浅谈富水砂层盾构隧道联络通道冷冻法加固施工技术

杨子健

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710000）

联络通道的工程施工作业是目前盾构隧道项目中实施的风险高发作业，在隧道中联络通道，地层条件偏差，往往会由工程人员先使用地层加固，之后再使用矿山开挖的方式。冷冻法比较适合淤泥层、砂砾层的土层，以及那些冻土稳定程度、质量好的底层土壤。工程人员检测地下水温度变化状况，了解冻土层的实际状况，而且工程控制相对精确，冻土完整程度好。

1 冻结法的概述

在盾构隧道联络通道地层下地下水相对较多，而在地层中分布着透水性比较好的砂砾层，地下水流速偏快，在形成洞口时，耗费能量多，洞口凝结时间较长，而且冻土质量不容易保证，这时，使用注浆法来加固地层，堵塞地下水道能减少地下水流速，之后再冷冻，这样才可以达到更好使用效果，冻土也会形成冻胀。因此控制好地面强度相对困难，冻结法投入成本大，造价费用高。工期施工时间长，地层中地下水流速超出了30m/天，地层地下水流速会达到90m/天，从专业角度上来讲，冷冻方案风险偏大，并且冻土融化之后,能造成融沉结构薄弱位置出现渗水漏水。

2 冷冻施工的要点分析

2.1 冷冻帷幕的设计

冻土层硬度强度设计指标值为抗折性2MPa，抗剪性为1.35MPa，抗压为3.5MPa。在地上挖掘周边外围，要不设冻结壁或者隧道管片交接的面上，其高度不能够超出零下5℃，其部位设计平均温度为零下10℃冻结后，加厚层为1.8m。

2.2 冻结布孔

（1）冻结孔的布置。冻结孔需要按照上扬、水平、下浮的三个角度来布设，共布置的洞穴孔达到了64个，其中会设置4个穿透孔。在隧道两侧来进行打孔施工，冻结孔的开孔实际位置误差不能够超过10cm。冻结开口需要有最大允许偏差，误差范围不会超出15cm，其中冻结孔会碰到盾构侧管片，能够循环的接水管头，其总共长度不会超出15cm，使用直径为89mm，管壁厚为8mm冻结管。并使用型号为20低碳型钢材、无缝管。

在冻土孔施工作业中，整个土体的流失量不能够大于冻结孔体，否则就要及时进行注浆控制。施工透孔要做到与隧道流口的位置没有偏差，或者钻孔施工质量如果大于10cm，那么就要保证冻结壁的实际厚度，原则上与冻结孔的布置能做出合理调整。

（2）测温孔的布置。测温孔布置为6个，在上行为3个，下行为3个，布置测温孔多是监测冻结帷幕的不同位置上温度，并且根据这些温度变化，采取合理控制措施，以保证整个施工安全。测温孔尺寸要求，测温管可使用直径为32mm，厚度为4mm的无缝钢管，管道长度可以达到6m。在管前端应用焊接来密封管内，不能够留有渗水的缝隙。

（3）卸压孔的布置。在冻结的帷幕封闭区域上行和下行分别为2个孔，安装上压力表，这样就能够直观检测冻结帷幕内部压力变化状况。通过每日观测，及时判断冻结孔形成可直接释放冻胀压力。卸压管可以选择直径为32mm的无缝钢管，钢管壁厚为3.5mm，每个线压管长度为2m。在管圈端口开孔，进入到土体内部，钻孔会呈现梅花状，这样会保证冻结孔体内部压力可以传递。

（4）制冷的设计。土层冷冻期及盐水温度会达到零下20℃，围护冻结期的温度为零下25℃。整个冻结的时间会达到30天，冻结的时间为25天。

3 冷冻质量控制和监测

3.1 监测内容

使用冻结设备来监测土壤内的冻存状况，其盐水温度可冷却时，进出时温度数值及冷冻机室排气运动和盐水泵运行时压力数值。冻结排气压力数值和制冷系统冷凝的压力数值。智能系统检测气化压力值、温度，开挖支护的帷幕表面温度和开发之后的冻结帷幕，检查隧道主体建设内容，检测隧道水平垂直方向产生的变形状况，进一步去检测地面管线的沉降状况。

3.2 监测方法

工程人员使用水平冻结孔偏斜监测，并且配合灯光来进行冻结期密封性的检测，在管理部注水，来检测密封性状况，使用压泵加压方法检查土体渗漏，渗漏程度都要符合水平冻结设计要求。在温度监测方面，制冷设备内部的冷水循环，可以使用测温仪器设备，使用精密化水银温度计量设备检测，每天检测三次。在初期要每三小时检测一次。在制冷设备系统内部的工作压力，要安装压力表来检测，这种高压系统会使用2.5MPa的压力表，中低压系统会使用0.16MPa的压力表来检测，检测频次为每天三次。地面测量在联络通道位置上，距离地面中心有50m，在这些稳定区域上要放置2个沉降检测基准点。在联络通道位置上，距地面有20m区域内，布设沉降点，测点间距会达到5m，在联络通道位置上及管线和建筑物的位置上加密监测点。

在联络通道的50m之外的稳定区域，分别放置水平和两个垂直型的基准点作为负荷点，在通道两侧50m范围之内，在隧道水平位置上及垂直方向上,要求地缝变形对其进行系统监测，监测点上还要放置在隧道地面上，各监测点的距离大约为2m。隧道内数量监测点布置要在隧道上下方和作业隧道壁上，都需要布置，涂抹油漆来标记。

4 融沉注浆施工要点

4.1 融沉的工程控制原则

结合目前隧道施工环境，采用自然解冻的方法来解冻，并且结合监测数据信息，及时跟踪，以管控好融沉，在停止解冻的5天左右及混凝土硬度强度值达到近70%，就可以开展融沉的操作进行浆液的灌注。

4.2 注浆孔的布置

联络通道隧道底部的端口可以使用管片增加，在有必要时候，可使用钻机在管片上开孔，同时增加注浆孔联络通道结构，预埋注浆口的布置，在联络通道两端各布置一个注浆断面通道部位，布置三个注浆断面，埋设的管道可以用5mm的焊接管，顶端会带有螺纹管道。

4.3 注浆工艺的要点

融沉注浆操作应该在施工前使浆液完成浇筑之后，结合检测反馈信息，快速去注浆，并以此控制好注浆量，使用冻结帷幕的施工方式在注浆。合理注浆操作，整个冻结区还需要压浆，紧密压实，使用结构体预埋注浆管，在原有管片上来注入混凝土浆液。将停止冻结之后的混凝土结构体强度会达到70%。并且进行融沉的注浆，使其持续的时间会达到4个月。一般会使用水泥浆液的配比为水和水泥比例为1:1，注降压一般控制在0.3～0.5MPa。工程人员控制好地面的沉降变形，这是目前混凝土浆液浇筑的一大目的，在解冻期间，还要进一步加强对地面变形检测，中筒温度监测与冻土后的水土压力检测，融沉注浆结束之后会以地面变形稳定作为实际，依据冻结壁全部融化且不注浆的状况，实际的地层沉降数值在一个月内不会超出0.5mm，此时来停止融沉补偿性的注浆。

5 富水砂层盾构隧道联络通道施工研究

隧道联络通道中使用地面管道降水和洞内的降水技术相融合方法，这种方法就能够进一步实现加固堵水作用，还可以实现减压限排的工程作用，为了能够使联络通道在少水条件下挖掘。在地面降水能够达到工程建设要求状况下，使用周边的小导管注浆，这样就可以降低基坑施工时的流水和流沙的风险，这种方案更加合理，而且技术措施比较有效，施工效果更好。

砂砾层往往会夹杂着中沙或者细粉沙，如果使用普通类型的设计方案，及使用水玻璃、普通水泥颗粒物变大，会造成浆液扩散。在进行注浆加固位置薄弱部位偏多，容易出现用水问题发生。注浆时，使用超细水泥或者聚氨酯类的注浆材料，来及时补充砂浆液、浆液内，不可以在细小孔隙内扩散，并且实现进一步的加固，可有效改善目前的注浆施工效果，显著降低地层渗透系数，也进一步延长时间，为支护作业而创造更好的工作环境。

在施工作业中，工程人员注浆，就能够进一步增强地层密实性，实现地层加固，及多水的工程建设目的。注浆方法受到局限，注浆位置区域会存在着盲区，因此要及时避免盲区，以保证整体的工程和环境的安全。

在覆水的沙砾层开挖隧道，挖掘地坑会产生突水涌砂的问题，造成地基出现管涌的风险，在施工作业前，要制定好应急处理方案，及时做好应急处理准备，并且还要准备凝块、溺水袋、沙袋、棉纱。一旦发生险情，要快速处理应对，及时封堵，防止这些险情发生。在该施工作业场地，开挖基坑时，使用棉纱、木塞方式来快速堵住出水点，并且要用沙袋去反压，喷射混凝土浆液来封闭补强，会达到更好的施工注浆效果。

6 通道及泵房构筑

在施工前段面的挖掘方法，开挖布局为0.5m，先试挖之后保证安全，再去拆除钢管片，之后再正式挖掘通道。人工装土到区间隧道中运行的运输车辆中运走。根据前期探孔揭示的联络通道处地质情况，适合采用风镐及铁锹开挖。

挖掘方法使用人工和机械挖掘的方法，往往会使用全断面人工挖掘方法，开挖断面，会使用风镐。施工过程中严格遵循短开挖、强支护、快封闭、勤测量的原则，有利于支护尽早封闭，控制地表沉降，开挖断面超挖不大于30mm。

联络通道开挖方面时，首先沿轴线方向挖长1.2m、高1.8m、宽1.2m的导洞，导洞支撑用16号工字钢“门”字形焊接架设，支撑间距0.4m（架设3榀），支撑靠近土体的一侧安装木背板，导洞的作用是利用喇叭口的土体对喇叭口部位进行保温，待通道全部挖完后再回刷喇叭口，这样减少喇叭口的暴露时间。由于洞口尺寸小于联络通道结构尺寸，开挖洞口截面在1.5m范围内渐变至结构截面。开口处采用爬坡开挖,爬坡角度控制在30度以内。为保证洞口稳定，洞口1.5m渐变段为后挖带，即在联络通道其余部分开挖完成后再开挖该部位，待通道二衬施工完成后最后开挖泵房段。

开挖面土体温度检测：开挖过程中，使用“点温计”定期（每3小时一次）对掌子面顶部、侧面、下部土体进行温度测量，进行记录，温度应具有规律性的渐变，如发现异常变化升高，应高度关注测温孔、盐水系统温度变化是否正常，检查掌子面是否有渗水漏水情况，做好应急准备，分析升高原因，务必确保冻结壁完好，此时应及时封闭已开挖的暴露冻结壁。

二衬浇筑前对排水管沟槽进行一次性开挖，开挖成U型槽形状的断面，U型槽上口尺寸为2.5m，下口尺寸为1m，深度按排水管的标高进行开挖，原则上让排水管周围全部均由混凝土包裹，以确保后期排水管不漏水。

联通通道开发之后，地面中原有应力平衡受到破损，而引起道路周边地槽应力再次重新统计分布，这种分布应力，可以使上层地层出现位移，而且会形成新的附加荷载。将加固好的冻土，当冻土超出所承受的压力，超出了冻土强度数值时，冻土帷幕中出现紧缩问题，要最大化控制好这种问题。冻土开挖之后，还要对冻结部分，做好必要支护，将联络通道突击支护作为维护地层等稳定基层，这是保证施工现场安全的重要措施，将初期的维护，可以作为永久维护的重要组成。

考虑到目前施工现场有加工好的钢格栅，一方面，钢格栅是完全满足设计承载力要求的；另一方面，上一次开挖该通道时，除两端门口位置处，通道部分使用钢格栅已经完成了大部分的初期支护，预计此次开挖过程仅需对两端头及个别初支损坏处进行支护，使用钢格栅支护后立即喷砼的方案对冻结壁影响较小（融化作用对冻结壁的影响不至于使冻结壁破坏），且喷锚完成后对该处支护是一种加强作用，可以抵消冻结壁的弱化。因此，使用钢格栅是完全满足要求不具备风险的。

7 结语

在隧道施工作业场地出现富水砂层，要通过使用冷冻方法来冻结地层，工程人员在施工场地，要合理布设冻结口，把握冻结孔内的直径和各孔之间的间距，及控制好孔身。并且在施工场地周边布设大量测温孔和泄压孔，加强冷冻土的温度监测，检测钻孔深度，铺设冻结管长度，及建立起冻结监测系统，加强隧道周边土体监测和冻结帷幕的检测，及温度检测、压力检测和地面检测及隧道监测。