丁德江 李 哲

（1．南京第一建設(shè)事務(wù)所有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000；2．南京同力建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

垂直凍結(jié)法起源于礦井建設(shè)工程，廣泛應(yīng)用于全球的城市地下工程中[1]。該技術(shù)主要作為一種高效且可靠的地下防水方法，在較短時(shí)間內(nèi)，可以創(chuàng)建強(qiáng)度高、完全封閉的凍土帷幕，對(duì)地質(zhì)不良地層的水分、土質(zhì)以及應(yīng)力等影響因素進(jìn)行有效管控。在盾構(gòu)始發(fā)和接收階段，處理含水量較高的粉砂層時(shí)，由于洞口土體復(fù)雜和地質(zhì)狀況的不確定性，因此風(fēng)險(xiǎn)控制尤為重要。雖然采用三軸攪拌樁技術(shù)強(qiáng)化洞口土體，但無法保證強(qiáng)化的均勻性和密實(shí)度，可能會(huì)導(dǎo)致洞口部分存在弱點(diǎn)。在開洞門的過程中，采用垂直凍結(jié)法對(duì)地層風(fēng)險(xiǎn)方面有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅能增強(qiáng)洞口的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度，還能為地下工程地層風(fēng)險(xiǎn)的管控提供有效的應(yīng)對(duì)策略。因此，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，在處理含水量較高的粉砂層盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中，系統(tǒng)梳理和總結(jié)垂直凍結(jié)法的施工關(guān)鍵點(diǎn)。

1 工程概述

1.1 工程概況

該工程是服務(wù)于江北新區(qū)核心區(qū)和橋北居住密集區(qū)的污水輸送主干管工程，服務(wù)面積為42km2。該工程包括盾構(gòu)工程、頂管工程、頂管井、盾構(gòu)井以及污水泵站等。盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)為10.88km，埋深約為15～25m，盾構(gòu)內(nèi)直徑為2500mm，外直徑為3000mm，設(shè)置6座盾構(gòu)井，盾構(gòu)井?dāng)M采用開挖施工，支護(hù)方式為地下連續(xù)墻，工程末端位于橋北污水處理廠北側(cè)，配建一座40萬m3/d污水泵站。工程共投資10.2億元。

1.2 施工環(huán)境

該工程中有許多井位，其中一些與現(xiàn)有的房屋、道路、橋墩和長(zhǎng)江大堤等建構(gòu)筑物距離較近，線路地表環(huán)境影響控制較為嚴(yán)苛且項(xiàng)目地處長(zhǎng)江漫灘，受地下高承壓水、粉細(xì)砂層穩(wěn)定性影響，給盾構(gòu)始發(fā)和接收過程中的洞門施工帶來非常大的風(fēng)險(xiǎn)。由于沉降控制要求較高，富水粉細(xì)砂地層自立性差，因此在施工過程中采用凍結(jié)法對(duì)端頭進(jìn)行加固。

1.3 水文地質(zhì)條件

該工程線路總體位于長(zhǎng)江北側(cè)，最近的井位與長(zhǎng)江大堤僅距離50m，屬于長(zhǎng)江漫灘的地貌單元。盾構(gòu)始發(fā)主要經(jīng)過的地層包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土以及粉細(xì)砂，地層具有典型軟土層的地質(zhì)特性。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和松散巖類孔隙承壓水，其中孔隙承壓水在長(zhǎng)江河道區(qū)域內(nèi)與江水直接相連。粉細(xì)砂層是主要的含水介質(zhì)，其厚度較大、滲透性較好以及賦水性優(yōu)秀。含水介質(zhì)主要為粉細(xì)砂，該層厚度大、滲透性好及賦水性好。地下水位埋深在地下6.23m處，綜合滲透系數(shù)k=2871×10-6cm/s。

2 冷凍加固要求

2.1 凍結(jié)壁的功能

該工程盾構(gòu)始發(fā)和接收洞門位于易產(chǎn)生涌水涌砂現(xiàn)象的含水砂層中。為降低相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，采用“三軸攪拌樁+垂直凍結(jié)”的復(fù)合策略加固地基。具體加固地基方案如下：加固土體，采用直徑為850mm，間隔為600mm的三軸攪拌樁加固。在槽壁加固與地下墻接縫處，額外補(bǔ)充一排直徑為850mm，間隔為600mm的旋噴樁加固。三軸攪拌樁的縱向加固長(zhǎng)度定為14m，加固盾構(gòu)隧道上、下、左、右各3m的區(qū)域。進(jìn)行垂直凍結(jié)，其中凍結(jié)壁的厚度定為2m，加固深度從地面延伸至隧道洞門下2m。確保洞門地段地質(zhì)的穩(wěn)定性。

工作井及泵站工作井共設(shè)置12個(gè)洞門垂直冷凍，加固示意如圖1所示。

圖1 凍土加固體（單位：mm）

該工程為垂直板型凍結(jié)，用于止水，無承載要求，地面具備加固條件。

2.2 確定凍結(jié)壁厚度

洞門四周工作井井壁封水的I類凍結(jié)壁，應(yīng)保持洞門四周的封水區(qū)域在負(fù)溫狀態(tài)，封水區(qū)域凍土與圍護(hù)結(jié)構(gòu)交界面的平均溫度不應(yīng)高于-5℃，I類凍結(jié)壁洞門四周隧道徑向封水區(qū)域不應(yīng)＜2m。不需要根據(jù)承載力計(jì)算確定凍結(jié)壁厚度，為保證冷凍效果，冷凍壁厚度選為2m。

2.3 制冷機(jī)組選型及配置

2.3.1 凍結(jié)需冷量

計(jì)算需冷量，如公式（1）所示。

式中：H為凍結(jié)總長(zhǎng)度，m；D為凍結(jié)管直徑，取0.089m；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)，取300Kcal/m2h。

根據(jù)精確計(jì)算需冷量，每個(gè)洞門選用兩套170WDEDD型螺桿冷凍機(jī)組（一套備用）。在規(guī)定工況下，每臺(tái)螺桿機(jī)組的制冷量為135000Kcal/h，功率為136kW。

2.3.2 輔助設(shè)備配置

根據(jù)冷凍系統(tǒng)的性能，選擇以下輔助設(shè)備：IS125-100～200型鹽水循環(huán)泵2臺(tái)，其流量為200m3/h，電機(jī)功率為30kW。IS125-100～200C型冷卻水循環(huán)泵2臺(tái)，其流量為200m3/h，電機(jī)功率為15kW。選擇80RT型冷卻塔2臺(tái)，可以提供15m3/h的新鮮水補(bǔ)給。

2.3.3 管道規(guī)格與材料

各類管道的規(guī)格和材料選擇如下：1）選用規(guī)格為φ89mm×8mm的凍結(jié)管，20#低碳鋼無縫鋼管，在垂直凍結(jié)中采用外接箍連接，手動(dòng)電弧焊接，每根的長(zhǎng)度為6～8m。2）垂直凍結(jié)測(cè)溫孔管為φ48mm×3mm鋼管。3）垂直凍結(jié)供液管的規(guī)格為φ48mm×3mm鋼管，連接方式為焊接。4）鹽水主管和集配液圈為φ159mm×4.5mm鋼管。5）冷卻水管道采用φ127mm×4.5mm鋼管。

3 凍結(jié)施工

3.1 參數(shù)選擇

施工參數(shù)見表1。

表1 凍結(jié)法施工參數(shù)

3.2 凍結(jié)施工過程

3.2.1 鉆孔與下管工作

選用1臺(tái)XY-200型鉆機(jī)鉆孔，打設(shè)2排19個(gè)凍結(jié)孔，5個(gè)測(cè)溫孔，采用梅花型布置，第一排10個(gè)，第二排9個(gè)。第一排凍結(jié)孔距離地連墻邊400mm，孔間距800mm，第二排凍結(jié)孔距離地連墻邊1400mm，孔間距800mm。

鉆完孔后，用測(cè)斜儀對(duì)每個(gè)成孔進(jìn)行測(cè)斜，最大偏斜控制在200mm內(nèi)，不宜內(nèi)偏，傾斜超限須在間距較大的位置補(bǔ)設(shè)冷凍孔。

成孔管內(nèi)注清水后進(jìn)行凍結(jié)管密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力在0.8MPa以上，前30min壓力下降不超過0.05MPa，后15min壓力無變化為合格。

在已完成的孔管內(nèi)注入清水，測(cè)試凍結(jié)管的密封性。在此過程中，將試驗(yàn)壓力維持在0.8MPa以上。若試驗(yàn)初期30min內(nèi)，壓力下降幅度不超過0.05MPa且在后續(xù)15min試驗(yàn)壓力保持穩(wěn)定，可判定該凍結(jié)管的密封性測(cè)試達(dá)標(biāo)。

以上作業(yè)均合格后下放冷凍管。

3.2.2 供液管的施工

采用φ48mm×3mm鋼管焊接對(duì)接作為供液管，焊接長(zhǎng)度比凍結(jié)管長(zhǎng)約300mm，先放至冷凍管內(nèi)，然后通過供液管對(duì)凍結(jié)管進(jìn)行清洗，直至流出清水。凍結(jié)管每1～3根串聯(lián)，接入冰水外循環(huán)管路。

3.2.3 一用一備設(shè)備連接

為確保凍結(jié)站穩(wěn)定運(yùn)行和應(yīng)對(duì)潛在的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，凍結(jié)站采用2套冷凍機(jī)組，其中一套用于洞門凍結(jié)，另一套作為備用。兩套冷凍設(shè)備各循環(huán)區(qū)域聯(lián)分別連接成整體且考慮隨時(shí)切換替代運(yùn)行的可能性。設(shè)備系統(tǒng)包括冷卻水管路及設(shè)備、冰水內(nèi)循環(huán)管路及設(shè)備和冰水外循環(huán)管路及設(shè)備。各設(shè)備的布置形式以及管路連接如圖2所示。

圖2 垂直冷凍工藝運(yùn)行示意圖

該設(shè)計(jì)方案的重要性和優(yōu)勢(shì)如下：當(dāng)一套設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以隨時(shí)切換至備用設(shè)備，使凍結(jié)站連續(xù)運(yùn)行。凍結(jié)設(shè)備包括冷卻水管路及設(shè)備、冰水內(nèi)循環(huán)管路及設(shè)備和冰水外循環(huán)管路及設(shè)備。這種劃分方法能保證冷卻系統(tǒng)完整。冷卻水管路及設(shè)備提供凍結(jié)站需要的冷卻介質(zhì)，并通過連接凍結(jié)設(shè)備散熱。冰水內(nèi)循環(huán)管路及設(shè)備負(fù)責(zé)內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)的冷卻和供應(yīng)。冰水外循環(huán)管路及設(shè)備用于與外部系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，控制冷凍站的溫度。

3.2.4 打設(shè)洞門探孔

在洞門地連墻破除前，在洞門的上、中、下、左、右、左上、左下、右上和右下處用開孔機(jī)分別打9個(gè)φ3cm探孔，打穿地連墻，探孔進(jìn)入凍土內(nèi)深度在5～10cm。采用高精度的溫度計(jì)或測(cè)溫儀測(cè)量，各探孔實(shí)測(cè)溫度必須低于-5℃。

3.2.5 鑿除地連墻

凍結(jié)35d后可進(jìn)行部分破壁，在部分破壁的過程中，如果發(fā)現(xiàn)有滲水點(diǎn)，要及時(shí)封堵，防止水土流失，影響凍土墻交圈。如果未發(fā)現(xiàn)異常情況，可直接進(jìn)入下一層破壁。

全部清除地連墻混凝土后，盾構(gòu)機(jī)靠上洞門，刀盤鼻尖與凍土表面應(yīng)距離20cm，防止因刀盤對(duì)土體的擠壓鑿除而導(dǎo)致拔管困難。然后開始拔除凍結(jié)管。

盾構(gòu)機(jī)穿越凍結(jié)區(qū)的停留時(shí)間不宜過長(zhǎng)，當(dāng)拼裝管片或發(fā)生故障時(shí)，刀盤應(yīng)始終保持轉(zhuǎn)動(dòng)，以防刀盤凍死。

3.2.6 拔管及回填

當(dāng)盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)時(shí)，開始拔除隧道內(nèi)的冷凍管，在盾構(gòu)機(jī)下穿的過程中，繼續(xù)凍結(jié)其余冷凍管。在盾構(gòu)始發(fā)或接收完成，洞門臨時(shí)封堵合格后拔除剩余冷凍管。管道拔除操作可以在24h內(nèi)完成，凍結(jié)器中，當(dāng)用熱鹽水循環(huán)融化周圍的凍土厚度達(dá)到50mm～80mm時(shí)，開始拔管。在垂直凍結(jié)孔拔除后用M10砂漿及時(shí)充填。

3.2.7 融沉控制

根據(jù)測(cè)溫孔測(cè)溫結(jié)果和隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果配合進(jìn)行融沉注漿施工。注漿的順序從隧道底部轉(zhuǎn)移到隧道兩側(cè)，最后是隧道頂部。

融沉注漿主要為單液水泥漿，最后一次注漿可以選用水泥-水玻璃雙液漿。原則是少量、多次且保持均勻，注漿壓力≤0.5MPa。水泥-水玻璃雙液漿的配比為7∶1（體積比），其中水泥漿的水灰比為1∶1。

當(dāng)單日地層沉降值超過0.5mm，或累計(jì)地層沉降值超過3mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行融沉補(bǔ)償注漿。一旦地層隆起值達(dá)到3mm，應(yīng)立即暫停注漿作業(yè)。

凍結(jié)壁完全融化且實(shí)測(cè)地面沉降持續(xù)一個(gè)月且每半個(gè)月≤0.5mm可停止融沉補(bǔ)償注漿。

4 凍結(jié)作業(yè)

4.1 試運(yùn)轉(zhuǎn)與積極凍結(jié)

設(shè)備安裝完畢后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行。在這個(gè)階段，根據(jù)工藝規(guī)程和設(shè)計(jì)要求，實(shí)時(shí)調(diào)整壓力、溫度等關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，確保機(jī)組在指定的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。在凍結(jié)流程中，須每天檢測(cè)鹽水的溫度、流量以及凍土壁的擴(kuò)展?fàn)顩r，以便必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。確定凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行正常后可進(jìn)入積極凍結(jié)階段。

在積極凍結(jié)階段，根據(jù)每個(gè)分支回路的鹽水溫度調(diào)整閥門流量，保證各分支回路的鹽水溫度誤差在1℃內(nèi)。每日檢測(cè)測(cè)溫孔的溫度，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析凍結(jié)壁的擴(kuò)展速度和厚度，以預(yù)測(cè)凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度的時(shí)間。如果溫度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就適當(dāng)延長(zhǎng)積極凍結(jié)的時(shí)間。

凍結(jié)效果的性能由第三方專業(yè)單位出具溫度監(jiān)測(cè)分析報(bào)告。

4.2 維護(hù)凍結(jié)

凍結(jié)壁的實(shí)測(cè)溫度和厚度符合設(shè)計(jì)預(yù)期后，應(yīng)打設(shè)探孔以確認(rèn)無泥水冒出，若此時(shí)盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)進(jìn)出洞位置，可進(jìn)行維護(hù)凍結(jié)，但維護(hù)凍結(jié)鹽水溫度不應(yīng)高于-25℃。待盾構(gòu)機(jī)完全進(jìn)出洞后可停止凍結(jié)。

5 凍結(jié)加固情況計(jì)算

5.1 凍結(jié)壁發(fā)展速度及凍結(jié)壁厚度

凍結(jié)圓柱半徑計(jì)算如公式（2）所示。

凍結(jié)壁厚度計(jì)算如公式（3）所示。

式中：t1為回路鹽水溫度；r為測(cè)溫孔離凍結(jié)管的距離；r1為凍結(jié)管內(nèi)半徑；t為測(cè)溫孔溫度；l為凍結(jié)孔間距；D為第一排凍結(jié)管到地下連續(xù)墻的距離；L為凍結(jié)管排間距。

根據(jù)測(cè)溫孔中溫度最高點(diǎn)位的溫度數(shù)值，計(jì)算最小凍結(jié)圓柱半徑及凍結(jié)壁厚度，判斷凍結(jié)壁是否符合要求。

5.2 凍結(jié)壁的平均溫度

由于以往的成冰公式僅適用于單排凍結(jié)管平均溫度的計(jì)算，該工程采用雙排凍結(jié)管進(jìn)行垂直凍結(jié)，因此不適用于該工程。

目前采用等效模型的計(jì)算公式計(jì)算凍結(jié)平均溫度，如公式（4）所示。

式中：ξ為最近凍土帷幕邊緣距離；tcp為凍結(jié)壁平均溫度；n為凍結(jié)管排數(shù)；L為凍結(jié)孔排距；l為凍結(jié)管間距；tc為凍結(jié)管溫度；r0為凍結(jié)管外半徑。

凍結(jié)管溫度tc可取回路鹽水溫度，ξ取0.88m，須考慮地連墻對(duì)凍結(jié)帷幕的影響。計(jì)算凍結(jié)壁的平均溫度，可以用于判斷凍結(jié)壁是否滿足工程需求。

6 效果評(píng)價(jià)

凍結(jié)完成后應(yīng)認(rèn)真做好凍結(jié)效果評(píng)價(jià)，以判斷凍結(jié)的可靠性，見表2。

表2 凍結(jié)效果評(píng)價(jià)表

表2中5項(xiàng)指標(biāo)全部達(dá)標(biāo)后，可基本判斷豎向凍結(jié)效果滿足要求。在項(xiàng)目應(yīng)用過程中，經(jīng)冷凍加固后的土體均質(zhì)性較好，自立性和無側(cè)極限抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)都符合設(shè)計(jì)要求[2]。

7 結(jié)語(yǔ)

該研究對(duì)富水粉細(xì)砂地層小型盾構(gòu)隧道洞門垂直凍結(jié)加固施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，結(jié)論如下：1）在富水粉細(xì)砂地層中，采用垂直凍結(jié)技術(shù)對(duì)盾構(gòu)洞門進(jìn)行加固是一種有效的方法。通過形成凍土帷幕，可以控制地層風(fēng)險(xiǎn)因素，提高洞門的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度。2）在冷凍加固設(shè)計(jì)中，確定凍結(jié)壁的功能和厚度是關(guān)鍵。該研究采用2m厚凍結(jié)壁能滿足洞門周圍封水區(qū)域的要求。同時(shí)，采用合適的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保凍結(jié)壁的平均溫度符合設(shè)計(jì)要求。3）在實(shí)際施工中，合理控制鉆孔和下管工作、供液管施工和設(shè)備連接等環(huán)節(jié)對(duì)凍結(jié)效果至關(guān)重要。必須確保凍結(jié)孔的數(shù)量、間距和偏斜在合理范圍內(nèi)，同時(shí)嚴(yán)格控制質(zhì)量。4）凍結(jié)加固的效果評(píng)價(jià)是必要的。通過溫度監(jiān)測(cè)和地層沉降監(jiān)測(cè)，可以判斷凍結(jié)壁的發(fā)展速度和厚度是否滿足要求。在維護(hù)凍結(jié)的過程中，及時(shí)補(bǔ)償注漿，并嚴(yán)格控制凍結(jié)壁融沉的條件，確保加固效果的穩(wěn)定和持久。

綜上所述，該研究通過合理設(shè)計(jì)凍結(jié)壁、控制施工過程并評(píng)價(jià)加固效果，可以有效提高洞門的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，降低地層風(fēng)險(xiǎn)，為類似工程提供可靠的技術(shù)支持和實(shí)踐指導(dǎo)。