复杂条件下端头井冻结加固施工风险与应对措施

温 汉 宏

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

0 引言

我国轨道交通建设已进入快速发展阶段，而盾构法因其不影响周边交通、不受风雨气候影响、对附近居民干扰少等优点而广泛应用于地铁隧道施工，在盾构施工中，始发与接收是否顺利，往往决定着工程的成败。端头井是盾构进出的一端所修建的工作井，当端头井周围地质条件差，存在涌水涌砂风险时，需要对端头井周围土体进行加固，冻结法因其加固体强度高，封闭性能好而被广泛采用[1,2]。

本文以天津地铁某区间端头井冻结加固工程为例，对施工过程中的风险进行分析，并提出了应对措施，为盾构始发与接收顺利完成提供了强力保障。

1 工程概况

天津市文化中心地下交通枢纽地下交通工程Z1线尖山路站—文化中心站盾构区间左线里程DK68+675.048～DK69+971.450，线路长1 316.845 m；右线里程DK68+675.047～DK69+971.450，线路长1 296.403 m，区间左右线均于尖山路站始发，沿乐园道向西南方向推进，于文化中心站接收。区间隧道为地下双线单圆盾构隧道，盾构直径6.34 m，隧道外直径6.2 m，隧道内直径5.5 m，管片厚度350 mm，盾构始发位置地面标高+2.42 m，隧道中心标高-21.132 m，盾构接收位置地面标高+3.2 m，隧道中心标高-19.243 m。

由于盾构区间所处地层含粉砂，属于承压含水层，为确保盾构始发与接收施工安全，采用冻结法进行端头井土体加固。因工期紧张，尖山路站始发加固施工必须在车站施工结束前进行，所以不具备水平冻结条件，故采用垂直冻结的始发加固方式；文化中心站接收端上方为文化中心地下交通枢纽，不具备垂直冻结条件，故采用明洞+水平冻结加固的接收方式。

2 地质条件

区间始发端与接收端冻结加固区域主要位于8-1粉质粘土、8-1t3粘质粉土、9-1粉质粘土、9-23f粉砂、B10-1粉质粘土层。如图1，图2所示。其中，第8-1层属不透水～微透水层，可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层；第9-1层属承压含水层，透水性好。

3 冻结设计

尖山路站采用垂直冻结的始发方式，共布置35个垂直冻结孔，孔深30.3 m，冻结管采用φ127×4.5 mm低碳钢无缝钢管，冻结孔分3排布置，排间距为1 m，最近排冻结孔距离地连墙0.4 m，孔间距为0.8 m，其余2排孔间距均为1 m。

文化中心站采用明洞+水平冻结的接收方式，明洞是1个能容纳盾构机的钢筋混凝土箱体，在明洞内布置3圈共57个水平冻结孔，冻结管采用φ89×8 mm低碳钢无缝钢管，第1圈冻结孔布置在洞圈外，圈径8 m，布置32个冻结孔，孔间距0.784 m，进入土层6 m；洞圈内设置冻结孔共25个，均进入土层2.5 m，第二圈冻结孔圈径5.4 m，布置16个冻结孔，孔间距1.053 m；第3圈冻结孔圈径2.7 m，布置8个冻结孔，孔间距1.033 m；洞门中心布置1个冻结孔。

4 风险分析

1)本工程的盾构始发和接收均位于承压含水层，冻结施工范围内9-23f粉砂层厚度分别达到了5.9 m和4 m，垂直冻结孔钻孔施工时存在塌孔、埋钻风险；水平冻结孔钻孔施工时存在涌水涌砂风险；砂层冻结壁在停冻后化冻速度快，会在冻结管与结构层之间形成导水通道，割管时存在涌水涌砂风险。

2)本工程的地层埋深大，盾构始发端垂直冻结孔紧靠地连墙布置，钻孔深度超过30 m，如果打到地连墙，存在卡钻风险；接收端水平冻结孔沿钢圈布置，算上结构层厚度，外圈冻结管钻孔深度超过7 m，如果外圈冻结管内偏进入盾构推进范围，盾构接收时存在刀盘卡死及盐水泄漏风险，对冻结孔施工精度和冻结管的焊接质量提出了更高的要求。

3)始发端与接收端洞门处均存在不同程度的漏水现象，始发端采取洞圈内全部浇筑混凝土的方式进行封堵，然而，地连墙与封堵层的接缝不在垂直冻结加固区域内，探孔施工至该接缝处时，存在涌水涌砂风险，无法满足凿除洞门的条件。接收端采用洞圈内部分浇筑混凝土的方式进行封堵，水平冻结孔施工时，封堵层与地连墙接缝处易开裂存在涌水涌砂风险。另外，洞门漏水会加快冻结加固区域地下水流速，不利于冻结壁发展。

4)接收井上方为地下1层文化中心交通枢纽，周边有东方之珠KTV娱乐超市、银河地下商业广场等建构筑物，周边环境对冻结效应较为敏感，应控制钻孔、冻胀及融沉对地层的扰动。

5)工期紧张，接收端水平冻结加固与明洞施工均在端头井的狭小空间内交叉进行，施工过程中存在互相干扰。

5 应对措施

5.1 钻孔施工保证措施

1)为保证垂直冻结孔的施工质量，钻机就位前后都应对孔位进行复核，每进尺3 m对钻孔垂直度进行复核并及时纠偏，冻结管连接采用长150 mm的外接箍围焊，以控制冻结管的垂直度，每个外接箍焊接完成后用靠尺进行垂直度检验，冻结管的偏斜率应控制在1%以内。调制合适的泥浆，进行润滑和护壁，解决垂直冻结孔钻孔时塌孔、埋钻的问题。

2)钻孔施工前应对洞门结构漏水处进行注浆堵水，避免因钻孔施工引发水土压力变化而导致结构裂缝处发生涌水涌砂事故。洞门结构注浆堵水也能减小冻结加固区域地下水流速，有利于冻结壁发展。

3)选择夯管法[3]进行水平冻结孔钻孔施工，与跟管钻进法相比，夯管法出泥砂量更少、可加尺的单节管材更长、成孔速度更快。采用二次开孔的方式，一次开孔安装孔口管和球阀，在球阀的保护下进行二次开孔，夯管钻进时安装孔口密封装置，夯管结束后，对冻结管与结构层之间的通道进行注浆封堵，并将冻结管与孔口管之间的环缝进行满焊处理。按照自下而上的顺序施工水平冻结孔，每根冻结管钻孔施工结束，均应根据出泥砂量多少进行地层补偿注浆。

4)水平冻结孔开孔前应复核孔位，用精密地质罗盘调整开孔钻机的角度，夯进前调整冻结管和夯管锤方位，第1 m冻结管夯进时，要控制夯进速度(减小供风)，反复校核冻结管方向，调整夯管锤位置，检查偏斜无问题后方可继续夯进，逐节夯入冻结管，接头采用内衬管对焊连接，焊接时用1 m靠尺检查确保顺直，焊缝要饱满并用角磨机打磨与管壁齐平。位于洞圈内需拔除的冻结管应尽量采用无接头的整管，避免后期拔管时发生接头断裂。

5)每根冻结管钻孔结束均应及时进行耐压试验及终孔测斜，并复核孔深，确保冻结孔施工质量符合设计要求。

5.2 冻结施工保证措施

1)为控制冻胀并减少冷量的无谓损耗，垂直冻结加固采用在冻结管内下入双供液管(长进短出)的局部冻结方式，然而，非冻结段也有少量冻土扩展，拔管时化冻效果差。为此，在冻结管头部加装回水接头，正常冻结期间将短供液管作为回水通道循环低温盐水，拔管时将冻结管与供液管之间的环形空间作为回水通道循环热盐水，从而保证非冻结段的化冻效果。

2)垂直冻结探孔施工时，有打到冻结管的风险。应结合冻结孔的实际偏斜情况，选择合理的开孔位置，避开冻结管，并控制探孔深度。另外，为避免探孔施工至封堵层与地连墙接缝时造成漏水，应提前对接缝部位进行环洞门注浆堵水。

3)积极冻结期间，应控制盐水的降温梯度，避免因盐水温度骤降导致冻结管发生断裂，为后期拔管带来困难。

4)冻结过程中，应加强对周围环境的监测，必要时可对制冷系统进行调节，采取间歇冻结或提高盐水温度的方法，控制冻胀对周围环境的影响。

5)冻结壁解冻时有少量收缩，从而使地层产生融沉。为了消除地层融沉引起的地面沉降，利用隧道内注浆管，采取跟踪注浆的方法加以补偿。

5.3 明洞中水平冻结施工保证措施

1)明洞施工时机选取在冻结钻孔施工完成后的积极冻结期间，应保证各工序有序错开。明洞施工时，要注意避让冻结管路，避免破坏管路，造成盐水泄漏。

2)盐水管路穿越明洞箱体会影响其密封性。外圈孔进回水连接胶管穿越明洞段宜改用钢管并加焊止水钢板，逐根分开浇筑到明洞顶板中；内圈孔连接胶管可以从预留洞口穿越，待内圈孔拔管后就可以将胶管移除，如图3所示。

3)在明洞内部进行冻结管拔除时，热盐水浇到冰上和焊割产生的烟气会影响作业人员的视野和职业健康。应在明洞的两个预留口分别安装轴流风机(一压一抽)，加快明洞内烟气排放，改善作业环境。

4)盾构接收过程中，外圈冻结孔需维持正常冻结，往明洞中回填砂浆会对外圈孔管路造成冲击，此时如果发生冻结管路破损将难以恢复。故应在远离洞门的预留口进行砂浆回填，并控制回填速度，减小对冻结管路的冲击。另外，外圈孔应进行跳孔分组，避免因一处管路破损造成大范围停冻，回填前对盐水管路采取必要的保护措施。

5)通常盾构接收完成即可停止冻结，然而，亦必须等到明洞凿除完毕，盾构机吊出后，才能进行外圈冻结管割除，但此时，冻结壁已解冻，割管时存在涌水涌砂风险。故应提前对冻结管与结构层之间的环形空间进行注浆堵水。

6 结语

通过对复杂条件下端头井冻结加固施工风险及其应对措施的探讨，得出以下几点体会：

1)粉砂层钻孔施工风险大，应采取合理措施解决塌孔埋钻、涌水涌砂等问题。

2)洞门处存在漏水现象时，应在冻结施工前进行结构层注浆堵水，此时采用水平冻结进行土体加固效果更佳。

3)采用明洞法进行盾构接收时，应采取针对性的措施解决水平冻结施工与明洞施工之间的互相干扰，有条件的情况下，宜采用垂直冻结加固配合明洞进行盾构接收施工。