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摘要:針對凍結法在盾構接收地層加固中的應用，提出根據(jù)地質條件及周邊環(huán)境對工程風險進行評估和分級，在此基礎上選擇合理的加固方式和措施。結合工程實例，對凍結法施工過程中可能存在施工風險及其對策從設計和施工角度分別進行了分析。

關鍵詞:凍結法，風險分級，地層加固

1概述

凍結法是目前軟土地區(qū)盾構始發(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土、承壓含水砂層的地區(qū)應用廣泛。該工法具有封水可靠、無污染、加固體承載力較高(一般單軸抗壓強度3．5MPa以上)等優(yōu)點。但由于施工質量不到位或工藝銜接不當，事故屢屢發(fā)生，尤其是盾構接收工程，例如上海軌道交通12號線某工程盾構接收位于承壓含水層，由于加固長度未包裹盾構機長度而導致涌水涌砂［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計，盾構法始發(fā)或接收引起的工程事故占盾構法隧道工程總事故量的70%以上［2，3］。針對盾構接收的風險控制，本文分別從凍結設計和施工角度進行分析并針對各風險源提出針對性的措施。

2工程風險分級與凍結法適用范圍

目前針對凍結法在盾構端頭加固中的應用尚缺乏規(guī)范類文件。本文建議根據(jù)各地區(qū)特點從工程地質條件、周邊環(huán)境等因素綜合考慮，將工程風險進行分級，在此基礎上提出加固方式與參數(shù)建議。本文根據(jù)多個地區(qū)施工經(jīng)驗，提出以下劃分方法:劃分依據(jù):1)場地環(huán)境等級;2)工程地質條件。場地環(huán)境等級劃分:根據(jù)周邊重要管線、建(構)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)境等級劃分為三級:一級(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后果很嚴重;二級(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存在周邊環(huán)境影響較大;三級(A3):管線或建筑物距離施工影響區(qū)范圍較遠(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。工程地質條件劃分:根據(jù)場地地層特點，地下水位埋深、地層滲透系數(shù)等條件綜合判定。將工程地質條件劃分為三級:一級(B1):淤泥質土，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險的地層;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(B2):除一級以外，可能存在沼氣等不良地質條件或因前期施工遺留的不利因素。三級(B3):除一級、二級以外的地層。依據(jù)以上分級確定凍結法端頭加固風險等級如表1所示。對于一級風險源的地層建議采用凍結法+鋼套筒或明洞接收確保盾構接收萬無一失，對于二級風險源地層建議根據(jù)場地條件采用凍結法施工的同時采取完備的配套風險控制措施。凍結法具有良好的封水性，加固體強度高，但對于實際地下水流速大于5m/d、有集中水流或地下水水位有明顯波動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進行凍土物理力學試驗，確定合理的平均溫度，以及凍結法的經(jīng)濟合理性。

3盾構接收風險分析及對策

本文從設計和施工兩個方面對盾構接收的風險進行分析如下。

3．1盾構接收地層加固設計

凍結法一般應用于有涌水涌砂風險的地層，加固的目的在于:1)形成具有足夠強度的凍結圓板，保證鑿除洞門圈混凝土后的安全;2)須保證在盾構接收過程中防止水土流失。對于1)，通過對凍結圓板的強度進行力學驗算保證。圖1為凍結壁計算模型，在凍結壁達到設計厚度且盾構機到達盾構接收端頭附近時，需將洞門鋼圈范圍內(nèi)的圍護結構鑿除，這時凍結壁成為鋼圈范圍內(nèi)地層水土壓力的主要承載結構，其受力驗算可按圓板中心所受的最大彎曲應力計算公式進行驗算。對于第一條，采用水平凍結施工方案，在外圈凍結孔間距合理的情況下一般可以予以保證，同時應注意采取車站內(nèi)襯墻處的保溫措施。對于第二條，要求外圈凍結壁長度應能包裹整個盾構機外殼，且超出至少1環(huán)～2環(huán)的距離，以便在盾構機尾部設置止?jié){墊。否則，水土容易通過盾構機與凍結加固體間隙涌入車站內(nèi)。除以上凍結施工措施外，一般在風險較大的地層配套使用鋼套筒或明洞接收方案進行，以實現(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，以確保盾構接收的安全。采用鋼套筒或明洞接收時凍結壁的主要作用在于確保鑿洞門的安全，這時水平凍結長度可不包裹盾構機外殼。也可采用垂直凍結施工工藝，即從地面向下打設凍結管。但對于采用旋噴樁等施工工藝的圍護結構的車站應特別注意封堵圍護結構與車站內(nèi)襯間可能存在的過水通道。

3．2盾構接收凍結加固風險分析與對策

盾構接收風險控制主要在于對地層涌水涌砂風險的控制，除3．1節(jié)提及的設計上的保證措施外，施工中應根據(jù)實際情況做到精細化施工，排查各種可能的風險源并積極采取對策。本文根據(jù)實際工程案例總結，對凍結法盾構接收的主要風險點及對策歸納如下:第一方面:地層風險。由于地勘資料存在未勘察到的軟弱夾層、過水通道、暗浜等不良地質條件或施工前期采用聚氨酯等材料進行過搶險施工，導致隔熱的聚氨酯等材料遺留在地層中對凍結法施工造成影響;周邊河流或基坑降水施工影響，導致存在大于5m/d的地下水流，易導致凍結壁不交圈。對策:在凍結設計前及施工前都應準確了解施工場地地質和現(xiàn)場條件，準確分析不利于凍結法地層加固的風險因素，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過程中可能導致地層涌水涌砂，導致地層水土流失，地面沉降，危及周邊環(huán)境安全。對策:對有涌水涌砂風險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)，對于粉細砂或淤泥質地層，水土仍然有可能通過密封裝置的縫隙涌出，這時可選擇采用夯管法施工工藝或采取保壓鉆進施工工藝。發(fā)生水土流失時應及時通過孔口管上的旁通閥注入水泥水玻璃雙漿液補償?shù)貙訐p失，注漿量依據(jù)地層流失量確定。圖3孔口密封裝置安裝示意圖地層圍護結構車站內(nèi)襯結構膨脹螺絲孔口管閘閥孔口裝置鉆桿小閘閥2)孔口裝置脫落。對策:為防止孔口裝置脫落，開孔時在孔口管上打設魚鱗扣并纏繞麻絲夯入孔口。每個孔口管應至少保證不少于3根M20膨脹螺絲或植筋固定在車站內(nèi)襯墻上。第三方面:凍結期。1)鹽水漏失，影響凍結效果。對策:凍結過程中，加強鹽水液位監(jiān)測。配備液位報警器，實時監(jiān)測液位變化，發(fā)現(xiàn)鹽水漏失，要迅速查清組號并關閉相應組閥門，向原凍結管內(nèi)下放套管繼續(xù)凍結。要立即查明原因，并對鹽水對地層凍結的影響進行評估，并采取措施補救。凍結管應盡量減少接頭數(shù)量，對于長度小于8m的凍結管，盡量不設置接頭。設置接頭的位置應盡量避開地層變化處。2)測溫孔溫度降低緩慢，超過凍結時間仍然不能滿足凍結壁設計要求。對策:排查以下可能:a．是否地下水流速過大導致冷量損失;b．是否凍結加固前不久進行過旋噴加固等水泥系加固措施。對于a．應排查是否為周邊基坑開挖等降水施工或開采地下水導致的，或為地層本身存在暗流等原因，針對性地采取措施應對;對于b．，凍結法施工應在水泥系加固水化熱消散后進行。排除以上兩點可能性后，檢查凍結系統(tǒng)局部或整體供冷量是否滿足設計要求，局部凍結系統(tǒng)不滿足時提高局部管路鹽水供給，整體不滿足時應檢查冷凍系統(tǒng)，提高單位時間制冷量。第四方面:盾構接收期間。1)臨時停電，危及凍結安全。對策:a．每天定時檢查電纜、配電箱等供電電纜及設備安全情況;b．拔管及盾構接收過程中保證雙路電源，一用一備，可及時切換;c．一旦停電，需最短時間恢復凍結;d．專人負責，加強凍結用電安全檢查，及時排除安全隱患。2)盾構機凍住。對策:a．在盾構機通過凍結壁的過程中，盾構機端部刀盤應保持轉動狀態(tài)，當必須停止時，應在每間隔10min左右轉動一次;b．現(xiàn)場備用一臺蒸汽機，以備盾構凍住后蒸汽解凍。3)地下水有可能從盾殼與凍土之間間隙涌出。對策:a．在盾構機尾部凍結壁長度范圍內(nèi)設置止?jié){墊(環(huán)箍)，并在洞門鋼環(huán)上設置止水裝置。b．進洞過程中密切觀察現(xiàn)場情況，一旦有險情及時發(fā)現(xiàn)并立即采取措施。

4盾構接收凍結法施工案例

上海地鐵17號線中國博覽會北站—虹橋火車站區(qū)間盾構接收水平凍結加固工程，地面標高+5．1m，隧道中心線標高－10．303m。設計在虹橋火車站西端頭井接收。盾構接收區(qū)域內(nèi)地層主要有③灰色淤泥質粉質黏土、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)生風險后果不堪設想，必須確保萬無一失。故設計采用水平凍結法+鋼套筒組合接收。施工流程圖如圖4所示。盾構進洞共布置59個水平凍結孔。進洞口中心布置1個凍結孔，進入土層深度1．8m，從進洞口中心向外布置3圈凍結孔。第1圈圈徑2．90m，孔數(shù)8個，孔間距1．1m，進入土層深度1．8m;第2圈圈徑5．70m，孔數(shù)16個，孔間距1．112m，進入土層深度1．8m;第3圈圈徑8．4m，孔數(shù)34個，孔間距0．8m，進入土層深度2．8m。凍結時間設計30d。盾構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入土層，探孔顯示土體干硬，實測凍土與地連墻表面溫度最高－5．6℃，滿足設計要求。洞門鑿除后對鋼套筒進行填料、加壓封閉。隨后盾構順利接收。施工過程中順利，未發(fā)生風險。

5結語

作為盾構區(qū)間風險集聚的部位，盾構接收一直是地鐵盾構施工領域施工技術和管理人員最為關注的方面之一。而凍結法在國內(nèi)軟土地區(qū)的盾構接收地層加固中得到了廣泛使用，但由于相關管理或技術經(jīng)驗的不足，各種風險和事故時有發(fā)生。本文根據(jù)多年相關施工經(jīng)驗總結了凍結法施工中可能存在的部分施工風險并針對性地提出了對策。風險控制最重要的是防患于未然，施工中應從每個環(huán)節(jié)上進行把關，盡量降低風險的概率。

參考文獻:

［1］楊勇．微承壓水地層中盾構進洞洞門密封與封堵技術［J］．地下空間與工程學報，2011(10):1479-1484．

［2］張鳳祥，朱合華，傅德明．盾構隧道［M］．北京:人民交通出版社，2004．

［3］王天明，戴志仁．盾構法隧道端頭井地層加固方法及其應用研究［J］．鐵道工程學報，2014(8):90-95．

［4］GB50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)

作者：孔令輝單位：北京中煤礦山工程有限公司