盧志潤，魏蒙恩

（1.甘肅永鼎昌盛建筑工程有限公司，甘肅 定西 730500；2.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730021）

1 引言

蘭州地鐵1、2號線范圍內(nèi)超過一半的工程點(diǎn)位（簡稱工點(diǎn)）均揭露了飽水、松散、易擾動和承載低的疏松砂巖地層，成為整個工程的難點(diǎn)之一，被國內(nèi)地質(zhì)專家稱為“世界性施工難題”[1-2]。疏松砂巖屬于甘肅新近系和古近系地層中一套或多套地層，是西北地區(qū)特殊的弱膠結(jié)巖層，常見于蘭州盆地及周邊的大型重大地下工程中[3-5]。根據(jù)蘭州市城市軌道交通已建工程經(jīng)驗(yàn)及建設(shè)規(guī)劃，3號、4號及7號線等多個工程的城關(guān)區(qū)段內(nèi)，有將近一半車站和區(qū)間會遇到疏松砂巖地層[6]。蘭州地鐵應(yīng)對此套地層綜合運(yùn)用了明挖、TBM盾構(gòu)法、礦山法、暗挖法、人工凍結(jié)法等多種施工方法。其中聯(lián)絡(luò)通道（或稱旁通道）是地鐵中最主要的連接結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)采用淺埋暗挖法、礦山法施工，當(dāng)遇到富水、軟弱等地層時，成本較高的凍結(jié)法施工則成為主要備選方法[7-8]。2016年底以來，1號線共有5處疏松砂巖和卵礫石層聯(lián)絡(luò)通道采用了凍結(jié)法；此后2號線所有的聯(lián)絡(luò)通道均采用凍結(jié)法來加固了疏松砂巖地層[9-11]。

雖然凍結(jié)法可以解決涌水、涌沙等其他工法難以解決的工程難題，但由于疏松砂巖聯(lián)絡(luò)通道本身具有地層多變、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)面狹小、應(yīng)力集中、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，在實(shí)施過程中也存在很多的問題和風(fēng)險(xiǎn)。對此套地層的分布情況、工程地質(zhì)特性及凍結(jié)施工特性的充分認(rèn)知，將有益于今后蘭州地鐵及其他地下工程建設(shè)。

文章基于蘭州地鐵及多個地下工程，針對地鐵揭露疏松砂巖地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工，系統(tǒng)梳理蘭州疏松砂巖地層分布情況、基本工程地質(zhì)特性及凍結(jié)特性，分析蘭州地鐵疏松砂巖凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)，并對比不同工程、不同類型工點(diǎn)凍結(jié)法施工差異，以期為今后區(qū)域內(nèi)此套地層凍結(jié)法施工選擇提供有益的參考。

2 蘭州地鐵疏松砂巖地層工程地質(zhì)特性分析

根據(jù)疏松砂巖與其地層接觸關(guān)系、含水情況、顏色、膠結(jié)情況等工程地質(zhì)特性，也常被稱為半成巖、弱膠結(jié)砂巖、富水紅砂巖、特殊紅砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、流沙層等，下文均稱為疏松砂巖。

2.1 蘭州地鐵疏松砂巖地層分布情況

（1）區(qū)域分布情況。蘭州盆地以北的疏松砂巖主要位于新近系地層，如引大入秦盤道嶺隧道的新近系中新統(tǒng)地層（N1）；蘭州黃河北岸大部分工點(diǎn)現(xiàn)于（N1-2），如在建的G312線清傅6標(biāo)水阜一號隧道、水阜二號隧道、連霍高速公路清忠二標(biāo)項(xiàng)目邵家堂隧道、連霍高速公路什川隧道等中疏松砂巖主要位于新近系咸水河組（N1x）。蘭州盆地以南的疏松砂巖主要位于新近系地層，如引洮一期工程7號隧洞的新近系臨夏組（N2l），蘭渝鐵路胡麻嶺隧及定臨高速胡麻嶺隧道中的新近系臨夏組（N2l），此外蘭臨高速齊家莊隧道也有出露。蘭州盆地內(nèi)的疏松砂巖在新近系和古近系地層中均有發(fā)現(xiàn)，其中蘭渝鐵路桃樹坪隧道內(nèi)位于新近系地層（N2），地鐵線內(nèi)則主要出露于古近系（E）多個地層。

（2）地鐵沿線平面分布情況。蘭州盆地疏松砂巖地層受構(gòu)造運(yùn)動影響，主要分布于蘭州斷陷盆地雷云河斷裂以東和深溝橋以西區(qū)域一定深度處，分布范圍大，地鐵沿線則主要出露于城關(guān)區(qū)范圍內(nèi)。根據(jù)地鐵工程，1、2號線范圍內(nèi)含車站和區(qū)間共有33個工點(diǎn)涉及到此套地層，占所有工點(diǎn)的58.9%。其中1號線18個工點(diǎn)，包括西關(guān)及以東9個車站（占全線20個車站的45%）和9個區(qū)間（占全線19個區(qū)間的47%）；2號線15個工點(diǎn)，包括7個車站（占全線9個車站的78%）和8個區(qū)間（2號線所有區(qū)間）。主要在東起東崗西至西關(guān)十字，南起火車站北至雁白大橋范圍內(nèi)。

（3）地鐵沿線剖面分布情況。地鐵沿線地層向下主要可分5層：雜填土、黃土狀土、卵石、疏松砂巖（強(qiáng)風(fēng)化砂巖）、中風(fēng)化砂巖等。其中疏松砂巖層常與上下相鄰的卵石層和砂巖層呈不整合接觸關(guān)系，層理不明顯或無層理，巖層基本上由東向西傾斜；層厚相對穩(wěn)定，形狀、成分及結(jié)構(gòu)等在剖面上差異較小，局部夾有泥巖、礫巖或細(xì)砂層。城關(guān)段疏松砂巖埋深在15 m左右，黃河附近埋深8～10 m，南部近山一帶埋深可達(dá)20 m；根據(jù)已有文獻(xiàn)及《1∶25萬蘭州市幅建造構(gòu)造圖》（甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，2008）資料，此套地層主要位于新近系和古近系，以漸新統(tǒng)野狐城組（E3y）、古－始新統(tǒng)（E1-2）為主。

2.2 疏松砂巖地層基本工程地質(zhì)特性

疏松砂巖物理力學(xué)性質(zhì)極差，地層強(qiáng)度很低，圍巖承載力和自穩(wěn)能力極差，易造成開挖面失穩(wěn)，工程地質(zhì)及水文地質(zhì)問題尤為突出。

（1）物理特性。疏松砂巖常呈棕紅色、磚紅色、橘紅色和暗紅色，顆粒比較純凈，雜質(zhì)較少，主含礦物為石英、長石，部分工點(diǎn)含少量云母；顆粒大小較為均勻，工點(diǎn)間差異相對較小，分選良好，具有一定的磨圓度，按照土工試驗(yàn)結(jié)果，可劃分為含細(xì)粒土砂、細(xì)粒土質(zhì)砂、細(xì)砂等。比重2.64左右，含水率8%～15%，飽和含水量約18%，天然密度2.198 g/cm3；疏松砂巖骨架顆粒呈單粒結(jié)構(gòu)，排列較緊密；泥質(zhì)膠結(jié)，但膠結(jié)物很少，膠結(jié)差，連接微弱；孔隙度較大，呈均勻松散的孔隙結(jié)構(gòu)類型。

（2）力學(xué)及水理特性。疏松砂巖具有低壓縮性、低強(qiáng)度，尤其內(nèi)聚力低，小于70 kPa，部分工點(diǎn)單軸飽和抗壓強(qiáng)度不足1 MPa，變形模量僅40～131 MPa，內(nèi)摩擦角30°～35°。開挖暴露后易風(fēng)化，含水量較低時，強(qiáng)度微弱酥脆，擾動后易散為粉末狀沙土，容易用手捏碎；遇水或含水量較高擾動后易流變、崩解尤其擾動后急速變成砂漿、泥漿，易涌流。蘭州地鐵比鄰黃河，大部分工點(diǎn)的疏松砂巖均在地下水位以下，處于富水、飽水狀態(tài)，加之其具有一定透水性，施工風(fēng)險(xiǎn)大、難度大。

2.3 疏松砂巖地層凍結(jié)工程地質(zhì)特性分析

疏松砂巖的凍結(jié)特性直接影響地層凍結(jié)法施工的質(zhì)量，根據(jù)疏松砂巖不同工點(diǎn)原狀樣、凍結(jié)樣、重塑樣實(shí)驗(yàn)，此類地層具備優(yōu)良的凍結(jié)特性和良好的溫度特性，施工后期及工程運(yùn)營階段，應(yīng)充分考慮到因地層溫度的變化而引起強(qiáng)度的改變。

（1）人工凍結(jié)特性。根據(jù)凍脹實(shí)驗(yàn)，其凍結(jié)等級均為I級，屬于不凍脹少冰凍土?？紤]工程擾動，取平均值12.18%的試樣配制重塑樣，當(dāng)溫度為-10 ℃時，試樣單軸抗壓強(qiáng)度平均值增加至5.578 MPa，彎拉強(qiáng)度平均值增加至2.08 MPa，抗剪強(qiáng)度平均值增加至1.56 MPa，凍結(jié)后其力學(xué)性能明顯改善，尤其內(nèi)聚力大幅度增加（10倍左右）。

（2）解凍融沉特性。根據(jù)融沉實(shí)驗(yàn)，其融沉等級為I級，屬于不融沉類別。當(dāng)其解凍后，相比凍結(jié)狀態(tài)其力學(xué)性質(zhì)大為劣化，特別是擾動后，將低于原狀疏松砂巖。相比原狀樣，凍結(jié)解凍后密度略有降低，但孔隙度顯著加大，滲透系數(shù)增大近10倍，與電鏡實(shí)驗(yàn)微觀結(jié)構(gòu)中對孔隙度變化的分析結(jié)果一致，這也間接表明地層經(jīng)過凍結(jié)及解凍以后，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙增大。

3 地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工基本情況及風(fēng)險(xiǎn)淺析

地鐵土建施工分為盾構(gòu)區(qū)間施工、車站主體施工和附屬結(jié)構(gòu)施工幾部分，其中車站施工主要有明挖法、蓋挖法和暗挖法，區(qū)間線路以盾構(gòu)施工、明挖為主；而作為地鐵附屬部分的聯(lián)絡(luò)通道，一般采用礦山法和暗挖法施工，在常規(guī)方法無法奏效的情況下，常被迫采用凍結(jié)法。蘭州地鐵1號線共設(shè)26個聯(lián)絡(luò)通道，2016年，1號線五里鋪至東部市場站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道疏松砂巖首次采用冷凍法加固方式并取得成功，此后除了省政府車站基坑支護(hù)局部凍結(jié)工程以外，1號線共有5個聯(lián)絡(luò)通道采用了凍結(jié)法，占全線26個的19%；在此基礎(chǔ)上2號線7個聯(lián)絡(luò)通道均采用凍結(jié)法，占全線7個的100%。

3.1 地鐵聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)分析

聯(lián)絡(luò)通道兩端與上下行已建盾構(gòu)隧道連接，具有收集地鐵運(yùn)行時的積水及人員疏散作用，有地鐵“生命通道”之稱，中間位置一般設(shè)有泵房，常處于地鐵最深處，位置特殊、自身結(jié)構(gòu)和連接處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力集中明顯；加之蘭州地鐵毗鄰黃河，地下水流速大、沖刷力強(qiáng)，地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，涌水塌方等事故發(fā)生可能性大。施工時需要在上下線盾構(gòu)隧道管片處開孔施工，施工工序繁瑣，作業(yè)面小，大型設(shè)備無法施展拳腳，不僅要考慮自身安全穩(wěn)定，又要考慮已建連接隧道及周圍環(huán)境的安全穩(wěn)定。

3.2 人工凍結(jié)法施工優(yōu)勢分析

凍結(jié)法原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，可有效隔絕地下水，加固圍巖，幾乎不受地層條件的限制；施工靈活且屬于“綠色”施工方法，對環(huán)境零污染，特別對復(fù)雜地層施工經(jīng)濟(jì)合理，符合工程發(fā)展大趨勢。相比常規(guī)方法，凍結(jié)加固方法設(shè)備及工藝復(fù)雜，成本較高，僅前期主動凍結(jié)就需要近50 d，后期施工時需要維持凍結(jié)，并需要考慮對工程相鄰關(guān)鍵部位凍融作用影響，因此線型工程較長距離一般不建議首選凍結(jié)法。但是對于聯(lián)絡(luò)通道等災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)段或長度適中的關(guān)鍵地段，如穿黃段富水砂卵礫石層及市區(qū)段飽水疏松砂巖地層，施工經(jīng)濟(jì)合理，建議首先考慮凍結(jié)法進(jìn)行施工。

3.3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程風(fēng)險(xiǎn)分析

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工一般是在常規(guī)方法實(shí)施時的被迫選擇，工程環(huán)境更加復(fù)雜，在凍結(jié)前準(zhǔn)備階段、積極凍結(jié)階段、維持凍結(jié)階段、解凍融沉階段均存在很多風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。在凍結(jié)前準(zhǔn)備階段主要存在鉆孔涌水涌沙、凍結(jié)管偏移、管片損傷、器具掉落等風(fēng)險(xiǎn)；在積極凍結(jié)階段主要存在凍脹量過大、凍結(jié)管泄漏、凍結(jié)帷幕不達(dá)標(biāo)等風(fēng)險(xiǎn)；在維持凍結(jié)開挖施工階段主要存在凍結(jié)帷幕因強(qiáng)度不夠等因素失穩(wěn)、透水、涌泥、涌沙、通道圍巖變形過大、襯砌混凝土開裂變形等風(fēng)險(xiǎn)；在解凍融沉階段主要存在融沉量過大、凍結(jié)管涌水涌沙、襯砌混凝土開裂變形等風(fēng)險(xiǎn)。

4 疏松砂巖凍結(jié)法施工對比分析

4.1 地鐵不同類型工點(diǎn)及地層凍結(jié)施工應(yīng)用

在地鐵施工中，凍結(jié)法可用于富水軟弱段凍結(jié)加固、聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固、隧道進(jìn)出口處凍結(jié)加固和涌水涌沙等特殊洞段凍結(jié)加固施工4種情景。蘭州地鐵凍結(jié)法主要應(yīng)用在車站基坑局部止水加固和聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)加固2種情況，且均屬于地區(qū)內(nèi)首次凍結(jié)法施工。除省政府車站2個基坑間咬合樁周邊疏松砂巖地層局部人工凍結(jié)加固止水工程外，其他的凍結(jié)工程則主要為地鐵聯(lián)絡(luò)通道的加固。

蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道中凍結(jié)法主要應(yīng)用于市區(qū)段疏松砂巖地層段和穿黃段卵礫石層2類地層的加固。其中針對疏松砂巖地層加固的共有12處，1號線省政府至東方紅廣場區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道、東方紅廣場至盤旋路區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道、盤旋路至五里鋪區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道等5處，2號線全部的聯(lián)絡(luò)通道7處，凍結(jié)法施工主要針對富水、結(jié)構(gòu)疏松、易風(fēng)化、易擾動、易崩解、泥化涌流、無承載等工程難題，凍結(jié)可參照的工程及參數(shù)少。針對卵礫石層加固的主要在1號線迎門灘馬灘區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及馬灘土門墩區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，砂卵石層屬于國內(nèi)首次4穿黃河地鐵線特殊地層，巖層透水性極強(qiáng)、地下水流速高且動水壓力大，聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工過程中存在易涌水、易塌孔、易磨損、易斷裂等各類工程風(fēng)險(xiǎn)，凍結(jié)可參照的工程及參數(shù)很少。

4.2 不同工程疏松砂巖凍結(jié)施工應(yīng)用

凍結(jié)法中常用的有液氮直接凍結(jié)法和鹽溶液循環(huán)凍結(jié)法等，由于液氮凍結(jié)成本較高，目前多數(shù)用于工程搶險(xiǎn)，而鹽溶液凍結(jié)方法應(yīng)用較廣泛，也是蘭州地鐵及引洮1期引水工程7號隧洞凍結(jié)加固的首選。鹽溶液凍結(jié)法施工中，利用氨（NH3）為制冷劑的冷凍設(shè)備，將冷卻到-20～-30 ℃的氯化鈣（CaCl2）溶液輸送至指定地層區(qū)域，經(jīng)低溫鹽水長時間循環(huán)吸取管外的熱量，使周圍地層凍結(jié)并達(dá)到一定的范圍和開挖強(qiáng)度后，進(jìn)行開挖施工。蘭州地鐵凍結(jié)工程中定點(diǎn)區(qū)域常年地溫14～20 ℃，積極凍結(jié)時間在40～50 d，凍結(jié)后溫度保持在-24～-28 ℃；開挖、初期支護(hù)和二次襯砌施工期間維持凍結(jié)；此后按程序?qū)鷰r解凍恢復(fù)至自然溫度，融沉注漿完成整個工程。

蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道疏松砂巖地層開挖長度4.8～12 m，凍結(jié)區(qū)域埋深20 m左右，最深的將近40 m，難點(diǎn)在于地面鄰近建筑物多、管線較為復(fù)雜，施工屬于“洞中打洞”，所有工序均在隧道內(nèi)完成，施工工作面小、難度大。1號線五里鋪至東部市場站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道首次采用冷凍法加固方式并取得成功，是后期地鐵線路其他疏松砂巖地層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工基礎(chǔ)。與蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道疏松砂巖地層相比，引洮7號隧洞屬于埋深隧洞，地層壓力較高，工程地質(zhì)環(huán)境差異大，可參考性低。引洮疏松砂巖地層凍結(jié)位于地下235 m左右；地表無特殊建筑，冷卻塔置于地面，凍結(jié)時間相對長、凍結(jié)效果可控性低、施工難度較大。

5 結(jié)論

人工凍結(jié)法成本較高，且有一定的技術(shù)難度，但在蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下算是比較成功的選擇。

（1）疏松砂巖是廣泛分布于蘭州周邊尤其是地鐵城關(guān)段的一套或多套古近系和新近系弱膠結(jié)地層，工程地質(zhì)性質(zhì)差、工程地質(zhì)問題突出，是蘭州地鐵建設(shè)最主要的風(fēng)險(xiǎn)源及施工難題之一。

（2）利用人工制冷技術(shù)地層適應(yīng)性強(qiáng)，可改良地層的物理力學(xué)特性，將待開挖地層凍結(jié)形成強(qiáng)度加固的凍結(jié)體，可有效提高加固施工板結(jié)功效，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，但成本相對較高。

（3）地鐵聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)特殊，不同地層施工風(fēng)險(xiǎn)不同；尤其是蘭州地鐵聯(lián)絡(luò)通道疏松砂巖地層常規(guī)加固方法無法達(dá)到開挖要求，廣泛采用了凍結(jié)法施工，效果顯著。

（4）人工凍結(jié)法已在蘭州市復(fù)雜地下工程施工難題中探索出一條安全、綠色的成功路徑，可在今后擬建的地鐵含水疏松砂巖地層聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)中被優(yōu)先推廣應(yīng)用。