牛自強(qiáng) NIU Zi-qiang

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的飛速發(fā)展，城市人口越來(lái)越多，城市規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，原有的地面城市交通設(shè)施已不能滿足人民群眾的需求，因此很多城市陸續(xù)開(kāi)展地鐵項(xiàng)目的建設(shè)。地鐵建設(shè)一般采用盾構(gòu)法進(jìn)行作業(yè)，該方法不但施工速度快而且安全性也高。掘進(jìn)施工分為始發(fā)井和接收井，盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)井組裝調(diào)試完畢后往接收井方向進(jìn)行施工作業(yè)，進(jìn)入接收井后分段拆除完成施工作業(yè)，但由于盾構(gòu)機(jī)體積大，在進(jìn)入接收井時(shí)須拆除洞口圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因此在接收井接收段范圍內(nèi)必須做好地基加固處理，確保洞口土體穩(wěn)定，防止地下水流入，同時(shí)防止地層變形對(duì)施工影響范圍內(nèi)的地面建筑物及地下管線與構(gòu)筑物等的破壞。接收段加固方案分為兩種，一是預(yù)加固（夾心餅干法），對(duì)于淺層地質(zhì)該施工方法操作簡(jiǎn)單，效果明顯，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)復(fù)雜或深度較深時(shí)施工質(zhì)量無(wú)法保證；二是冷凍加固，其適用于深層復(fù)雜情況的地質(zhì)加固，而且還可以有效隔離地下水，其抗?jié)B性是其他方法無(wú)法比擬的。在徐州市城市軌道交通6 號(hào)線一期工程地鐵區(qū)間接收井50m 范圍為富水粉土粉砂層，由于該地鐵車(chē)站距離地面較深且地質(zhì)狀況較為復(fù)雜，原設(shè)計(jì)預(yù)加固方案并未取得理想效果，為確保施工安全，最大限度控制原地面沉降，項(xiàng)目部在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)下在洞門(mén)處增加垂直凍結(jié)法加固地層，確保了施工期間的安全，不但安全順利完成了盾構(gòu)機(jī)的接收工作，而且最大限度地保證了地表沉降處于可控范圍內(nèi)，避免了重大安全隱患的發(fā)生。

1 工程概況

市政府站～紫金路站區(qū)間從市政府站北端引出，沿漢風(fēng)路下向北走行，側(cè)穿花園城、在建金融中心A6、A8 地塊、肖莊河橋、綠地商務(wù)城16 號(hào)樓、綠地繽紛城、綠地梵頓公館、綠地書(shū)香苑后進(jìn)入紫金路站。

隧道一般掘進(jìn)段主要穿越2-3a-3 黏土層、5-3a-4a黏土層、5-3a-4b 含砂姜黏土層、5-3a-4c 含砂姜黏土層，紫金路站始發(fā)段主要穿越2-3a-3 黏土層、5-3a-4c 含砂姜黏土層、5-3a-4b 含砂姜黏土層，市政府站接收段主要穿越2-4-3 砂質(zhì)粉土層、2-4-4 砂質(zhì)粉土層、2-3a-3 黏土層。區(qū)間隧道起止里程為左（右）DK28+300.713～左（右）DK29+593.178，左線設(shè)一處短鏈4.117m，左線全長(zhǎng)1289.348m，右線全長(zhǎng)1293.465m。線間距16～63m，隧道開(kāi)挖直徑為6440mm，管片外徑為6200mm，區(qū)間隧道覆土厚度11.5～19.3m，共設(shè)2 座聯(lián)絡(luò)通道。

本區(qū)間盾構(gòu)工程籌劃為：計(jì)劃先從紫金路站進(jìn)行右線始發(fā)，掘進(jìn)至市政府站接收吊出后再?gòu)淖辖鹇氛咀缶€始發(fā)至市政府站。市政府站為地下三層結(jié)構(gòu)，接收端洞口形狀為圓形，洞口開(kāi)口凈直徑為6.700m。接收端頭地連墻厚1.0m，二襯結(jié)構(gòu)厚1.0m。市政府站盾構(gòu)接收端頭原設(shè)計(jì)采用Φ850@600 三軸攪拌樁+Φ800@400 高壓旋噴樁加固+鋼套筒接收，加固長(zhǎng)度為4m。（圖1）

圖1 市政府站原設(shè)計(jì)端頭加固剖面圖

2 總體施工方案

從取芯效果來(lái)看，加固質(zhì)量偏差，為了保證鑿除洞門(mén)及接收的安全性，擬采用在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)下在洞門(mén)處增加垂直凍結(jié)法加固地層，確保其鑿除洞門(mén)的安全性，本次凍結(jié)加固區(qū)為長(zhǎng)方體，凍結(jié)壁沿隧道中心線方向長(zhǎng)2.3m，左右和上方是3m，下方是4m，采用鋼套筒接收。

單座洞門(mén)垂直凍結(jié)孔布設(shè)為A、B 兩排，排間距1.2m，縱向孔間距0.75m，左右線各34 個(gè)凍結(jié)孔，單孔深度27.56m，總長(zhǎng)1874.08m。右線座洞門(mén)布置測(cè)溫孔3 個(gè)，左線布置測(cè)溫孔4 個(gè)；每個(gè)孔深27m，測(cè)溫管規(guī)格φ48×4.5mm。根據(jù)凍結(jié)測(cè)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最終確定凍結(jié)壁的發(fā)展厚度與凍結(jié)效果。

右線凍結(jié)管選用φ127×5mm，20#低碳鋼無(wú)縫鋼管，焊接連接。供液管用φ48×4.5mm 鋼管，凍結(jié)器羊角均用1.5"鋼管加工。（圖2）

圖2 凍結(jié)孔及測(cè)溫孔平面布置圖

3 冷凍加固主要施工工藝

3.1 總體施工工藝流程

現(xiàn)場(chǎng)總體施工方案為“垂直凍結(jié)孔臨時(shí)加固土體，然后破除洞門(mén)、拔除盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域凍結(jié)管、盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)接收”即：在通過(guò)垂直凍結(jié)孔，在地連墻外側(cè)形成強(qiáng)度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕的保護(hù)下進(jìn)行洞門(mén)鑿除，洞門(mén)鑿除完成后，接著拔除盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域凍結(jié)管和鋼套筒回填、密封施工，最后盾構(gòu)在鋼套筒內(nèi)完成接收施工。其主要施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→凍結(jié)孔施工（同時(shí)安裝制冷系統(tǒng)，鹽水循環(huán)系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)）→積極凍結(jié)→探孔→鑿除洞門(mén)→鋼套筒回填、密封→盾構(gòu)刀盤(pán)推進(jìn)至距外圈凍結(jié)孔10m處，盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)凍結(jié)管拔除→盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)入凍土，向前推進(jìn)→盾構(gòu)接收和洞門(mén)封堵完成后，排除其余凍結(jié)管并對(duì)凍結(jié)孔回填→進(jìn)行融沉注漿。

其中，凍結(jié)孔施工和凍結(jié)管的拔除施工為本工程的關(guān)鍵工序；凍結(jié)帷幕與地連墻的交接為重要控制點(diǎn)；凍結(jié)溫度檢測(cè)、土體變形、壓力監(jiān)測(cè)及盾構(gòu)推進(jìn)施工為特殊工序。

3.2 凍結(jié)設(shè)備及主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件，把凍結(jié)站設(shè)在市政府站負(fù)一層中板上，冷凍機(jī)為2 臺(tái)SKDW136.1H 型螺桿機(jī)組，其中1 臺(tái)備用。鹽水泵設(shè)置臺(tái)IS150-315 型，冷卻水循環(huán)選用IS150-315A 型清水泵2 臺(tái)，其他冷凍參數(shù)詳見(jiàn)表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

3.3 垂直凍結(jié)孔施工

垂直凍結(jié)孔施工工序?yàn)椋憾ㄎ弧@孔→下凍結(jié)管→測(cè)斜→打壓試驗(yàn)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)在槽壁外測(cè)定好各孔位置，然后按設(shè)計(jì)要求調(diào)整好鉆機(jī)位置進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆進(jìn)過(guò)程中，每加一根鉆桿，都要復(fù)測(cè)一次鉆機(jī)是否平、鉆桿是否在孔位正上方并垂直水平面。為防止孔偏斜，可加長(zhǎng)鉆鋌長(zhǎng)度，緩慢鉆進(jìn)。為防止塌孔，鉆孔時(shí)要預(yù)留足夠的沉淀空間。

3.4 垂直凍結(jié)管加工及安裝

凍結(jié)管選用Φ127mm×5mm 的無(wú)縫鋼管，采用坡口內(nèi)接箍對(duì)接焊，第一根凍結(jié)管下部焊底錐，所有凍結(jié)管要嚴(yán)格檢查、丈量、編號(hào)、配組。丈量尺寸要有專人記錄，最后驗(yàn)收合格后下入。下放凍結(jié)管時(shí)，謹(jǐn)防凍結(jié)管內(nèi)進(jìn)水。

下凍結(jié)管前要進(jìn)行沖孔，若泥漿濃度過(guò)大，凍結(jié)管下放時(shí)因浮力過(guò)大不能一次下放到位。凍結(jié)管下放深度不得少于設(shè)計(jì)深度0.5m。凍結(jié)管下放完要及時(shí)進(jìn)行燈光測(cè)斜，凍結(jié)孔和測(cè)溫孔的最大允許偏斜不超過(guò)150mm。若終孔的偏斜超過(guò)設(shè)計(jì)值，可拔出凍結(jié)管進(jìn)行掃孔。最后封閉好孔口用水壓泵向孔內(nèi)打壓，當(dāng)壓力達(dá)到0.8MPa 時(shí)，停止打壓，關(guān)好閥門(mén)，觀測(cè)壓力的變化，記錄下30 分鐘內(nèi)壓力，壓力無(wú)變化為合格。

3.5 垂直凍結(jié)管加工及安裝

冷凍機(jī)、水泵、冷卻塔等設(shè)備應(yīng)按照設(shè)備使用說(shuō)明書(shū)的要求進(jìn)行安裝，整個(gè)系統(tǒng)安裝分為兩部分，分別是設(shè)備安裝和管路安裝，其安裝流程分別如下所示：①設(shè)備安裝流程。設(shè)備基礎(chǔ)放樣→施工設(shè)備基礎(chǔ)（或錨固地腳螺栓）→設(shè)備就位、調(diào)平、固定→設(shè)備之間管路連接、電纜敷設(shè)→安裝電控系統(tǒng)→冷凍機(jī)試漏→冷凍機(jī)充氟、加油→清、鹽水箱加水→化鹽→制冷系統(tǒng)試運(yùn)轉(zhuǎn)→鹽水箱和冷凍機(jī)低溫容器及管路保溫。②管路安裝流程。主管路放樣→安裝管架→安裝主管路→安裝分支管路→安裝壓力表接口與溫度插座→管路試漏→鹽水管路保溫。為減少冷量的損失，所有低溫管路均需要保溫，并保證保溫層厚度不小于40mm。由于混凝土導(dǎo)熱系數(shù)較大，為了減小洞門(mén)內(nèi)外的冷量損失，保證凍土與地連墻膠結(jié)的效果，對(duì)接收洞門(mén)周邊地連墻及二襯表面應(yīng)進(jìn)行保溫，保溫方法可采用敷設(shè)軟泡沫板材料，厚度不小于40mm。

3.6 積極凍結(jié)與維護(hù)凍結(jié)

設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。在試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要隨時(shí)調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機(jī)組在有關(guān)工藝規(guī)程和設(shè)計(jì)要求的技術(shù)參數(shù)條件下運(yùn)行。在凍結(jié)過(guò)程中，定時(shí)檢測(cè)鹽水溫度、鹽水流量和測(cè)溫孔降溫情況，必要時(shí)調(diào)整凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后進(jìn)入積極凍結(jié)，要求一周內(nèi)鹽水溫度降至-20℃以下。

維護(hù)凍結(jié)是從開(kāi)始鑿除洞門(mén)時(shí)起，至盾構(gòu)完成接收止。維護(hù)凍結(jié)期間，各組凍結(jié)孔循環(huán)正常，以保證各測(cè)溫孔溫度不回升為準(zhǔn)。維護(hù)凍結(jié)過(guò)程中，要加強(qiáng)凍結(jié)施工監(jiān)測(cè)，確保凍結(jié)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，及時(shí)分析凍土帷幕的溫度變化。

4 凍結(jié)帷幕和制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

為保證盾構(gòu)安全接收，盾構(gòu)接收采用“垂直凍結(jié)法+鋼套筒接收”的復(fù)合工法，凍結(jié)加固的目的是保證鑿除洞門(mén)的安全，按III 類凍結(jié)壁設(shè)計(jì)（承載+地連墻與土體縫隙止水）。參照類似工程，模型材料選取見(jiàn)表2 所示。

表2 模型材料參數(shù)

4.2 模型建立及計(jì)算

截取一平面作為計(jì)算模型，凍結(jié)外邊界取3 倍凍結(jié)壁厚度。凍結(jié)管采用Φ127×6mm，計(jì)算采用plane55 單元。根據(jù)模型凍結(jié)30 天溫度云圖如圖3 所示。

圖3 凍結(jié)30 天溫度云圖

4.3 計(jì)算結(jié)果

由設(shè)計(jì)積極凍結(jié)時(shí)間為暫定30 天（積極凍結(jié)時(shí)間可根據(jù)實(shí)際凍結(jié)效果進(jìn)行調(diào)整），要求凍結(jié)孔單孔流量5～6m3/h。積極凍結(jié)7 天鹽水溫度降至－18℃以下；鑿洞門(mén)前鹽水溫度降至-28℃～-30℃，去、回路鹽水溫差不大于2℃。如鹽水溫度和鹽水流量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)延長(zhǎng)積極凍結(jié)時(shí)間。每米凍結(jié)管（包括冷凍排管）的設(shè)計(jì)散熱量不應(yīng)小于100kcal/h。

5 安全質(zhì)量保障措施

①為了防止塌孔，縮短凍結(jié)孔的下管時(shí)間，每組凍結(jié)管按設(shè)計(jì)長(zhǎng)度加外露尺寸，在地面加工好，同時(shí)把供液管、回液管及燜板均提前焊接好，并完成打壓試驗(yàn)。②凍結(jié)管在焊接前必須將坡口表面及附近管材內(nèi)、外壁的漆、垢、銹等清理干凈。若坡口附近有水跡，可先用棉紗把水跡擦拭干凈，再進(jìn)行焊接。③冷凍機(jī)和水泵固定后要重點(diǎn)檢查連軸器的間隙和同心度、軸封和盤(pán)根的松緊情況，確認(rèn)滿足設(shè)備安裝技術(shù)要求。④監(jiān)測(cè)冷凍站凍結(jié)系統(tǒng)的溫度、壓力等凍結(jié)參數(shù)，分析凍結(jié)制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時(shí)調(diào)整冷凍機(jī)組參數(shù)，在保證凍結(jié)效果的前提下，確保其安全、高效運(yùn)行。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在洞門(mén)處增加垂直凍結(jié)法加固地層，確保了施工期間的安全，不但安全順利完成了盾構(gòu)機(jī)的接收工作，而且最大限度地保證了地表沉降處于可控范圍內(nèi)，避免了重大安全隱患的發(fā)生。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，該垂直凍結(jié)工藝在超深地鐵車(chē)站接收段加固施工中取得很好的效果，也為后續(xù)類似施工提供了借鑒和參考。