淺談水平凍結(jié)法地基加固施工技術(shù)在盾構(gòu)進(jìn)洞中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：隧道，水平凍結(jié)，地基加固，盾構(gòu)進(jìn)洞
上海市軌道交通10號(hào)線10.8標(biāo)是上海市軌道交通10號(hào)線一期工程的重要組成部分。該工程由高安路車(chē)站、華山路車(chē)站、11號(hào)線淮海路車(chē)站、凱旋路車(chē)站、宋園路車(chē)站、高安路站～華山路站區(qū)間、華山路站～凱旋路站區(qū)間、凱旋路站～宋園路站區(qū)間、宋園路站～古北路站區(qū)間等五站四區(qū)間組成。4段區(qū)間隧道總長(zhǎng)為6987.452m。其中高安路站～華山路站區(qū)間隧道長(zhǎng)955.926m，由2臺(tái)Φ6340土壓平衡式盾構(gòu)先后分別從高安路車(chē)站西端頭井出洞，沿淮海中路向東推進(jìn)，途經(jīng)吳興路、宛平路、余慶路，至華山路站東端頭井進(jìn)洞，華山路進(jìn)洞上行線地基加固采用攪拌樁和高壓旋噴樁加固，下行線地基加固采用水平凍結(jié)加固，該區(qū)間于2008年3月開(kāi)工，至2009年1月13日隧道實(shí)現(xiàn)貫通。
一、周邊環(huán)境狀況
華山路車(chē)站位于上海市中心鬧市區(qū)的華山路和淮海西路交叉口處，該車(chē)站東端頭井下行線一側(cè)地下連續(xù)墻外2m處有一備用電纜線，中心線附近處有一根的Φ700上水管悶頭。此外，在距離地下連續(xù)墻4m外有很多管線，依次為Φ300上水管、Φ300煤氣、Φ500煤氣。
二、地基加固方式的選擇
華山路東端頭井上、下行線進(jìn)洞地基加固原設(shè)計(jì)為Φ850攪拌樁和Φ650高壓旋噴樁加固，加固范圍為縱向由端頭井外井壁向外3.5m，橫向以隧道向左、右兩側(cè)各延伸3m，深度為隧道向上、下各延伸3m。其中深層攪拌樁加固范圍為3m，旋噴樁加固范圍為車(chē)站地連墻和攪拌樁之間的50cm夾層。由于下行線洞門(mén)距離Φ300上水管、電車(chē)架空線桿、消防栓、圍墻距離較近，如需實(shí)施攪拌樁和高壓旋噴樁加固，須對(duì)加固區(qū)內(nèi)的管線、構(gòu)筑物和加固施工要求范圍內(nèi)的管線和障礙物進(jìn)行搬遷。鑒于華山路站東端頭井是在淮海路地面道路半側(cè)封閉、地下管線和地面架空線改道的基礎(chǔ)上建成的，已對(duì)周邊道路機(jī)動(dòng)車(chē)通行造成相當(dāng)大的壓力，如按原設(shè)計(jì)方案實(shí)施攪拌樁和高壓旋噴樁加固，勢(shì)必要求對(duì)端頭井外Φ300上水管、電車(chē)架空線桿、消防龍頭、圍墻等進(jìn)行二次搬遷、對(duì)淮海路再封閉一根車(chē)道，這將直接導(dǎo)致10.8標(biāo)總工期延后5個(gè)月，并會(huì)影響10號(hào)線一期工程全線的總工期，也將使10.8標(biāo)交通組織費(fèi)用大大增加，同時(shí)也將造成周邊道路車(chē)輛通行癱瘓，嚴(yán)重影響周邊人民群眾的日常出行和生活。經(jīng)建設(shè)方、施工方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方和徐匯區(qū)有關(guān)部門(mén)、街道、交警、管線、公交等單位的多方研究和分析，一致認(rèn)為華山路站東端頭井下行線地基加固不宜采用原設(shè)計(jì)方案，建議采用井下水平凍結(jié)法地基加固施工方案。經(jīng)原設(shè)計(jì)院變更設(shè)計(jì)后，華山路東端頭井下行線進(jìn)洞地基加固修改為工作井內(nèi)鉆孔水平凍結(jié)加固。
三、水平凍結(jié)法地基加固施工
1.地質(zhì)描述
地質(zhì)土層是影響地基加固和盾構(gòu)進(jìn)洞的主要因素之一。根據(jù)地質(zhì)資料，本工程華山路站東端頭井加固區(qū)主要涉及的土層為：①1雜填土層、②褐黃～灰黃色粉質(zhì)粘土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④灰色淤泥質(zhì)粘土層、⑤1-1灰色粘土層。從地質(zhì)條件看，對(duì)實(shí)施水平凍結(jié)地基加固較為有利。
2.水平凍結(jié)施工法地基加固施工
工作井內(nèi)鉆孔水平凍結(jié)加固施工主要由：①水平凍結(jié)孔的鉆孔、凍結(jié)管的安裝；②凍結(jié)站的安裝、調(diào)試；③實(shí)施凍結(jié)等三個(gè)步驟組成。
2.1水平凍結(jié)孔的鉆孔、凍結(jié)管的安裝
（1） 凍結(jié)孔、測(cè)溫孔、泄壓孔的布置
根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)，凍結(jié)孔按近水平角度布置。圓柱體加固區(qū)凍結(jié)孔沿槽壁開(kāi)洞口φ7.5m圓形布置，開(kāi)孔間距為0.76m（弧長(zhǎng)），凍結(jié)孔數(shù)31個(gè)，凍結(jié)孔1#～31#長(zhǎng)度為6m。
板塊加固區(qū)凍結(jié)孔沿槽壁開(kāi)洞口φ5.1m、φ2.7m圓形布置，開(kāi)孔間距為1.14m～1.21m（弧長(zhǎng)），凍結(jié)孔數(shù)21個(gè)，凍結(jié)孔長(zhǎng)度為3.2m；開(kāi)洞口中心布設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔，凍結(jié)孔長(zhǎng)度為3.2m。
測(cè)溫孔共布置11個(gè)（其中4個(gè)布置在盾構(gòu)半徑上R=3.17m），深度為3米，主要是測(cè)量?jī)鼋Y(jié)帷幕范圍不同部位的溫度發(fā)展?fàn)顩r，以便綜合采用相應(yīng)控制措施，確保施工的安全。
泄壓孔為9個(gè)，深度為6米，主要用于凍結(jié)期間釋放土體凍脹壓力。
�。�2） 凍結(jié)孔施工
凍結(jié)孔鉆孔施工工序?yàn)椋憾ㄎ婚_(kāi)孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測(cè)量→打壓試驗(yàn)。
凍結(jié)孔定位、鉆孔質(zhì)量是凍結(jié)法施工的首要環(huán)節(jié)。在鉆孔前應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求在工作井槽壁上正確定位和開(kāi)孔。開(kāi)孔后，應(yīng)及時(shí)安裝孔口管、旁通閥、孔口密封裝置，確保安裝牢固、無(wú)滲漏水現(xiàn)象。鉆孔時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求調(diào)整好鉆機(jī)方位角和俯仰角，并固定好。首先采用無(wú)泥漿鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)不進(jìn)尺時(shí)，調(diào)整施工工藝進(jìn)行泥漿鉆進(jìn)，同時(shí)打開(kāi)孔口裝置上旁通閥門(mén)，觀察出水、出砂情況。鉆孔期間，應(yīng)用經(jīng)緯儀結(jié)合燈光對(duì)每個(gè)成孔進(jìn)行測(cè)斜，偏斜率控制在1%以內(nèi)，不宜內(nèi)偏，最大終孔間距不大于150mm。施工完畢后，對(duì)成孔管內(nèi)注水進(jìn)行凍結(jié)管密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力控制在0.8MPa，30分鐘內(nèi)壓力無(wú)變化為合格。
2.2凍結(jié)站的安裝、調(diào)試
為確保凍結(jié)加固的效果，選取的冷凍設(shè)備和備用冷凍設(shè)備的冷卻水量、制冷劑、冷媒等必須滿足凍結(jié)加固的要求�？紤]到凍結(jié)法施工是必須連續(xù)凍結(jié)的過(guò)程，如設(shè)備、管路等原因造成長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)，將引起土層的融沉，引起周邊地下管線、建筑物和構(gòu)筑物的變形。因此，冷凍設(shè)備和設(shè)施的安裝、調(diào)試、施工臨時(shí)用電必須確保冷凍期間設(shè)備能持續(xù)正常的運(yùn)轉(zhuǎn)。
冷凍管安裝時(shí)必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行布設(shè)和連接，管路的連接接頭必須做到密封、牢固，并通過(guò)試壓試驗(yàn)。冷凍管進(jìn)出回路上應(yīng)有測(cè)溫裝置。冷卻水存儲(chǔ)容器完好、不滲漏，應(yīng)有水位顯示裝置和保溫設(shè)施。冷凍設(shè)備質(zhì)量應(yīng)合格，設(shè)備安裝后應(yīng)能有效運(yùn)轉(zhuǎn)，并應(yīng)達(dá)到設(shè)備出廠標(biāo)定的冷卻水量。冷卻循環(huán)回路均應(yīng)設(shè)置保溫隔熱措施。
在冷凍設(shè)備安裝、調(diào)試合格后，施工單位可對(duì)土體進(jìn)行凍結(jié)加固。凍結(jié)期間，應(yīng)注意觀察冷卻池水位，以確定凍結(jié)管、連接管、冷卻系統(tǒng)是否有滲漏。檢查、記錄凍結(jié)器去回路鹽水溫度、冷凍機(jī)吸排氣溫度、冷卻循環(huán)水進(jìn)出水溫度、鹽水泵工作壓力、制冷系統(tǒng)冷凝壓力、制冷系統(tǒng)汽化壓力和凍結(jié)帷幕溫度場(chǎng)的監(jiān)測(cè)等，確定冷凍設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和凍結(jié)壁厚度的發(fā)展情況。檢查每個(gè)泄壓孔的壓力，定時(shí)釋放凍脹壓力。凍結(jié)期間還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)凍結(jié)區(qū)域地面建（構(gòu)）筑物、地面道路、地下管線和深沉土體變形的跟蹤監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。
四.凍結(jié)加固的效果
華山路站東端頭井下行線水平凍結(jié)地基加固于2008年11月12日開(kāi)始，使用一臺(tái)冷凍機(jī)凍結(jié)加固，至11月19日（第7天）鹽水進(jìn)、回路溫度分別為－28.5℃和－26.5℃，以后始終穩(wěn)定在－28℃以下，鹽水進(jìn)路和回路溫差小于2℃。至2008年12月25日盾構(gòu)進(jìn)洞止，連續(xù)實(shí)施凍結(jié)34天。凍結(jié)期間，冷凍設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常，冷卻水無(wú)滲漏現(xiàn)象。
經(jīng)實(shí)地查看，洞門(mén)表面已結(jié)霜。據(jù)沉降監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，地面沉降及各管線沉降位移變化值較小。洞門(mén)砼鑿除前，在洞門(mén)上不同部位所開(kāi)的9個(gè)探孔，均無(wú)滲漏水和泥沙流出等現(xiàn)象。
五.盾構(gòu)進(jìn)洞存在的風(fēng)險(xiǎn)
由于采用了水平凍結(jié)法地基加固，也給盾構(gòu)進(jìn)洞施工增加了一定的風(fēng)險(xiǎn)性。主要風(fēng)險(xiǎn)如下：
1. 盾構(gòu)進(jìn)洞區(qū)域凍結(jié)管過(guò)早拔除，凍結(jié)土體自然解凍，凍結(jié)效果降低，會(huì)造成土體融沉、洞門(mén)滲漏水，給周邊環(huán)境和盾構(gòu)進(jìn)洞帶來(lái)不利影響。
2. 凍結(jié)管拔管時(shí)造成斷管，且不能及時(shí)取出斷管，影響盾構(gòu)進(jìn)洞。
3. 盾構(gòu)進(jìn)洞段推進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)被凍住，導(dǎo)致盾構(gòu)無(wú)法進(jìn)洞。
4. 盾構(gòu)進(jìn)洞后，加固區(qū)域后期融沉，導(dǎo)致周邊地下管線、道路、建筑物變形。
5. 其它突發(fā)事件的發(fā)生。
六.盾構(gòu)進(jìn)洞的保證措施
�。�1）盾構(gòu)進(jìn)洞期間對(duì)凍結(jié)區(qū)的溫度控制
在通過(guò)測(cè)溫孔測(cè)定、計(jì)算確定凍結(jié)已達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)行盾構(gòu)進(jìn)洞施工。為了保證盾構(gòu)能夠順利推進(jìn)，盾構(gòu)外周的實(shí)際凍土溫度控制在0℃～-5℃之間為宜，以能保證水呈固態(tài)，且盾構(gòu)總推力不至于過(guò)大。
�。�2）洞門(mén)開(kāi)設(shè)探孔，探查凍結(jié)效果
在確認(rèn)凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度及強(qiáng)度厚后，可在洞門(mén)上開(kāi)設(shè)若干探孔，以判斷凍土與槽壁的膠結(jié)情況。探孔的布置應(yīng)在兩測(cè)溫孔之間，探孔進(jìn)入凍土內(nèi)深度控制在10～15cm。測(cè)溫時(shí)應(yīng)采用高精度的溫度計(jì)或測(cè)溫儀進(jìn)行量測(cè)，各探孔實(shí)測(cè)溫度必須低于－5℃。同時(shí)，可通過(guò)探孔探查凍結(jié)土體的凍結(jié)效果和是否有滲漏水和泥沙流出現(xiàn)象。
�。�3）凍結(jié)管拔管和洞門(mén)的鑿除
盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)入外圈圓柱體凍結(jié)加固區(qū)后，在刀盤(pán)距離內(nèi)圈板塊凍結(jié)加固區(qū)1m時(shí)，通過(guò)探孔探查分析，確認(rèn)凍土帷幕與槽壁膠結(jié)良好后，即可對(duì)內(nèi)圈板塊凍結(jié)加固區(qū)實(shí)施拔管。拔管時(shí)應(yīng)從板塊凍結(jié)加固區(qū)的外圈向內(nèi)圈逐圈拔除凍結(jié)管，拔除外圈凍結(jié)管時(shí)，內(nèi)圈凍結(jié)管應(yīng)維持凍結(jié)。拔管前，應(yīng)先對(duì)待拔凍結(jié)孔實(shí)施局部解凍后再進(jìn)行拔除。拔除每圈凍結(jié)管時(shí)，要間隔拔除，未拔除的相鄰凍結(jié)孔應(yīng)維持凍結(jié)。直到全部拔除板塊上的所有凍結(jié)管。凍結(jié)管拔除時(shí)應(yīng)避免損壞外圈圓柱體凍結(jié)加固區(qū)的凍結(jié)管和其它施凍的凍結(jié)管，并做好維持凍結(jié)工作。如遇凍結(jié)管拔斷，應(yīng)及時(shí)套管鉆孔取出凍結(jié)管。整個(gè)拔管工作應(yīng)及時(shí)完成，不應(yīng)拖延。拔管結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)對(duì)洞門(mén)進(jìn)行鑿除，以防凍結(jié)帷幕融化，影響其強(qiáng)度。
�。�4）盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)域的控制措施
為了預(yù)防盾構(gòu)機(jī)穿越凍結(jié)區(qū)域推進(jìn)時(shí)刀盤(pán)被“凍住”的現(xiàn)象，首先應(yīng)將盾構(gòu)刀盤(pán)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)解鎖，確保在凍結(jié)區(qū)域推進(jìn)期間刀盤(pán)始終保持旋轉(zhuǎn)，而不被凍住。其次，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度、控制刀盤(pán)切割土體的進(jìn)刀量，以防刀盤(pán)切入凍結(jié)土體過(guò)深而被卡住，從而導(dǎo)致刀盤(pán)被凍住。其三，推進(jìn)期間對(duì)正面凍土注鹽水，有利于刀盤(pán)切割土體。其四，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配備處置盾構(gòu)被“凍住”的應(yīng)急設(shè)施，如對(duì)盾構(gòu)機(jī)正面土體噴蒸汽和加注熱鹽水等相應(yīng)解凍設(shè)備和物資等。
�。�5）盾構(gòu)進(jìn)洞后的融沉注漿
盾構(gòu)進(jìn)洞后，應(yīng)根據(jù)環(huán)境監(jiān)測(cè)情況利用工作井壁上的凍脹泄壓孔和隧道內(nèi)進(jìn)洞段管片上的注漿孔（進(jìn)洞區(qū)域管片上可多設(shè)置一些注漿孔）及時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿，控制融沉；根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，融沉注漿總量一般為凍土體積的15%左右。其次，實(shí)施局部強(qiáng)制解凍，利用洞口周邊井壁上的凍結(jié)管和冷凍循環(huán)的鹽水來(lái)作為傳遞熱量的媒體,對(duì)凍土進(jìn)行加熱，使凍土在短時(shí)間內(nèi)融化。解凍原則是先上部后下部。相鄰的兩個(gè)凍結(jié)孔不能同時(shí)解凍，可采取跳躍式解凍法。在解凍的同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地面建（構(gòu)）筑物、地面道路、地下管線和深沉土體變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和隧道進(jìn)洞段的后前沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)凍土進(jìn)行補(bǔ)充注漿，以控制上部管線、建筑物等的沉降和隧道自身的沉降。
（6）落實(shí)應(yīng)急預(yù)案的各項(xiàng)準(zhǔn)備
在盾構(gòu)進(jìn)洞期間，成立應(yīng)急預(yù)案領(lǐng)導(dǎo)小組，對(duì)搶險(xiǎn)工作進(jìn)行總體協(xié)調(diào)指揮，以做到萬(wàn)無(wú)一失。盾構(gòu)進(jìn)洞現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)備有足夠搶險(xiǎn)物資，即各種規(guī)格的砂袋、棉被、速凝水泥、注漿泵、堵漏劑、泡沫條、海綿等物資，對(duì)滲水點(diǎn)及時(shí)封堵。加強(qiáng)對(duì)洞門(mén)鑿除后的保溫措施，防止凍結(jié)壁融化。在施工現(xiàn)場(chǎng)配備一定量的液氮，萬(wàn)一凍結(jié)壁局部融化時(shí)，可及時(shí)使用液氮進(jìn)行凍結(jié)，保持凍結(jié)溫度。
七.結(jié)束語(yǔ)
筆者認(rèn)為水平凍結(jié)法地基加固為盾構(gòu)進(jìn)洞提供了一種極為有效的加固方式，尤其在地面場(chǎng)地有限、地面加固區(qū)域有障礙物一時(shí)無(wú)法搬遷、清除等情況，致使無(wú)法采用常規(guī)地基加固方式時(shí)可采用這種工法。但這種加固方式也存在較大盾構(gòu)進(jìn)洞風(fēng)險(xiǎn)和地層后期融沉的風(fēng)險(xiǎn)，需要施工人員采取切實(shí)有效的防范措施和應(yīng)急措施，保證盾構(gòu)的順利進(jìn)洞和降低周邊建筑物、地下管線、地面道路的沉降變形。
