地铁联络通道冻结法施工中的漏水抢险及后续修复关键技术研究

叶松明

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 研究背景

联络通道作为现有2条并行隧道中间联通的“逃生通道”，一般在主隧道基本完成后开始施工。目前，位于土层中的联络通道大都采用冻结法加固、矿山法施工完成。冻结法可有效隔绝地下水、适用性广、对周边环境影响小，但对于复杂地质环境条件，当冻结效果不理想时，易存在涌水、漏砂、后期融沉等不利影响。

上海所处地区的多数软土层含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集，地下管线设施稠密。由于联络通道设置要求的特殊性，且所处位置较深等复杂性和不可确定性，造成联络通道的施工难度和风险大大增加。当采用冻结法施工出现漏水、漏砂等不利风险时快速积极地进行应急响应，控制和减小联络通道的施工风险，是地下工程联络通道设计与施工需要解决的一个难题。本文对上海轨道交通17号线漕盈路站—淀山湖大道站区间6#联络通道冻结施工中遇到的漏水抢险应急及后续修复处理方案进行总结介绍，以供类似工程参考。

2 工程概况

2.1 总体概况

上海轨道交通17号线工程9标段合同工程范围为：西段盾构工作井—淀山湖大道站盾构区间、淀山湖大道站—1#风井—漕盈路站盾构区间隧道工程（含6座联络通道），自西向东编号依次为1#～6#。本文讨论的6#联络通道位于1#风井—漕盈路站盾构区间，靠近漕盈路站（图1）。6#联络通道处上（下）行线盾构隧道里程分别为SK12＋175.000（XK12＋182.800），中心距为13.000 m，上行线隧道中心标高－13.630 m，下行线隧道中心标高－13.574 m，联络通道处地面标高＋3.82 m，中心埋深约为17.45 m。

6#联络通道采用水平冻结法加固地层，矿山暗挖法施工，联络通道主设计施工过程内容包括：联络通道地层冻结加固、施工支护、隧道支撑和防护门。联络通道由与隧道钢管片相接的喇叭口、水平通道构成。

图1 联络通道位置示意

本工程联络通道所在位置的隧道管片为钢管片，隧道内径5 900 mm，管片厚350 mm。衬砌采用二次衬砌方式，初次支护采用型钢支架和C20喷射混凝土结构，厚200 mm，二次衬砌为厚450 mm的C40P10现浇钢筋混凝土结构。在临时支护层和永久结构层之间设1道防水层（图2）。

图2 联络通道结构示意

2.2 地质、水位条件

根据地质勘察资料，6#联络通道全断面位于⑥2砂质粉土中（图3）。

图3 联络通道地质剖面

场地沿线赋存潜水、微承压水和承压水。潜水埋深0.3～1.5 m。⑥2微承压水位标高－12.20～－2.58 m，⑥3 t微承压水位标高－18.70～－10.56 m，⑦2承压水水位标高－26.38～－21.74 m。经勘察，工程沿线盾构掘进范围内分布⑥2、⑥3t层粉性土，渗透性较强，在一定水动力条件下易产生流砂。

2.3 周边环境

6#联络通道南北两侧分别为民乐佳苑及民乐佳苑二期；其中，民乐佳苑二期基础采用预制桩；所在位置地面为盈港路，地面以下给水管、煤气管、雨水管、污水管较多。其中φ800 mm雨水管处于6#联络通道正上方。

3 6#联络通道前期施工及应急抢险处理情况

3.1 联络通道前期施工情况

冻结孔施工情况：6#联络通道上行线冻结孔施工开始于2016年3月19日，2016年3月27日全部完成，本次钻孔采用单面打孔的方式，共施工冻结孔40个。 测温孔、泄压孔施工于2016年3月27日全部结束。测温孔上行线布置2个，下行线布置6个，共计8个。泄压孔上行线2个，下行线2个，深度为3.0 m，均布置在开挖断面内（图4）。

图4 冻结孔平面布置

冻结施工情况：6#联络通道冷冻机于2016年4月13日开始正式运转，开机后温度迅速下降，4月19日（冻结7 d）盐水去、回路温度就已达到－18 ℃以下，到4月25日（冻结13 d）盐水去路温度就已达到－24 ℃以下，设计要求15 d，均符合冻结设计要求。去、回路温差满足设计要求（2 K以内）。冻结设计要求开挖前达到－28 ℃以下，本工程5月19日（已冻结37 d）达到了－28 ℃以下。

结构开挖情况：至2016年6月1日，已积极冻结48 d，各项指标达到设计要求，并通过了开挖条件验收。2016年6月5日，正式开始开挖，洞门打开后，冻结效果良好，开挖暴露面结霜情况良好，各项测温数据均满足设计要求。

3.2 联络通道应急抢险过程

2016年6月9日早上7点，联络通道已经挖通，通道内正常段的型钢支架已全部安装完毕，木背板施工也已完成；在挖下行线上部喇叭口时，通道右最上方1点钟方位，开始出现少量渗水；在封堵无效的情况下，果断关闭安全门，并封堵两侧部分螺栓孔渗漏水。同时通过对渗漏点注聚氨酯，隧道内抢险工作完成后进行隧道清理工作，并对上、下行线开始施加圆木支撑（图5）。

另外，漕盈路自东向西方向车道渗漏严重，出现大面积塌陷，为确保安全，立即对该路段进行临时封闭，并安排专业人员用地质雷达对地面以下情况进行探测，确定地下空洞范围，制订注浆方案。地面注浆共布置53个压浆孔，使用55 t水泥。盈港路沉降区域采用多台注浆设备注水泥浆-水玻璃双液浆。

图5 关闭安全门及堵漏、圆木支撑

同时，对于邻近联络通道上方开挖受损区域的雨水管，所有受损管节已全部吊出，并完成以下工作：雨水管道全部排好；黄沙坞帮完成；雨水井砌筑完成；雨水管上部混凝土浇筑完成，正在养护及两侧侧平石施工。以上几项工作确保了盈港路快速、全面地恢复交通。通车5 d后，第3次对道路塌陷区域进行探测，探测成果显示，盈港路空洞区域经过压密注浆后，注浆区域地层已密实。

4 原因分析及后续解决措施

4.1 原因分析

事件发生后，各方高度重视，并对6#联络通道漏水、涌砂原因开展专题分析会。主要原因分析如下：

1）17号线西段盾构区间位于青浦区湖沼相地层，与上海市区的滨海相地层不同，淀山湖大道站—漕盈路站区间6#联络通道为湖沼相⑥2土层中第1个联络通道冻结工程，缺乏该地层联络通道施工的相关经验。

2）联络通道位置距离西大盈港约170 m，地下水可能存在水力联系，水的流速可能较常规偏大，影响冻结帷幕发展速度。

3）在漏水点上方可能局部存在不明介质或空洞，造成冻结壁胶圈迟缓，该局部位置冻结效果不好，但现有技术规程布置的测温点未能发现该部位存在异常。

4）在漏水点的正上方有一个雨水管窨井，在土体开始泄漏后可能有少量雨水管内的水流沿着渗水路径到达漏水点，加速泥沙的流出。

5）开挖过程中发生漏水后，未能及时有效地封堵，造成漏水进一步扩大，以至于不得不关闭安全门，且安全门关闭后未能及时填充通道，引起地面塌陷，从而造成不良的社会影响。

4.2 主要解决与改进方案

结合联络通道漏水原因分析，在后续施工时针对性地采用以下措施：

1）设计补充冻结方案的冻结孔布置应以冻结壁损坏部位为目标，兼顾其他可能的薄弱环节。故需进一步探明冻结壁损坏区域，从而确定补充冻结的范围，补充冻结范围应大于冻结壁损坏区域。

2）采用有效手段探明冻结壁破坏区域，施工补充冻结孔时，在冻结管内放置测温点，进行测温判断。

3）通过探孔进一步了解底部冻结壁的状态，以决定是否增设隧道底部冻结管（B12～B17）；预留液氮冻结管可保留，以备盐水冻结效果不足时采用液氮补强。

4）对开挖通道内特别是上部进行充填注浆，将已开挖通道上部可能存在的含水、气部位充填密实。另外，针对漏水部位，施工补孔时对该区域加强注浆，充实该区域地层。

5）地面注浆的深度距原冻结壁仍有较大距离，对此区域进行注浆加强。建议地面增加若干注浆孔，成孔深度距原冻结壁1.0～1.5 m，采用粉煤灰浆液充填，注浆时应控制注浆压力和注浆量。

6）加强冷冻站对侧隧道钢管片的保温及冷冻排管铺设，改善冻结壁与隧道管片胶结面的冻结状态。

7）核实透孔的流量是否满足冻结需求，合理分配流量，采取有效措施确保补孔的盐水供应。

8）加强监测，在冻结壁薄弱处多设测温孔，以便更全面地监测冻结壁状态；开挖验收的标准适当提高，确保安全。

9）制订后续通道清理和结构施作专项方案及应急预案，编制后期融沉注浆、监测专项方案，确保通道结构、隧道结构、管线、地面、周边构筑物的安全。

4.3 现场后续具体改进实施与措施

4.3.1 联络通道对侧补充冻结孔

设计单位采取在联络通道对侧补孔的措施来加强冻结效果（图6）。

图6 补充冻结孔

冻土壁承载力验算采用许用应力法。考虑到地层已被扰动，安全系数提高20%作为安全储备；设计取－10 ℃冻土的弹性模量和泊松比分别为120 MPa和0.25，冻土强度指标为：抗压3.6 MPa，抗折2.0 MPa，抗剪1.5 MPa。根据计算，冻土压应力计算值1.37 MPa，弯拉应力0.09 MPa，剪应力0.5 MPa，都满足要求。

结合现场具体实施，根据6月10日上午10点的测温数据显示及现场整个冻结系统仍在正常运转，个别测温点有少量升温，判断出原冻结帷幕并未遭到破坏。因此本次补充冻结方案仅在隧道的对侧设置冻结孔，共计19个，利用原有的2个穿透孔，供对侧隧道底部冻结孔和冷冻排管需冷用。在冻结站对侧隧道上沿冻结壁敷设加密的冷冻排管，间距为250 mm，并且对开挖面的部位进行局部冷冻排管加强，间距不大于800 mm，钢管片格栅内填充密室，并采用厚50 mm的PEF板满贴钢管片，以加强对管片处的保温效果。为防止盐水冻结达不到预期效果，B2～B4加强孔采用不锈钢材质，能够及时转为液氮冻结。技术参数如下：

1）冻结管用φ89 mm×8 mm低碳钢无缝钢管、φ89 mm×8 mm的R304不锈钢管。

2）冻结孔的开孔位置误差不大于100 mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。冻结孔最大允许偏斜不大于100 mm。

3）冻结管接头采用螺纹加焊接，抗拉强度不低于母管的80%。

4）冻结管用φ89 mm×8 mm低碳钢无缝钢管和φ89 mm×8 mm的R304不锈钢管，冻结管耐压不低于0.8 MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。

5）冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度，不能循环盐水的管头长度不得大于150 mm。

6）冷冻排管采用φ45 mm×3 mm的无缝钢管。

4.3.2 安全门改进

在联络通道施工开挖构筑过程中，安全应急门作为一道极其重要的安全屏障，是开挖必备的安全防护措施，在开挖面出现涌水、涌沙时，起到隔绝泥沙和封堵水的作用。按照传统施工方法安装安全应急门，每个联络通道采用的安全门所需螺栓共计80个，在现场进行应急演练过程中，用安全门进行封闭抢险，螺栓拧紧共需26 min，初步封闭拧紧需4 min，如果在螺栓拧紧过程中出现杂物撞击安全门，安全门可能被撞开，螺栓拧紧将无法使安全门密封，不能达到应急抢险目的（图7）。

图7 传统安全门结构示意

为此，我们对安全门进行改进，在原来的安全应急门上通过增加定位卡、U形卡及扳手初步封闭安全门，既方便人工操作，又能起到临时封闭的作用（图8）。

图8 安全门改进

采用安全锁进行封闭施工时，安全门关闭后立即拧紧安全锁，安全门初步封闭完成，所需时间仅为30 s，比原有的螺栓全部连接更为方便、快捷，起到了应急抢险的作用，为后续安全门螺栓拧紧提供安全、可靠的条件。

4.3.3 钻孔施工控制要点

由于该地层受到多次扰动，钻孔时极易发生涌水、涌砂现象。应对措施：首先确定孔口管固定牢靠，每个孔口管与钢管片的固定点不少于4个。其次，采用二次钻孔，在打孔前，用微膨胀混凝土将要开孔的钢格栅填充平整密实，然后进行开孔250 mm，安装牢靠孔口管后，用钻机进行二次开孔，确保安全。

由于对侧已有施工完毕的冻结管，该部位冻结管打设时容易碰到对侧已有冻结管，造成盐水泄漏进入土体。应对措施：依据施工基准点、已完成冻结管的实际位置图，进行精准定位。施工冻结孔时，将对侧对应区域内的1组冻结孔关闭，防止盐水泄漏进入土体，冻结孔施工顺序为先打设上部孔，后下部孔。

打设上部孔B1～B8和B12时，关闭第5组和第6组正面冻结孔，打设完成及时恢复；打设上部孔B9～B11和B13时，关闭第1组和第2组正面冻结孔，打设完成及时恢复；打设下部孔B14～B16时，关闭第4组正面冻结孔，打设完成及时恢复；打设下部孔B17～B19时，关闭第8组和第9组正面冻结孔，打设完成及时恢复。利用上部B2～B8冻结孔，在冻结孔里布置测温线进行测温，进一步探明小天窗的范围。

4.3.4 冻结施工控制要点

1）由于上方可能存在不明介质，易造成冻结帷幕发展缓慢。应对措施：施工冻结孔时，利用泥浆循环系统，向土体内注入惰性浆液，达到将不明介质置换的目的，从而保证冻结效果。开挖面内利用下行线的2个泄压孔进行充填注浆。

2）相对于已经冻结的部位，该部位冻结起步晚，对冻结效果不利。应对措施：适当减小已冻结部位的盐水流量，加大该部位的盐水流量，在原有盐水循环系统中增加1台管道泵，增加透孔的流量，达到快速冻结的目的；增加冷冻排管的范围和密度，保证管片胶结面的冻结效果。

4.3.5 开挖构筑施工

针对该地质条件及已经施工的情况，该部位开挖时易产生涌水、涌砂现象。应对措施：除冻结满足设计各项条件外，需要在特定部位打设探孔，以探测该部位的实际冻结效果。

原联络通道内型钢支架已经完成通道段施工，漏水后有可能造成型钢支架变形和轴线偏移。应对措施：重新加工制作通道段内的型钢支撑，开挖过程中，如遇型钢支撑变形量超过50 mm，则采取更换的措施，如果轴线偏差超过20 mm，则拆除支架重新修正，保证初次衬砌的施工质量及后续永久结构施工的尺寸。

4.3.6 二次开挖

此次二次开挖土层经过扰动，稳定性较差，采用24 h不间断挖掘以尽快完成开挖过程。因第1次开挖时已经将通道主体内的钢支撑架设完成，所以本次采用从管片腰线以上部位直接挖掘到之前施工位置再往下挖掘，因方法得当，本次挖掘速度较快。开挖过程中通过测温仪随时掌握土体温度情况，以便应对突发情况（图9）。

图9 开挖时通道及土体测温

在通道主体土体挖掘完成后，将要进行喇叭口的开挖，前期开挖时就是在挖掘下行线喇叭口时发生的渗水，所以喇叭口开挖时需密切观察土体情况，随时准备应对。因准备充分，冻结效果良好，喇叭口开挖比预期提前完成。在开挖完成后迅速架设钢支撑并安放木背板。

4.4 实施效果

通过对事件的原因进行详细分析，并针对性采取上述一系列的改进及优化措施，最终安全、顺利、有序地确保了6#联络通道的贯通（图10）。

图10 联络通道贯通

5 结语

通过本次联络通道漏水应急抢险及后续处理修复事件，为我们在联络通道这一高风险工程提供了可靠的设计及施工参考，得出以下结论[1-6]：

1）合理选择联络通道位置。本次6#联络通道漏水原因，经各方综合分析主要为：由于地层存在局部不明介质或不良地质条件，漏水点上方窨井或对漏水状况有加剧作用。为避免类似漏水抢险事件的发生，宜在前期设计勘察阶段勘察隧道沿线环境及各类管线、不良地质等情况。设计结合详细勘察信息进行合理的联络通道位置设置，以避让不良地质条件环境。

2）联络通道双向冻结孔设置。目前针对地铁隧道联络通道加固，主要是通过单向打设冻结孔进行冻结加固。单向打设冻结孔，可能对远处及局部土体冻结效果不好，不能形成良好的冻土胶圈。建议在冻结施工时，打设双向冻结孔，以形成良好的冻结效果。

3）安全门结构优化。鉴于本次事件在高压环境下安全门关闭困难，对安全门进行优化，增加一个螺旋式关门装置。首先对安全门进行临时定位，然后再转紧紧固螺栓，为应急抢险争取时间。

4）建立良好的快速应急响应机制。在工程出现险情时，一个良好的快速反应机制，对于险情的控制起着决定性作用。因此对联络通道高风险工程施工需建立、健全应急组织以及配备足够的抢险物资。

5）联络通道加固形式的优化与加强展望。目前地铁隧道联络通道加固主要以冻结加固为重，形式单一。随着地下工程加固方式和手段的不断发展，探索和研究新的更有效的联络通道的加固方式显得尤为重要。目前大直径的水泥系MJS加固也逐步完善，水泥系加固避免了冻结加固后期融沉等不利影响，在联络通道加固中的拓展应用也值得研究与期待。