。

為確保盾構進出洞安全，決定對洞門進行水平凍結加固閉水，防止水泥系加固區與地連墻交界面處縫隙出水。即：在上下行線洞門處垂直地連墻施工水平凍結孔，采用低溫鹽水凍結加固地層，使地連墻外側的土體凍結，形成封閉性好且強度較高的凍結壁，接著在其保護下進行洞門鑿除及盾構進出洞工作。本工程上下行線的凍結壁均為圓形杯狀凍結壁，杯底凍結壁厚度 2 m，杯壁凍結壁厚度1.5 m，杯底凍結壁直徑 10.1 m，外圈凍結壁長度 6 m。

2 水平凍結法盾構進出洞主要施工風險因素及相關措施

2.1 地下管路損壞和地層沉降的風險及相關控制措施

盾構進出洞時，由于需要減小盾構推進壓力，容易使上方地層沉降，從而誘發地下管路損壞；并且盾構與周圍凍土的間隙容易導水，如果洞口密封不佳，也可引起較大地層沉降。

2.1.1 凍結孔施工控制措施

孔位要按凍結半徑滿足凍結壁交圈，確定數量，并控制施工誤差在允許范圍內。本工程上下行線洞門都布置有凍結孔 59 個，測溫孔 8 個。其中外圈孔 34 個，洞門圈內凍結孔 25 個。外圈孔開孔間距 823 mm，洞門圈內最大開孔間距 1 093 mm。外圈的頂部及底部凍結孔為避開結構梁，略為調整角度采用傾斜布置（凍結孔布置立面圖如圖 1 所示）。共布置有 8 個水平測溫孔，其中洞門圈內 2個測溫孔 Cs1～Cs2 (Cx1～Cx2)，洞門圈邊界上 2 個測溫孔 Cs3～Cs4(Cx3～Cx4)，共 4 個短測溫孔，孔深 3 m；凍結壁外側邊緣上 4 個長測溫孔 Cs5～Cs8(Cx5～Cx8)，孔深7.6 m。

圖1 凍結孔布置立面圖

準確定出開孔孔位，并用地連墻上布點，以便于施工中校驗、控制凍結孔方向。開孔位置偏差應控制在 50 mm 以內。在進行首個凍結孔施工時，需要分析地層鉆進過程中的重要參數變化情況，同時查驗工程地質與水文地質情況，一旦出現異常，應立即采取相應措施?？卓诙蝺鼋Y管方位必須準確，從而保證整根凍結管無偏斜。鉆機開始鉆機時，要反復校驗鉆桿鉆機位置。施工凍結孔時發現局部地連墻厚度大于設計值，相應加大凍結孔深度以保證凍結壁厚度。凍結管安裝完畢應及時打壓試漏，并且復測凍結孔的深度與偏斜。若不能滿足凍土帷幕設計厚度和進度要求，則需要進行打補孔。按凍結孔的質量要求施工測溫孔，必要時為了加快凍土帷幕形成，將測溫孔改作凍結孔[2]。

2.1.2 凍結系統設計

采用科學合理的凍結系統設計是保證地層凍結有效控制的關鍵環節之一。其主要包括凍結需冷量計算與冷凍機選型、冷卻水系統設計、鹽水系統設計。

（1）凍結需冷量計算與冷凍機選型（如表 1 所示）。

表1 制冷量計算與冷凍機選型表

凍結管采用 φ89 mm×8 mm 低碳無縫鋼管，凍結管的表面散熱系數為 300 kcal/m2·h，冷量損耗系數為 1.3，凍結管長度 326 m。

凍結需冷量：QT=1.3×3.14×300×0.089×326=3.553×104 kcal/h

（2）冷卻水用量計算與冷卻水循環設備選型（如表 2所示）。

表2 冷卻水用量計算與冷卻水循環設備選型

①冷凝器采用循環水，所需冷卻水循環量

式 1 中，W1為冷凝器所需冷卻水循環計算總流量（m/h）；QT為計算制冷能力（kcal/h）；γ為水的密度（t/m），取γ=1.0 t/m；c 為水熱容量（kcal/t℃），取c=1 000 kcal/t℃；△t為循環水溫差（℃），取 △t＝1.5 ℃。

② 油冷卻器所需冷卻水循環量

式 2 中，W2為油冷卻器所需冷卻水循環量（m/h）；取△ty為設計油冷卻器進出水的溫差（℃），取 △ty＝8℃；Wy為每臺油冷卻器設計用水量，取Wy=8 m/h。

③ 冷卻水總循環量

式 3 中，N 為油冷卻器數量。

④ 冷卻水理論消耗量（冷卻塔蒸發量）

實際最大新水補充量，按冷卻水理論消耗量與天氣炎熱時油冷卻器冷卻水部分直排考慮。

（3）鹽水循環量計算與鹽水泵選型（如表 3 所示）。

表3 鹽水循環設備選型

計算鹽水循環量為

式 5 中，W為鹽水循環量（m3/h）；QT為需冷量（kcal/h）；γ為鹽水密度（t/m），取γ=1.26 t/m3；c 為鹽水熱容量（kcal/t℃），取c=653 kcal/t ℃；△t為去回路鹽水溫差（℃），取 △t＝1.6℃。

2.1.3 地層凍結控制措施

水泥系加固（夾心層）時間短存在水化熱，凍結時盡可能降低鹽水溫度和加大鹽水流量，確保此處凍結質量。優化內圈凍結孔的連接方式，內圈凍結管分成兩組進行串聯連接，同時每組的凍結管總長度必須小于外圈孔分組長度，有利于增加內圈孔的鹽水流量，確保凍結管頭部的凍結壁厚度，防止拔管后漏泥。必要時在盾構始發接收井的洞門地連墻上敷設保溫層，并快速降低鹽水溫度，以加快凍結速度，減少凍脹量，確保凍結壁交界面不留薄弱環節。凍結孔能循環鹽水的長度應達到設計孔深，凍結孔間距超限時打補孔，確保凍結壁能按時交圈并達到設計厚度。對地層凍結進行實時監測，設置自動放空閥定時查看和分析凍結器頭部結霜和凍結器運轉情況，并安裝鹽水箱液位自動報警器[3]。

2.1.4 盾構進出洞控制措施

采用大功率電加熱裝置快速強制解凍、快速拔除洞門內的凍結管。凍結壁拔除時按照從中心向外側的順序進行，即先拔除中心孔再拔除內圈孔，最后拔除中圈孔。為防止拔管時發生斷管事件，凍結管安裝時，洞門圈內的凍結管盡量采用整根非焊接的鋼管。在拔除洞門內的凍結管時，維持外圈凍結管凍結，同時調整鹽水流量加大外圈孔冷量供應。拔除洞門圈內的凍結管后，如果盾構不能立即進出洞，應立即在洞門上敷設保溫板進行保溫。

2.1.5 施工監測

本工程施工監測內容包括凍結系統去、回路鹽水溫度監測（凍結期間和洞門開鑿期間均 1 次/d，積極凍結：不高于 －28°C）；循環鹽水管路流量監測（開凍時檢測，不小于 5 m3/h）；凍結期間凍土帷幕溫度場監測（凍結期間和洞門開鑿期間均 1 次/d，進出洞前凍結壁平均溫度：地連墻交界面不高于 －10°C，其他地方不大于 －8°C）；冷凍機運轉參數監測；進出洞后凍結壁表面溫度；地面及管線及建構筑物沉降變形監測(包括地面垂直位移、綜合管線垂直位移監測；鄰近建構筑物沉降監測)。

通過上述五項措施保證了凍結效果和有效降低了進出洞透水風險。

2.2 水土流失引發底層沉降、管線變形損壞的風險及相關控制措施

在凍結孔施工的鉆孔過程中易造成水土流失，從而引發地層沉降和上方管線變形損壞。

為了控制此項風險，分別采取了以下的控制措施。

（1）凍結孔開孔時安裝防噴裝置，防止開孔過程中泥水流失從而引起地層沉降。

（2）先用鉆機法鉆透水泥系加固區，然后采用夯管法安裝凍結管，施工時不易引起水土流失和引起地層沉降，并且可消除凍結管頭部的鹽水循環盲區，這樣有利于防止拔管后凍結孔底部快速融化導水。

（3）采用二次開孔方法開孔?？卓诠芄潭ㄇ氨仨毑捎美€法復核方位及傾角。在地連墻上安裝 φ121 mm×5 mm 孔口管，孔口管采用 3 根膨脹螺栓與地連墻固定牢固。安裝孔口管后應壓水檢驗孔口管與凍結孔之間是否滲漏，如有滲漏塞棉絲和覆雙快水泥封堵。凍結孔開孔誤差不超過 50 mm，確保符合設計要求。

（4）凍結管孔深或偏斜造成孔間距不符合設計要求時，必須打設補孔；耐壓不符合設計要求時在凍結管內下套管凍結。用測桿復核夯入凍結管達到設計深度。然后通過孔口管旁通進行壓漿封水，焊接密封凍結管與孔口管的間隙。測斜通過后對凍結管實行打壓試漏，其試漏壓力應限定在 1.0 MPa～1.2 MPa 范圍內，穩固 30 min 不下降，則確定為試漏試驗合格。

（5）不得在凍結孔施工過程中因偏斜等原因拔出凍結管。如發生凍結管斷裂漏水，立即注漿堵漏。如凍結管已下到設計深度，下內套管處理。施工防止孔口管被松動，如有松動用膨脹螺栓固定。若施工凍結孔時遇大量出水和泥沙，注漿堵水后再恢復凍結孔施工。采取快速凍結，控制凍結時間，減小凍土體積和凍脹量，也有利于減小凍結壁解凍時的融沉。準備木塞、棉紗、雙快水泥、注漿材料及機具，用于漏水時應急封堵[4]。

2.3 凍結孔導水、凍結管斷裂的風險及相關控制措施

拔除凍結管時，容易使凍結管端頭前方凍土融化，從而發生凍結孔導水事故；易可能發生凍結管斷裂事故，使盾構難以推進。

為了控制此項風險，分別采取了以下的控制措施。

（1）拔管時先拔洞口中間凍結管，再拔洞口邊凍結管的拔管順序，可防止拔管后凍結管端頭前方凍土快速融化。

（2）在拔除洞門內的凍結管時，維持外圈凍結管凍結，同時調整鹽水流量加大外圈孔冷量供應。

（3）凍結管拔除后，立即進行孔口封堵，以防鉆孔透水。

（4）凍結管采用單根無縫鋼管，取消接頭，以防拔管時斷裂。

（5）在拔出凍結管之前，要求進行化凍試驗，確定正確的化凍時間與合適的起拔力，凍結孔正常起拔力為0.1 t～ 3 t，凍結管的破斷力約為 32 t，要求起拔力小于 5 t。

（6）嚴格控制起拔力，不能超過設計文件規定的最大值，避免斷管。

（7）起拔松動凍結管后，再拆除熱水循環管路。

（8）盡可能在較短的時間內順利完成拔管。

2.4 盾構進出洞過程中盾構機頭被凍結的風險及相關控制措施

盾構進出洞過程中，由于盾構推進停止等原因，使盾構機頭被凍結。

為了控制此項風險，分別采取了以下的控制措施。

（1）通過采取有效施工保障措施，確保盾構通過凍結壁時，避免推進停頓和刀盤停轉。

（2）盾構推進通過凍結壁時，如因土體凍結造成排土困難，可在盾構機土倉內灌入比重 1.24～1.26 的鹽水。

（3）盾構出洞時若刀盤被凍結，應立即安裝千斤頂頂回盾構機。

（4）若出現盾構機頭被凍結情況，及時在機頭里面采取鍋爐來化凍。

3 結論及建議

綜上所述，本文列舉了幾項水平凍結法盾構進出洞的風險及相應控制技術措施，為盾構進出洞的順利完成提供了有力保障。主要結論和建議如下。

（1）盾構進出洞時，為避免因需要減小盾構推進壓力或洞門密封不佳而引起地層沉降，要求：① 孔位要按凍結半徑滿足凍結壁交圈，確定數量，并控制施工誤差在允許范圍內；② 冷凍設備選擇要滿足制冷量需要；③ 應設置必要的保溫隔熱措施，保證凍結效果。

（2）為避免凍結孔施工造成水土流失從而引起地層沉降和上方管線變形損壞，要求凍結孔開孔時安裝防噴裝置，并采用夯管法安裝凍結管。

（3）拔除凍結管時，為防止凍結管端頭前方凍土融化致使凍結孔導水以及凍結管斷裂事故發生，強調：① 按先拔洞口中間凍結管再拔洞口邊凍結管的拔管順序進行拔管；② 凍結管采用整根非焊接管材；③ 化凍試驗通過并確定合適的化凍時間和起拔力后再進行拔管，且拔管時間應盡量短。

（4）盾構進出洞過程中，應采取施工保障措施和應急措施，避免盾構推進停止等導致盾構機頭被凍結。