富水流砂砂层地铁联络通道冻结孔施工风险控制要点

瞿 鹏，张玉如，裴春伟（上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032）

0 引 言

冻结法施工是常见的对土体进行加固的方法，为了形成的良好冻结帷幕并保证开挖面的稳定性，须严格控制冻结孔的施工工艺及施工质量。如朱泽萱[1]以福州地铁2号线紫阳站-五里亭站区间的66 m超长联络通道工程为背景，采用双集水井结构、减小联络通道尺寸等设计优化措施，解决一系列联络通道施工技术难题；郭红斌[2]基于冻结法的轨道交通联络通道冻结孔施工技术，阐述了冻结孔施工工序，并提出相应的质量、安全保证措施；叶松明[3]针对上海轨道交通17号线漕盈路-淀山湖大道站区间6号联络通道冻结后开挖过程中的漏水抢险及后续修复处理进行总结介绍。

以某市地铁某工区联络通道冻结孔施工工程（以下简称“本工程”）为例，简单介绍该工程的地质状况、工程联络通道冻结孔施工工艺和施工步骤，重点阐述工程冻结孔过程中遇到的涌水涌砂风险状况及采取的具体抢险措施，并在事后分析风险产生的原因，讨论冻结孔成孔后试压性试验不合格情况下的优化处理方式，为相似地质条件下的联络通道冻结孔施工风险控制及质量控制提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 工程地质特性

联络通道埋深21.7 m，区间主要穿越③2粉砂、③3j砂质粉土与粉质黏土互层、③3砂质粉土夹粉砂。各地层物理力学性能、渗透性能如表1和表2所示。

表1 各地层物理力学性能图

表2 各地层渗透性能

1.2 联络通道及泵房设计概况

联络通道水平通道为直墙圆弧拱结构，泵房为矩形结构，通道和泵房均采用两次衬砌，其中通道初衬（钢支架喷射混凝土）厚度为300.00 mm，泵房初衬厚度为300.00 mm；通道的开挖轮廓长约8.01 m，宽4.00 m，高约4.22 m，局部（喇叭口处）高约4.47 m，宽4.60 m；泵房开挖轮廓长5.00 m，宽4.00 m，深约3.96 m。通道二次衬砌底板厚0.70 m，顶板厚0.45 m，侧墙厚0.45 m，局部（喇叭口处）顶板厚1.03 m，泵房竖墙和底板厚均为0.45 m，采用C40P10混凝土浇筑。联络通道副线冻结孔28个、测温孔8个、泄压孔2个；联络通道主线冻结孔56个，测温孔2个。

2 冻结孔钻孔施工

2.1 冻结孔定位及开孔控制

由于里程及管片拼装误差，联络通道的方位角并非是理想中的设计角度，为了防止钻孔发生偏差，需再对隧道中线及联络通道控制点进行测量，重新定方位角和高程后再重新进行复核。冻结孔需依照施工图进行冻结孔孔位放线，孔位布置应避开管片接缝、螺栓、主筋、止水条和钢管片肋板[4]，误差一般不应大于100 mm。在正式开孔前，利用隧道管片上的补浆孔钻小孔进行探孔，检查地层稳定性。混凝土管片钻孔须选用金刚石开孔钻机，350 mm厚管片开孔深度至300 mm时停止钻进并预留50 mm以上的保护层，用钢楔楔断岩心，取出后安装孔口管，并用膨胀螺丝固定在管片上，装上闸阀，再将闸阀打开，用Φ110 mm金刚石钻头从闸阀内开孔，一直将混凝土管片开穿，如地层内的水砂流量大，就及时关好闸门。钢管片钻孔时，须在钢管片上焊好孔口管，在孔口管上接好闸阀，用钻机接上金刚石钻头，从闸阀内切割钢管片钻进。使用夯管锤工艺在钢管片上开够深度后，一定要装好防喷装置才能进行二次开孔[5]。联络通道孔口管钻孔安装示意图，如图1所示。

图1 孔口管钻孔安装示意图

本工程联络通道冻结孔冻结孔施工顺序为先施工透孔，透孔能够起到联系测量联络通道两个洞门位置并校核冻结孔角度的作用；副线冻结孔施工顺序为下部冻结孔F4～F5钻进，再到上部冻结孔B12～B1钻孔作业；联络通道主线冻结孔（冷冻机所在设备一侧）施工顺序为由下部M7～M1到上部冻结孔A20～A21。其中，C1～C10为测温孔。

为了防止下部冻结孔施工影响上部土层的扰动，冻结孔的施工顺序应为由上至下，本工程施工顺序有待商榷。

2.2 冻结孔钻进与冻结管设置控制

孔口管安装及钢格仓填充完成后，按照设计图纸要求角度进行钻机就位，大球阀安装完成后用φ110 mm的钻头进行钻磨管片，待管片磨穿后更换φ89 mm的冻结管进行钻进。冻结管的尺寸根据设计长度进行调配，每个冻结管之间的丝口须进行焊接，并检查焊接质量，根据设计要求复核冻结管的外露尺寸及钻孔角度，在满足上述要求后方能对孔口管预留的注浆孔进行注浆作业，待注浆完成24 h后方能拆卸球阀并立即用环形钢板把冻结管与孔口法兰焊接。

正常钻进时，宜先采用无水钻进，这样可以减少水土流失，对控制地面和隧道的沉降十分有利。钻进困难时，可在钻头部位安装一个特制单向阀门，采用带水钻进方式。冻结管到达设计深度后冲洗单向阀，并密封冻结管端部。在钻进过程中，如发生水土流失，可根据每日的监测情况，及时通过安装在孔口管部位的旁通球阀对土体进行补压浆，以单液浆为主，以控制钻孔对周边环境的影响。在冻结管内安插供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

2.3 成孔质量检查

（1）保证冻结孔开孔位置误差不应大于100 mm、开孔间距误差不应大于150 mm。

（2）由于冻结孔深度小于10 m，故冻结孔成孔最大间距不得大于1.3 m，冻结孔最大偏斜率不得大于1%。

（3）冻结孔钻进深度应不小于设计深度，不宜大于设计深度0.5 m；冻结管管口露出孔口管不宜小于100 mm，施工完成后的冻结管应做好保护，管内不得留有任何杂物。

（4）冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，试验压力应为冻结工作面盐水压力的1.5倍～2倍，且不宜低于0.7 MPa，试压30 min压力下降不应超过0.05 MPa，稳定15 min压力无变化则为试压合格。

3 钻孔、成孔期间存在的问题、风险控制及其优化处理

3.1 钻孔期间涌水涌砂抢险措施

主线联络通道A7冻结孔钻孔期间，发生涌水涌砂现象。A7冻结孔为上部仰角孔，设计角度为22°，设计深度为5.7 m。未钻孔前地层压力约为1.2 MPa。

发生涌水涌砂现象后，现场大量流砂从大球阀与孔口管之间密封垫涌出，作业人员立刻抽出钻杆，关闭球阀阀门，但由于球阀安装前未进行试验性检测，该球阀已损坏，导致无法正常关闭阀门，技术人员迅速将应急物资中的圆木块端头裹上棉絮，再通过钻机推力强行顶入孔口管内。待无涌水涌砂后，通过旁通球阀进行补充注浆，注浆泵压力达到3 MPa后停止注浆，累计注浆量约2 t。涌水涌砂失控时间约为15 min。通过第三方监测机构测量地表沉降量，单日地表下沉量累计沉降值为1.7 mm，未超过3 mm的预警值，无需进行地表注浆。待旁通球阀补充注浆完成12 h后，打开旁通球阀注浆阀门，无流砂现象后拆除老化球阀更换新球阀及密封垫，重新进行钻孔施工。

3.2 成孔试压冻结孔问题优化处理

为了检测冻结管的密封性，成孔结束后应对每个冻结孔进行试压试验。本工程联络通道冻结孔试压期间发现A8冻结孔试压存在密封性问题。

A8冻结孔为上部仰角孔，设计角度为22°，设计深度为5.7 m；打压期间初始压力为0.9 MPa，30 min后下降至0.78 MPa，试压不合格。

技术人员对A8冻结孔进行洗孔并重新安装丝堵，但随后进行的打压试验仍不满足要求。依照已确定的方案，下放钢质套管，套管内下放直径约32 mm的钢质供液管。由于冻结管直径为89 mm，套管直径为50 mm，冻结管与套管之间存在隔层，积极冻结期间将影响冷量传递及冻结帷幕的形成。为了不影响后期冻结效果，将A8冻结孔单独集配液圈接一个管路，积极冻结期间不进行盐水循环，并在A8冻结孔中部放置一个温度观感器，用来监测温度变化，待周边土体冻结，观感器温度在0℃以下后取出温度观感器，用两根细铜管（一根用于进水，一根用于出气）深入套管与冻结管的孔隙（隔层）中至单向阀位置，用简易注水泵通过细铜管向隔层中注水，使水由上往下流，且冻结管孔口位置应提前用封水板进行密封，保证水不流失，待隔层注满水且隔层完全结冰后再装羊角管及盐水管路，进行积极冻结。积极冻结期间羊角结霜正常且无渗漏。

4 结 语

本文主要从钻孔前准备、钻孔期间施工工艺流程、钻孔期间涌水涌砂风险控制具体措施及冻结孔成孔后试压试验不合格情况下所采取的优化方案这四部分进行阐述。过程分析如下。

（1）从冻结孔施工全过程来看，冻结孔在施工顺序上存在问题，虽然从后续冻结帷幕的形成及开挖面的稳定性等方面来看，并未对土层造成实质性影响，但仍不可取。

（2）钻孔期间最容易被忽视的往往就是施工前的材料检查，如本工程中的大球阀及法兰间的密封垫。施工前应组织相关人员检查材料设备及应急物资的准备情况，为施工期间提供保障。

（3）成孔后，由于密封性问题采用下放套管的方案，虽然操作过程较为复杂，但相较于重新补孔带来的风险，仍算是优选方案。

总体而言，本工程施工过程中未发生较大质量问题，整体控制效果较好，能够为类似工程提供参考。