劉 祥 趙玉善 解文杰 郭志敏

(中建八局第三建設(shè)有限公司，210046，南京∥第一作者，碩士研究生)

地鐵隧道建設(shè)過程中風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)節(jié)是盾構(gòu)始發(fā)與接收。在鑿壁破除洞門階段，當(dāng)加固效果不好時(shí)會(huì)引起洞門塌陷、涌水涌砂、地下管線及地面建筑物下沉損壞等問題。因此，達(dá)標(biāo)的洞門加固強(qiáng)度是保證盾構(gòu)始發(fā)與接收的關(guān)鍵。目前常用的加固方法有攪拌樁法[1]、旋噴法[2]、SMW(水泥土攪拌樁墻)法[3]和垂直及水平凍結(jié)法[4]等。當(dāng)面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，凍結(jié)法是洞門加固的理想工法。凍結(jié)法的基本原理是通過人工降溫在地下開挖土體特定范圍內(nèi)形成負(fù)溫的、不透水的和有足夠強(qiáng)度的凍土結(jié)構(gòu)物，保護(hù)地下工程實(shí)施。該工法的作用是用低溫方法對(duì)含水不穩(wěn)定地層進(jìn)行地下工程開挖前的預(yù)加固，具有安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好、可控性好、污染性小和經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，在盾構(gòu)端頭加固施工中具有良好的應(yīng)用前景[4-6]。基于無錫地鐵市民中心站復(fù)雜的地質(zhì)條件，本文提出采用水平凍結(jié)法對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞門進(jìn)行加固。

1 工程概況

無錫地鐵4號(hào)線市民中心站—吳都路站區(qū)間，左線起終點(diǎn)里程左DK20+880.765—左DK21+793.155，左線短鏈0.091 m，左線長(zhǎng)912.299 m；右線起終點(diǎn)里程右DK20+880.765—右DK21+793.155，右線長(zhǎng)912.390 m；左右線全長(zhǎng)1 824.689 m。本區(qū)間設(shè)一處聯(lián)絡(luò)巷，與泵房合建，聯(lián)絡(luò)通道及泵房中心里程為右DK21+208.600(左DK21+208.600)。總體工程籌劃如下：本區(qū)間采用一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)從吳都路站北端左線盾構(gòu)井下始發(fā)，掘進(jìn)至市民中心站左線南端頭，然后調(diào)頭掘進(jìn)區(qū)間右線至吳都路站解體吊出，完成本區(qū)間施工。只有市民中心站端頭接收與始發(fā)洞門采用水平凍結(jié)法加固。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

在市民中心站地面垂直向下取芯11處。根據(jù)取芯結(jié)果，洞門位置土層自上而下可分述為：①1層雜填土、③1層黏土、③2層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③3層粉質(zhì)黏土、④2層砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑤1層粉質(zhì)黏土、⑥1-1層粉質(zhì)黏土、⑥1層黏土、⑥2T層粉質(zhì)黏土、⑥2A層砂質(zhì)粉土和⑥2B層黏土。

無錫市地處江南水網(wǎng)區(qū)，屬于長(zhǎng)江流域太湖水系，區(qū)內(nèi)地表水系十分發(fā)育，河網(wǎng)密布。本工點(diǎn)第四系松散巖類孔隙水主要為：潛水、微承壓水和承壓水。潛水主要分布于淺部填土中，微承壓水賦存于④2層砂質(zhì)粉土夾粉砂層中，承壓水賦存于⑥2A層砂質(zhì)粉土和⑦2A層砂質(zhì)粉土夾粉砂層中。市民中心站端頭盾構(gòu)中心埋深約20.1 m，穿越土體主要為⑥1黏土，土層位于微承壓水和承壓水之間。

1.2 建筑物及管線情況

市民中心站是無錫地鐵4號(hào)線與1號(hào)線的換乘站，其南北端頭位于立德道下方。該站周邊建筑物情況：南端頭東側(cè)為市民中心配套綠化，西側(cè)為國(guó)聯(lián)金融大廈，距車站端頭井遠(yuǎn)大于安全距離。該站周邊管線情況：距南端頭井40 m有一條DN90K中壓煤氣管橫穿端頭井，距北端頭50 m有一條DN500污水管道橫穿端頭井，南北方向有一條DN600雨水管穿過南北端頭；端頭井西側(cè)有一條銅/光11/12 500 mm×300 mm信息管線和一條銅5/6 600 mm×400 mm電力電纜；端頭井東側(cè)有一條銅/光11/12 500 mm×300 mm信息管線及銅/光3/6 300 mm×200 mm信息管線、一條0/15 850 mm×600 mm電力空管及一條DN400雨水管道。鑒于工程地質(zhì)條件、建筑物與管線情況復(fù)雜，采用水平凍結(jié)法加固盾構(gòu)進(jìn)出洞門。

2 水平凍結(jié)設(shè)計(jì)方案

2.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用杯體凍結(jié)加固方案，即利用水平凍結(jié)和部分傾斜孔凍結(jié)加固地層，使盾構(gòu)機(jī)外圍及開洞口范圍內(nèi)土體凍結(jié)，形成圓柱形、強(qiáng)度高和封閉性好的凍結(jié)帷幕。盾構(gòu)機(jī)本體長(zhǎng)度為9.5 m，為防漏水和涌砂，盾構(gòu)接收時(shí)加固區(qū)杯體長(zhǎng)度需能“包住”盾構(gòu)機(jī)本體長(zhǎng)度，故多增加2.5 m的兩環(huán)管片長(zhǎng)度。本次設(shè)計(jì)盾構(gòu)接收加固區(qū)長(zhǎng)度為12 m，盾構(gòu)始發(fā)加固區(qū)長(zhǎng)度為9 m，凍結(jié)壁杯體厚度為1.65 m。凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 市民中心站凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)圖

2.2 凍結(jié)參數(shù)

根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)，凍結(jié)孔參數(shù)確定如下：南端頭左右線凍結(jié)孔按近水平角度布置，凍結(jié)孔共61個(gè)；圓柱體凍結(jié)孔外圈沿開洞口Φ7.8 m圓形布置；外圈孔開孔間距為0.765 m，凍結(jié)孔共32個(gè)，孔編號(hào)為D301—D332；左線凍結(jié)孔有效深度為13.8 m，右線凍結(jié)孔有效深度為10.8 m。由于洞門頂部5個(gè)凍結(jié)孔距負(fù)二層底板太近，無法施工，故將頂部5個(gè)凍結(jié)孔調(diào)整到負(fù)二層內(nèi)施工，為保證凍結(jié)效果，增加4個(gè)加強(qiáng)孔，孔編號(hào)為Z1—Z4；中圈沿開洞口Φ5.2 m圓形布置，中圈孔開孔間距為1.014 m，凍結(jié)孔共16個(gè)，孔編號(hào)為D201—D216，凍結(jié)孔有效深度均為4.4 m；內(nèi)圈沿開洞口Φ2.6 m圓形布置，內(nèi)圈孔開孔間距為0.995 m，凍結(jié)孔共8個(gè)，孔編號(hào)為D101—D108，凍結(jié)孔有效深度為4.4 m；在開洞口中心處布設(shè)1個(gè)凍結(jié)孔，孔編號(hào)位D001，凍結(jié)孔有效深度為4.4 m。市民中心站南端頭左右線凍結(jié)孔平剖面布置如圖2所示。

圖2 市民中心站南端頭左右線凍結(jié)孔位布置示意圖

凍結(jié)基本參數(shù)要求如下：①積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28～-30 ℃；②維護(hù)凍結(jié)期溫度為-28～-30 ℃；③外圍凍結(jié)孔開孔間距Lmax≤1 000 mm，凍結(jié)帷幕交圈時(shí)間20 d；④積極凍結(jié)時(shí)間總共為35 d；⑤凍結(jié)工期安排為總工期65 d，其中,打鉆25 d，安裝4 d，積極凍結(jié)35 d，拔管1 d。

2.3 凍結(jié)施工流程

凍結(jié)施工的施工流程：洞門注漿→凍結(jié)孔施工→凍結(jié)站安裝→積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)→凍結(jié)質(zhì)量控制。

3 盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)措施

3.1 施工流程

水平凍結(jié)加固和盾構(gòu)始發(fā)與接收的施工流程為：施工準(zhǔn)備→同時(shí)進(jìn)行凍結(jié)孔施工與凍結(jié)站安裝→同時(shí)進(jìn)行凍結(jié)器系統(tǒng)安裝與檢測(cè)系統(tǒng)安裝→積極凍結(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)→槽壁破除0.5 m→探孔→槽壁破除→開洞口內(nèi)凍結(jié)拔管→盾構(gòu)推進(jìn)→盾構(gòu)始發(fā)與接收。

3.2 盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)要求

1)為保證盾構(gòu)始發(fā)與接收安全，需確定凍結(jié)帷幕應(yīng)達(dá)到的設(shè)計(jì)強(qiáng)度及厚度；與槽壁完全膠結(jié)后，方能進(jìn)行槽壁破除、拔管，盾構(gòu)始發(fā)與接收施工。

2)破壁分4～5層分層剝離。盾構(gòu)接收前，破除槽壁厚度不小于200 mm，并保留外排鋼筋；最后一層槽壁要在確保凍結(jié)體滿足要求后才能完全破除。

3)槽壁混泥土完全破除后，盾構(gòu)靠上洞門，刀盤尖端與凍土表面應(yīng)保持20 cm距離，以防止因刀盤擠壓土體而造成拔管困難。

4)盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)時(shí)，停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)；拼裝管片出現(xiàn)故障時(shí)，每隔10～15 min轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤3～5 min，以防刀盤凍死。

3.3 拔管

在拔管前，需進(jìn)行探孔和槽壁鑿除。通過測(cè)溫孔數(shù)據(jù)，確定凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和強(qiáng)度后，將盾構(gòu)推進(jìn)至距圓柱凍結(jié)帷幕一定距離處，破除洞口槽壁0.5 m；然后探孔，孔深為5～10 cm，當(dāng)各探孔實(shí)測(cè)溫度低于-5 ℃，且無泥無水流出時(shí)，說明凍結(jié)效果良好；最后將槽壁完全破除后，即可拔管。

3.4 破壁及盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)的保證措施

1)溫度控制：盾構(gòu)始發(fā)與接收時(shí)，必須有效控制外周凍土溫度不低于-5 ℃并接近0 ℃，此時(shí)凍土抗剪強(qiáng)度不高于1 MPa，所需總推力不大于3 000 t為宜。

2)槽壁探孔：通過測(cè)溫孔觀測(cè)計(jì)算，確定凍結(jié)帷幕達(dá)到設(shè)計(jì)厚度及強(qiáng)度。當(dāng)槽壁厚度還剩不小于300 mm時(shí)，在洞門上打探孔。用風(fēng)鎬進(jìn)行鑿窩，窩直徑為400 mm，窩深為200～400 mm。探孔打好后，用電錘穿透探孔內(nèi)剩下的槽壁，最終探孔進(jìn)入凍土內(nèi)深度5～10 cm。各探孔的實(shí)測(cè)溫度需低于-5 ℃。

3)凍結(jié)指標(biāo)監(jiān)測(cè)：盾構(gòu)穿越凍結(jié)區(qū)前，凍結(jié)指標(biāo)如下：①總?cè)セ芈符}水溫度為-28～-30 ℃；②鹽水去回路溫度差≤2 ℃；③凍土墻設(shè)計(jì)厚度 ≥1.8 m；④凍土平均溫度 ≤-10 ℃；⑤各探孔溫度 ≤-5 ℃；⑥凍結(jié)時(shí)間達(dá)30 d。

3.5 凍脹及融沉控制措施

1)預(yù)注漿：在鉆孔施工期間，利用孔口上旁通閥對(duì)盾構(gòu)始發(fā)與接收口范圍內(nèi)土層進(jìn)行注漿，補(bǔ)充鉆孔期間泥水流失，控制地面沉降。

2)凍脹控制：每個(gè)泄壓孔的端部安裝一個(gè)壓力表，打開泄壓孔閥門釋放凍脹壓力；或打凍結(jié)孔加熱循環(huán)，進(jìn)行解凍。

3)融沉控制：在始發(fā)與接收區(qū)域8環(huán)管片上設(shè)置注漿孔，每環(huán)10個(gè)。利用管片上注漿孔進(jìn)行跟蹤注漿，進(jìn)而減少融沉。

4 水平凍結(jié)溫度實(shí)測(cè)分析

4.1 測(cè)溫點(diǎn)布置

在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。洞門外圈每2～3個(gè)凍結(jié)孔串聯(lián)為一組，外圈33個(gè)凍結(jié)孔分為11組；洞門內(nèi)圈從上往下每一排4～5個(gè)凍結(jié)孔串聯(lián)為一組，內(nèi)圈25個(gè)凍結(jié)孔分為6組。每組串聯(lián)回路設(shè)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。

凍結(jié)加固區(qū)共布置5個(gè)測(cè)溫孔。內(nèi)圈布置3個(gè)測(cè)溫孔(C1、C2、C3)，孔深為3.5 m；每個(gè)孔內(nèi)布置4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)間隔0.83 m。外圈布置2個(gè)測(cè)溫孔(C4、C5)，孔深為10.3 m；每個(gè)孔內(nèi)布置7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)間隔1.38 m。測(cè)溫孔位置如圖2所示。

4.2 總?cè)セ芈符}水測(cè)溫分析

端頭凍結(jié)加固工程于2019年1月11日開始，至2019年2月13日凍結(jié)34 d。本文以右線盾構(gòu)始發(fā)為例，分析凍結(jié)效果和盾構(gòu)始發(fā)情況。

總?cè)セ芈符}水溫度及溫差是綜合反映冷媒吸熱量及凍結(jié)效果的重要指標(biāo)。總?cè)セ芈符}水溫度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。該曲線分為以下3個(gè)階段。

圖3 總?cè)セ芈符}水溫度隨時(shí)間變化曲線

1)階段Ⅰ——快速下降階段：總?cè)セ芈符}水溫度快速下降，曲線斜率較大。凍結(jié)前4 d去回路溫差分別為1.1 ℃、1.4 ℃、1.3 ℃和1.2 ℃。因?yàn)槌跏嫉販剌^高，鹽水吸熱量較大。所以去回路溫差略大且有波動(dòng)。

2)階段 Ⅱ——緩慢下降階段：總?cè)セ芈符}水溫度緩慢下降，曲線斜率較小。凍結(jié)第24 d的總?cè)ヂ符}水溫度為-30.5 ℃，總回路鹽水溫度為-31.6 ℃，溫差為1.1 ℃。此時(shí)去回路溫度都已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3)階段Ⅲ——平穩(wěn)變化階段：總?cè)セ芈符}水溫度平穩(wěn)變化，曲線斜率近似為0。凍結(jié)第34 d的總?cè)ヂ符}水溫度為-30.8 ℃，總回路鹽水溫度為-31.9 ℃，溫差為1.1 ℃。此階段溫差均小于1.1 ℃，說明總?cè)セ芈窚夭钜堰_(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 內(nèi)外圈回路鹽水測(cè)溫分析

內(nèi)外圈凍結(jié)孔串聯(lián)回路分別布置6個(gè)和11個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。內(nèi)外圈回路溫度反映各串聯(lián)凍結(jié)管回路中的鹽水溫度。內(nèi)外圈回路鹽水溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。由圖4可知：在外圈凍結(jié)孔串聯(lián)成的17個(gè)測(cè)溫點(diǎn)中，回路鹽水溫度變化趨勢(shì)與總?cè)セ芈符}水溫度變化趨勢(shì)基本一致；凍結(jié)前4 d各測(cè)溫點(diǎn)回路鹽水溫度迅速下降，凍結(jié)4～28 d溫度緩慢下降，凍結(jié)第24 d后溫度趨于平穩(wěn)。其中，內(nèi)圈測(cè)溫點(diǎn)回路鹽水溫度普遍低于外圈，主要由于內(nèi)圈凍結(jié)孔長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于外圈凍結(jié)孔，鹽水冷溫能量損失量較少。通過上述分析可知，凍結(jié)開始后，各串聯(lián)回路中鹽水溫度分階段穩(wěn)步下降，鹽水循環(huán)正常，符合凍結(jié)設(shè)計(jì)要求。

圖4 內(nèi)外圈回路鹽水溫度隨時(shí)間變化曲線

4.4 測(cè)溫孔測(cè)溫效果分析

筆者對(duì)5個(gè)測(cè)溫孔測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)均進(jìn)行了匯總，所呈現(xiàn)的特征規(guī)律較為一致。由于篇幅所限，本文從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中選取有代表性的C4測(cè)溫孔進(jìn)行測(cè)溫效果分析。

4.4.1 不同深度土體溫度變化分析

C4測(cè)溫孔共布設(shè)7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，距槽壁分別為2.00 m、3.38 m、4.77 m、6.15 m、7.53 m、8.92 m和10.30 m。獲得不同深度土體溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。該曲線可分為以下4個(gè)階段。

圖5 C4測(cè)溫孔中各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線

1)階段Ⅰ：凍結(jié)時(shí)間為1～6 d，土層溫度由最高17.9 ℃下降到最低9.1 ℃，平均每天下降0.7～1.1 ℃。在此階段，C4-1測(cè)溫點(diǎn)溫度較低，其他不同深度的測(cè)溫點(diǎn)溫度相差不大，基本一致。

2)階段Ⅱ：凍結(jié)時(shí)間為7～15 d，土層溫度由最高11.6 ℃下降到最低-0.1 ℃，平均每天下降為1.0～1.2 ℃。在此階段，距槽壁最近的C4-1測(cè)溫點(diǎn)溫度最低，C4-2測(cè)溫點(diǎn)較其他測(cè)溫點(diǎn)溫度略低，而C4-3、C4-4、C4-5、C4-6和C4-7測(cè)溫點(diǎn)溫度相差不大。

3)階段Ⅲ：凍結(jié)時(shí)間為16～22 d，土層溫度由最高0.8 ℃下降到最低-5 ℃，平均每天下降0.16～0.47 ℃。各測(cè)點(diǎn)土層溫度下降速度明顯減緩。在此階段，C4-1溫度仍最低，在19～22 d期間急劇下降；7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度曲線逐漸呈現(xiàn)分離狀態(tài)，即不同深度的溫度逐漸出現(xiàn)差別，且距槽壁越遠(yuǎn)(深度越大)溫度越高。這主要是由于低溫鹽水先完成水平淺土層的凍結(jié)，隨著水平深度的增加低溫鹽水消耗能量越多，低溫鹽水溫度越高，凍結(jié)效果越差。因此，水平入土越深溫度越高。

4)階段Ⅳ：凍結(jié)時(shí)間為23～34 d，土層溫度由最高-1.2 ℃下降到最低-12.5 ℃，平均每天下降0.3～0.6 ℃。該階段各測(cè)點(diǎn)溫度下降速度較階段Ⅲ略有增加，總體仍然較緩。7個(gè)測(cè)溫點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律：入土越深溫度越高。其他4個(gè)測(cè)溫孔中測(cè)溫點(diǎn)溫度變化規(guī)律與C4一致，篇幅所限不在贅述。

4.4.2 凍結(jié)壁厚度和凍結(jié)壁平均溫度計(jì)算

凍結(jié)34 d后，測(cè)溫孔C4中，測(cè)點(diǎn)C4-7溫度最高，為-4.5 ℃。根據(jù)最不利原則，選取測(cè)溫點(diǎn)C4-7計(jì)算凍結(jié)壁厚度。根據(jù)凍結(jié)圓半徑公式[7]計(jì)算得到最小凍結(jié)圓柱半徑為1.1 m、最小凍結(jié)壁厚度為2.1 m(大于設(shè)計(jì)凍結(jié)壁厚度1.65 m)，滿足設(shè)計(jì)要求。

利用《建井工程手冊(cè)》凍結(jié)施工成冰公式[8]計(jì)算凍結(jié)壁平均溫度。同理，根據(jù)最不利原則對(duì)C4-7測(cè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，得凍結(jié)壁平均溫度為-10.8 ℃，滿足凍結(jié)壁設(shè)計(jì)平均溫度-10.0 ℃要求。

4.4.3 探孔溫度分析

施工方于2月12日在洞門內(nèi)圈布設(shè)了8個(gè)探孔，探孔深度均為1.1 m，打孔過程未見流水流砂。測(cè)得探孔界面測(cè)點(diǎn)最高溫度為-22.8 ℃、最低溫度為-25.5 ℃。探孔溫度低于-5 ℃，滿足探孔溫度要求。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果

凍結(jié)開始后，各串聯(lián)回路中鹽水溫度穩(wěn)步下降，鹽水循環(huán)正常，符合凍結(jié)設(shè)計(jì)要求。工程凍結(jié)34 d后，總?cè)セ芈符}水溫度分別為-31.9 ℃和-30.8 ℃，溫差1.1 ℃，滿足工程要求。最小凍結(jié)壁厚度為2.10 m，滿足工程要求的1.65 m。凍結(jié)壁的平均溫度為-10.8 ℃，滿足工程要求的-10 ℃。測(cè)得探孔界面測(cè)點(diǎn)最高溫度-22.8 ℃，最低溫度-25.5 ℃，滿足工程要求。積極凍結(jié)時(shí)間34 d，滿足工程要求。綜上所述，凍結(jié)34 d后，滿足了洞門槽壁破除及盾構(gòu)始發(fā)條件。

數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的結(jié)果表明，本次凍結(jié)效果較好，盾構(gòu)機(jī)成功實(shí)現(xiàn)接收與始發(fā)。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程的成功實(shí)踐表明，在軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件下可采用“杯型”水平凍結(jié)法加固洞門。水平凍結(jié)加固區(qū)總?cè)セ芈符}水溫度、內(nèi)外圈回路鹽水溫度和各測(cè)溫孔中測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間均存在階段性變化特征。

本文通過水平凍結(jié)溫度實(shí)測(cè)分析確定凍結(jié)34 d后已具備盾構(gòu)始發(fā)與接收條件，最終盾構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)始發(fā)與接收，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。因此可知，水平凍結(jié)法是復(fù)雜地質(zhì)條件下較好的加固新技術(shù)，在地鐵隧道工程中有良好的應(yīng)用前景。