牛冬春，夏曉娟，劉 肖

（1.徐州市水利工程建設(shè)管理中心，江蘇徐州 221000；2.徐州市水利工程運行管理中心，江蘇徐州 221000）

徐州市區(qū)沈場立交泵站擴建工程為2023 年度積水點治理工程，在泵站進水管基坑施工中，首次采用了凍結(jié)加固技術(shù)。凍結(jié)加固技術(shù)是利用人工制冷的方法，將低溫冷煤送入地層，把需要開挖的地層土體凍結(jié)成封閉的連續(xù)凍土墻，以抵抗土壓力并隔絕地下水的一種地層加固方法。凍結(jié)加固技術(shù)適應(yīng)性強、強度高、隔水性好、復原性高，已成為加固土體、處理地下水的主要方法。本文將以徐州市區(qū)沈場立交泵站擴建工程為例，通過凍結(jié)設(shè)計、觀測凍結(jié)帷幕厚度、凍脹融沉控制和監(jiān)測分析總結(jié)分析凍結(jié)加固技術(shù)在城市排水工程中的應(yīng)用情況。對工程中可能出現(xiàn)的問題，如凍結(jié)孔施工過程中塌孔、凍結(jié)管滲漏等提出應(yīng)對措施。

1 工程概況

沈場立交泵站始建于1986 年、2003 年、2015 年分別進行了改造提升，安裝潛污泵3臺套，總設(shè)計流量0.6 m3/s。從近幾年運行效果及排查情況看，泵站存在進水管塌陷錯節(jié)、排澇能力不足等問題。本次擴建工程主要通過改造地道收水篦子、泵站進水管、泵站擴容（1.64 m3/s）、新建壓力出水管、地道內(nèi)現(xiàn)有管道清淤等提高泵站收水、排水能力，解決沈場立交積水問題。其中，沈場立交泵站進水管施工主要內(nèi)容為將塌陷的泵站進水管挖除重新埋設(shè)DN1500 鋼管接入泵站，鋼管與現(xiàn)狀箱涵通過扇形銜接井進行連接，進水管基礎(chǔ)采用壓密注漿加固基礎(chǔ)，鋼管采用鋼筋混凝土包封。

進水管基坑開挖東西向長度10.2 m，南北向長度7～15 m，基坑開挖深度8.95 m。進水管施工范圍內(nèi)地層從上至下為：①粉土，②粉土夾黏土層，③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④粉質(zhì)黏土，④-1 粉土，④粉質(zhì)黏土，⑤粉砂。主要含水層為第①、②層粉土和⑤層粉砂，結(jié)構(gòu)松散，透水性中等，富水性較好。

因地層以粉土、粉砂土為主，且泵站靠近隴海鐵路及徐州地鐵2 號線，為確保開挖過程中土體穩(wěn)定，減少對鐵路及地鐵的擾動，經(jīng)設(shè)計及專家論證，采用冷凍法加固。

2 凍結(jié)方案設(shè)計

2.1 凍結(jié)加固設(shè)備選型

（1）凍結(jié)管、測溫管和供液管規(guī)格：凍結(jié)管選用Φ108×8 mm 20#低碳鋼無縫鋼管，供液管選用Φ48×3.0 mm 鋼管，測溫管選用Φ108×8 mm 20#低碳鋼無縫鋼管。

（2）打鉆設(shè)備選型：鉆機選用MD-135A 型鉆機2臺，泥漿泵選用BW-250型1臺。

（3）凍結(jié)站制冷設(shè)備選型：制冷設(shè)備選型需對具體的需冷量進行計算［1］，需冷量計算公式為

式中：Q需為需冷量；d為凍結(jié)管直徑，d=0.108 m；H為凍結(jié)管長度，Φ108凍結(jié)區(qū)總長度取1 900 m；K凍結(jié)管的散熱系數(shù)，取250 kcal/（m2·h）。經(jīng)計算，Q需為16.1×104kcal/h。

因凍結(jié)站距離凍結(jié)區(qū)約25 m，所以凍結(jié)管冷量損失忽略不計。按照設(shè)計要求，選用TSLC100.1BFD螺桿機組2臺（設(shè)計工況制冷量12.9×104kcal/h），滿足制冷需求。結(jié)合工程具體情況，最終選擇的施工設(shè)備型號和數(shù)量詳見表1。

表1 凍結(jié)加固施工設(shè)備

2.2 凍結(jié)孔布置方案

（1）凍土強度的設(shè)計指標為：抗壓不小于3.6 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa（-10 ℃）；凍結(jié)帷幕設(shè)計指標為：凍結(jié)壁厚度東西側(cè)為2.5 m，南北側(cè)為2.0 m，凍結(jié)深度11.3 m。

（2）根據(jù)凍結(jié)帷幕設(shè)計及構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)［2］，東西側(cè)凍結(jié)孔為垂直孔，南北側(cè)為斜孔，兩種角度布置在開挖范圍的四周。傾斜凍結(jié)孔54個，垂直凍結(jié)孔66個，雙排布置，排間距0.9 m，孔間距0.9 m，傾斜孔與水平地面夾角64.2°。在四周薄弱處布置8 個測溫孔以監(jiān)測凍結(jié)壁厚度、凍結(jié)壁平均溫度、開挖區(qū)附近地層凍結(jié)情況?？筛鶕?jù)現(xiàn)場情況調(diào)整測溫孔數(shù)量、位置和角度［3］。凍結(jié)施工參數(shù)及平面布置詳見表2。

表2 凍結(jié)施工參數(shù)匯總

2.3 凍結(jié)孔施工

（1）跟管鉆進施工工藝。凍結(jié)管即為鉆桿，采用MD-135A鉆機將凍結(jié)管鉆入地層指定位置。

（2）凍結(jié)孔施工工序。凍結(jié)孔測量定位，鉆機安裝和找正，按設(shè)計角度和深度打設(shè)，斜側(cè)測深和試壓，下放供液管。

（3）鉆孔質(zhì)量控制。鉆孔的單孔偏斜應(yīng)控制在150 mm 以內(nèi)（成孔終孔間距不大于1.3 m），否則應(yīng)補孔；凍結(jié)孔有效深度應(yīng)不小于設(shè)計深度；凍結(jié)管長度和偏斜合格后需進行打壓試漏，壓力控制在不低于0.8 MPa，前30 min 壓力損失小于0.05 MPa，后15 min壓力穩(wěn)定無變化者為試壓合格［4］。試壓不合格的，可拔出凍結(jié)管進行重新鉆孔，或下套管進行處理。

3 凍脹與融沉控制

3.1 凍結(jié)卸壓

土體凍結(jié)過程中會產(chǎn)生一定的凍脹壓力，為減小凍結(jié)施工對構(gòu)筑物的影響，基坑內(nèi)凍結(jié)壁附近未凍土中兩側(cè)各布設(shè)了2 個卸壓孔，采用鋼管制作成花管形式，當凍脹壓力超過地層原始壓力0.2 MPa時，通過釋放泥水卸壓消散凍脹力，可有效釋放凍脹壓力。

3.2 融沉注漿

凍土融化后地面標高可能略低于原始地面標高，為減少融沉量，當停止凍結(jié)后地面單日沉降大于0.5 mm 或累計沉降大于1 mm 時，需對凍結(jié)土層進行融沉注漿。注漿過程中應(yīng)遵照“多點、少量、多次、均勻”的原則，并根據(jù)地面監(jiān)測點沉降和解凍溫度場的監(jiān)測，適時調(diào)整注漿量和注漿時間間隔，確保沉降穩(wěn)定［3］。

沈場立交泵站進水管工程融沉注漿主要采用單液水泥漿，輔助使用C-S雙液漿，單液漿水泥等級強度為P.0 42.5 級，水灰比為1∶0.8～1∶1；雙液漿水泥等級強度為P.0 42.5 級，水玻璃為35～42°Be，將配好的水泥漿液和水玻璃漿液按照1∶1 混合注入。注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿流量宜控制在15～20 L/min，注漿總量一般參照凍土融化體積的15%計算，單孔單次注漿量根據(jù)注漿壓力控制，單孔單次注漿量不大于1 m3。融沉注漿是一個持續(xù)過程，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)而定，實測地層沉降一個月每半個月不大于0.5 mm，即可停止融沉補償注漿。

4 凍結(jié)監(jiān)測

為確保施工安全及凍結(jié)施工對周邊環(huán)境影響最小化，項目進水管理人員自土方開挖施工起持續(xù)對凍結(jié)系統(tǒng)、地層以及周邊環(huán)境進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工方案。

4.1 凍結(jié)監(jiān)測內(nèi)容

（1）凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容包括：凍結(jié)器去/回路鹽水溫度、冷卻循環(huán)水進/出水溫度、冷凍機吸/排氣溫度、清水泵/鹽水泵工作壓力及冷凍機吸/排氣壓力等。

（2）凍結(jié)帷幕監(jiān)測，主要監(jiān)測凍結(jié)帷幕溫度場。

（3）周邊環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括：地表沉降(基坑周邊20 m 范圍內(nèi)東南西北4 個方向)監(jiān)測及周邊建筑物（建筑物東側(cè)及南側(cè)）差異沉降監(jiān)測。

4.2 凍結(jié)監(jiān)測方法及頻率

（1）凍結(jié)系統(tǒng)：制冷系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)的工作壓力，直接通過系統(tǒng)上安裝的壓力表量測，2～3 h量測1次。制冷系統(tǒng)和鹽水系統(tǒng)的溫度通過安裝的溫度計直接讀取或用測溫儀量測，2～3 h量測1次。

（2）凍結(jié)帷幕：在測溫孔內(nèi)安裝康銅線熱電偶，使用測溫儀量測凍結(jié)帷幕溫度。凍結(jié)帷幕幫壁溫度使用高精度點溫計或用精密水銀溫度計測量，監(jiān)測頻率每天1～3 次，當出現(xiàn)工作面溫度過高等不利情況時，監(jiān)測頻率為2 h監(jiān)測1次。

（3）周邊環(huán)境監(jiān)測：根據(jù)設(shè)計文件要求，本基坑為二級基坑。為保證圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全，結(jié)合該工程的特點、現(xiàn)場情況及周邊環(huán)境，主要監(jiān)測內(nèi)容有：基坑邊坡頂部水平、垂直位移；基坑周邊構(gòu)筑物沉降水平。監(jiān)測頻次見表3。

表3 監(jiān)測頻次

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

4.3.1 冷凍系統(tǒng)

沈場立交泵站進水管工程凍結(jié)孔施工開始于2023 年3 月6 日，4 月6 日全部完成。冷凍機于4 月12 日開始正式運轉(zhuǎn)，開機后溫度迅速下降，4 月18日（凍結(jié)7 d）鹽水溫度去、回路溫度達到-25 ℃以下，到4月26日（凍結(jié)15 d）鹽水去路溫度已達到-28 ℃以下，滿足開挖要求［2］。后期鹽水溫度基本維持在-30 ℃左右，去回路溫差為1 ℃，滿足設(shè)計要求。

冷凍機吸/排氣溫度、清水泵/鹽水泵工作壓力及冷凍機吸/排氣壓力等均無異常情況發(fā)生。

4.3.2 凍結(jié)帷幕

根據(jù)施工資料及施工現(xiàn)場實際情況來看，凍土最慢發(fā)展速度為34.1 mm/d。以最慢發(fā)展速度到5月8日凍結(jié)27 d計算凍土發(fā)展半徑r為920.7 mm，凍結(jié)帷幕量算的最薄有效厚度為2 508 mm，滿足設(shè)計的大于2 500 mm要求，因此凍結(jié)帷幕厚度已滿足設(shè)計要求［5］。

4.3.3 周邊環(huán)境監(jiān)測

根據(jù)現(xiàn)場實際監(jiān)測情況，整個基坑施工過程中數(shù)據(jù)累計值都未超過報警值，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且未出現(xiàn)陡沉情況，見表4～5。

表4 基坑坡頂豎向位移及水平位移統(tǒng)計

表5 周邊建筑物豎向位移及水平位移統(tǒng)計

由表4～5可知，基坑穩(wěn)定性實測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，沒有突發(fā)情況。

5 結(jié)論及建議

徐州市區(qū)沈場大溝立交泵站進水管基坑經(jīng)過近90 d的凍結(jié)施工，順利完成基坑開挖及進水鋼管的施工，既保證了施工質(zhì)量及進度，又確保了基坑及周邊建筑物的安全，也未對臨近鐵路及地鐵產(chǎn)生擾動。事實證明，當常規(guī)基坑開挖及支護方法對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響較大時，采用凍結(jié)加固技術(shù)是行之有效的，可在其他類似工程中推廣應(yīng)用。幾點建議如下：

（1）根據(jù)需冷量選擇合適的凍結(jié)加固設(shè)備及凍結(jié)施工方案，可以最大限度地發(fā)揮凍結(jié)效果。

（2）凍結(jié)管施工完成后，需進行打壓試驗。同時，需做好凍結(jié)管斷裂及滲漏的應(yīng)急處理。若出現(xiàn)斷管或滲漏現(xiàn)象，及時關(guān)閉該管路的鹽水供應(yīng)，對漏出的鹽水進行必要的處理，并在斷管中下套管，盡快恢復凍結(jié)，以免影響前期凍結(jié)效果。

（3）凍結(jié)過程中，嚴格按照監(jiān)測方案加強對凍結(jié)系統(tǒng)、周邊建筑物及基坑進行監(jiān)測，確保施工安全。