兰州地铁联络通道疏松砂岩地层工程地质特性及冻结法施工浅析＊

卢志润，魏蒙恩

（1.甘肃永鼎昌盛建筑工程有限公司，甘肃 定西 730500；2.兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730021）

1 引言

兰州地铁1、2号线范围内超过一半的工程点位（简称工点）均揭露了饱水、松散、易扰动和承载低的疏松砂岩地层，成为整个工程的难点之一，被国内地质专家称为“世界性施工难题”[1-2]。疏松砂岩属于甘肃新近系和古近系地层中一套或多套地层，是西北地区特殊的弱胶结岩层，常见于兰州盆地及周边的大型重大地下工程中[3-5]。根据兰州市城市轨道交通已建工程经验及建设规划，3号、4号及7号线等多个工程的城关区段内，有将近一半车站和区间会遇到疏松砂岩地层[6]。兰州地铁应对此套地层综合运用了明挖、TBM盾构法、矿山法、暗挖法、人工冻结法等多种施工方法。其中联络通道（或称旁通道）是地铁中最主要的连接结构，传统采用浅埋暗挖法、矿山法施工，当遇到富水、软弱等地层时，成本较高的冻结法施工则成为主要备选方法[7-8]。2016年底以来，1号线共有5处疏松砂岩和卵砾石层联络通道采用了冻结法；此后2号线所有的联络通道均采用冻结法来加固了疏松砂岩地层[9-11]。

虽然冻结法可以解决涌水、涌沙等其他工法难以解决的工程难题，但由于疏松砂岩联络通道本身具有地层多变、结构复杂、作业面狭小、应力集中、安全风险高等特点，在实施过程中也存在很多的问题和风险。对此套地层的分布情况、工程地质特性及冻结施工特性的充分认知，将有益于今后兰州地铁及其他地下工程建设。

文章基于兰州地铁及多个地下工程，针对地铁揭露疏松砂岩地层联络通道冻结法施工，系统梳理兰州疏松砂岩地层分布情况、基本工程地质特性及冻结特性，分析兰州地铁疏松砂岩冻结法施工风险，并对比不同工程、不同类型工点冻结法施工差异，以期为今后区域内此套地层冻结法施工选择提供有益的参考。

2 兰州地铁疏松砂岩地层工程地质特性分析

根据疏松砂岩与其地层接触关系、含水情况、颜色、胶结情况等工程地质特性，也常被称为半成岩、弱胶结砂岩、富水红砂岩、特殊红砂岩、强风化砂岩、流沙层等，下文均称为疏松砂岩。

2.1 兰州地铁疏松砂岩地层分布情况

（1）区域分布情况。兰州盆地以北的疏松砂岩主要位于新近系地层，如引大入秦盘道岭隧道的新近系中新统地层（N1）；兰州黄河北岸大部分工点现于（N1-2），如在建的G312线清傅6标水阜一号隧道、水阜二号隧道、连霍高速公路清忠二标项目邵家堂隧道、连霍高速公路什川隧道等中疏松砂岩主要位于新近系咸水河组（N1x）。兰州盆地以南的疏松砂岩主要位于新近系地层，如引洮一期工程7号隧洞的新近系临夏组（N2l），兰渝铁路胡麻岭隧及定临高速胡麻岭隧道中的新近系临夏组（N2l），此外兰临高速齐家庄隧道也有出露。兰州盆地内的疏松砂岩在新近系和古近系地层中均有发现，其中兰渝铁路桃树坪隧道内位于新近系地层（N2），地铁线内则主要出露于古近系（E）多个地层。

（2）地铁沿线平面分布情况。兰州盆地疏松砂岩地层受构造运动影响，主要分布于兰州断陷盆地雷云河断裂以东和深沟桥以西区域一定深度处，分布范围大，地铁沿线则主要出露于城关区范围内。根据地铁工程，1、2号线范围内含车站和区间共有33个工点涉及到此套地层，占所有工点的58.9%。其中1号线18个工点，包括西关及以东9个车站（占全线20个车站的45%）和9个区间（占全线19个区间的47%）；2号线15个工点，包括7个车站（占全线9个车站的78%）和8个区间（2号线所有区间）。主要在东起东岗西至西关十字，南起火车站北至雁白大桥范围内。

（3）地铁沿线剖面分布情况。地铁沿线地层向下主要可分5层：杂填土、黄土状土、卵石、疏松砂岩（强风化砂岩）、中风化砂岩等。其中疏松砂岩层常与上下相邻的卵石层和砂岩层呈不整合接触关系，层理不明显或无层理，岩层基本上由东向西倾斜；层厚相对稳定，形状、成分及结构等在剖面上差异较小，局部夹有泥岩、砾岩或细砂层。城关段疏松砂岩埋深在15 m左右，黄河附近埋深8～10 m，南部近山一带埋深可达20 m；根据已有文献及《1∶25万兰州市幅建造构造图》（甘肃省地质调查院，2008）资料，此套地层主要位于新近系和古近系，以渐新统野狐城组（E3y）、古－始新统（E1-2）为主。

2.2 疏松砂岩地层基本工程地质特性

疏松砂岩物理力学性质极差，地层强度很低，围岩承载力和自稳能力极差，易造成开挖面失稳，工程地质及水文地质问题尤为突出。

（1）物理特性。疏松砂岩常呈棕红色、砖红色、橘红色和暗红色，颗粒比较纯净，杂质较少，主含矿物为石英、长石，部分工点含少量云母；颗粒大小较为均匀，工点间差异相对较小，分选良好，具有一定的磨圆度，按照土工试验结果，可划分为含细粒土砂、细粒土质砂、细砂等。比重2.64左右，含水率8%～15%，饱和含水量约18%，天然密度2.198 g/cm3；疏松砂岩骨架颗粒呈单粒结构，排列较紧密；泥质胶结，但胶结物很少，胶结差，连接微弱；孔隙度较大，呈均匀松散的孔隙结构类型。

（2）力学及水理特性。疏松砂岩具有低压缩性、低强度，尤其内聚力低，小于70 kPa，部分工点单轴饱和抗压强度不足1 MPa，变形模量仅40～131 MPa，内摩擦角30°～35°。开挖暴露后易风化，含水量较低时，强度微弱酥脆，扰动后易散为粉末状沙土，容易用手捏碎；遇水或含水量较高扰动后易流变、崩解尤其扰动后急速变成砂浆、泥浆，易涌流。兰州地铁比邻黄河，大部分工点的疏松砂岩均在地下水位以下，处于富水、饱水状态，加之其具有一定透水性，施工风险大、难度大。

2.3 疏松砂岩地层冻结工程地质特性分析

疏松砂岩的冻结特性直接影响地层冻结法施工的质量，根据疏松砂岩不同工点原状样、冻结样、重塑样实验，此类地层具备优良的冻结特性和良好的温度特性，施工后期及工程运营阶段，应充分考虑到因地层温度的变化而引起强度的改变。

（1）人工冻结特性。根据冻胀实验，其冻结等级均为I级，属于不冻胀少冰冻土。考虑工程扰动，取平均值12.18%的试样配制重塑样，当温度为-10 ℃时，试样单轴抗压强度平均值增加至5.578 MPa，弯拉强度平均值增加至2.08 MPa，抗剪强度平均值增加至1.56 MPa，冻结后其力学性能明显改善，尤其内聚力大幅度增加（10倍左右）。

（2）解冻融沉特性。根据融沉实验，其融沉等级为I级，属于不融沉类别。当其解冻后，相比冻结状态其力学性质大为劣化，特别是扰动后，将低于原状疏松砂岩。相比原状样，冻结解冻后密度略有降低，但孔隙度显著加大，渗透系数增大近10倍，与电镜实验微观结构中对孔隙度变化的分析结果一致，这也间接表明地层经过冻结及解冻以后，其结构发生变化，孔隙增大。

3 地铁联络通道冻结法施工基本情况及风险浅析

地铁土建施工分为盾构区间施工、车站主体施工和附属结构施工几部分，其中车站施工主要有明挖法、盖挖法和暗挖法，区间线路以盾构施工、明挖为主；而作为地铁附属部分的联络通道，一般采用矿山法和暗挖法施工，在常规方法无法奏效的情况下，常被迫采用冻结法。兰州地铁1号线共设26个联络通道，2016年，1号线五里铺至东部市场站区间联络通道疏松砂岩首次采用冷冻法加固方式并取得成功，此后除了省政府车站基坑支护局部冻结工程以外，1号线共有5个联络通道采用了冻结法，占全线26个的19%；在此基础上2号线7个联络通道均采用冻结法，占全线7个的100%。

3.1 地铁联络通道结构风险分析

联络通道两端与上下行已建盾构隧道连接，具有收集地铁运行时的积水及人员疏散作用，有地铁“生命通道”之称，中间位置一般设有泵房，常处于地铁最深处，位置特殊、自身结构和连接处结构复杂，应力集中明显；加之兰州地铁毗邻黄河，地下水流速大、冲刷力强，地质及水文条件复杂，涌水塌方等事故发生可能性大。施工时需要在上下线盾构隧道管片处开孔施工，施工工序繁琐，作业面小，大型设备无法施展拳脚，不仅要考虑自身安全稳定，又要考虑已建连接隧道及周围环境的安全稳定。

3.2 人工冻结法施工优势分析

冻结法原理简单、适应性强，可有效隔绝地下水，加固围岩，几乎不受地层条件的限制；施工灵活且属于“绿色”施工方法，对环境零污染，特别对复杂地层施工经济合理，符合工程发展大趋势。相比常规方法，冻结加固方法设备及工艺复杂，成本较高，仅前期主动冻结就需要近50 d，后期施工时需要维持冻结，并需要考虑对工程相邻关键部位冻融作用影响，因此线型工程较长距离一般不建议首选冻结法。但是对于联络通道等灾害严重的区段或长度适中的关键地段，如穿黄段富水砂卵砾石层及市区段饱水疏松砂岩地层，施工经济合理，建议首先考虑冻结法进行施工。

3.3 联络通道冻结法施工过程风险分析

联络通道冻结法施工一般是在常规方法实施时的被迫选择，工程环境更加复杂，在冻结前准备阶段、积极冻结阶段、维持冻结阶段、解冻融沉阶段均存在很多风险点。在冻结前准备阶段主要存在钻孔涌水涌沙、冻结管偏移、管片损伤、器具掉落等风险；在积极冻结阶段主要存在冻胀量过大、冻结管泄漏、冻结帷幕不达标等风险；在维持冻结开挖施工阶段主要存在冻结帷幕因强度不够等因素失稳、透水、涌泥、涌沙、通道围岩变形过大、衬砌混凝土开裂变形等风险；在解冻融沉阶段主要存在融沉量过大、冻结管涌水涌沙、衬砌混凝土开裂变形等风险。

4 疏松砂岩冻结法施工对比分析

4.1 地铁不同类型工点及地层冻结施工应用

在地铁施工中，冻结法可用于富水软弱段冻结加固、联络通道冻结加固、隧道进出口处冻结加固和涌水涌沙等特殊洞段冻结加固施工4种情景。兰州地铁冻结法主要应用在车站基坑局部止水加固和联络通道冻结加固2种情况，且均属于地区内首次冻结法施工。除省政府车站2个基坑间咬合桩周边疏松砂岩地层局部人工冻结加固止水工程外，其他的冻结工程则主要为地铁联络通道的加固。

兰州地铁联络通道中冻结法主要应用于市区段疏松砂岩地层段和穿黄段卵砾石层2类地层的加固。其中针对疏松砂岩地层加固的共有12处，1号线省政府至东方红广场区间联络通道、东方红广场至盘旋路区间联络通道、盘旋路至五里铺区间联络通道等5处，2号线全部的联络通道7处，冻结法施工主要针对富水、结构疏松、易风化、易扰动、易崩解、泥化涌流、无承载等工程难题，冻结可参照的工程及参数少。针对卵砾石层加固的主要在1号线迎门滩马滩区间联络通道及马滩土门墩区间联络通道，砂卵石层属于国内首次4穿黄河地铁线特殊地层，岩层透水性极强、地下水流速高且动水压力大，联络通道冻结法施工过程中存在易涌水、易塌孔、易磨损、易断裂等各类工程风险，冻结可参照的工程及参数很少。

4.2 不同工程疏松砂岩冻结施工应用

冻结法中常用的有液氮直接冻结法和盐溶液循环冻结法等，由于液氮冻结成本较高，目前多数用于工程抢险，而盐溶液冻结方法应用较广泛，也是兰州地铁及引洮1期引水工程7号隧洞冻结加固的首选。盐溶液冻结法施工中，利用氨（NH3）为制冷剂的冷冻设备，将冷却到-20～-30 ℃的氯化钙（CaCl2）溶液输送至指定地层区域，经低温盐水长时间循环吸取管外的热量，使周围地层冻结并达到一定的范围和开挖强度后，进行开挖施工。兰州地铁冻结工程中定点区域常年地温14～20 ℃，积极冻结时间在40～50 d，冻结后温度保持在-24～-28 ℃；开挖、初期支护和二次衬砌施工期间维持冻结；此后按程序将围岩解冻恢复至自然温度，融沉注浆完成整个工程。

兰州地铁联络通道疏松砂岩地层开挖长度4.8～12 m，冻结区域埋深20 m左右，最深的将近40 m，难点在于地面邻近建筑物多、管线较为复杂，施工属于“洞中打洞”，所有工序均在隧道内完成，施工工作面小、难度大。1号线五里铺至东部市场站区间联络通道首次采用冷冻法加固方式并取得成功，是后期地铁线路其他疏松砂岩地层联络通道冻结法施工基础。与兰州地铁联络通道疏松砂岩地层相比，引洮7号隧洞属于埋深隧洞，地层压力较高，工程地质环境差异大，可参考性低。引洮疏松砂岩地层冻结位于地下235 m左右；地表无特殊建筑，冷却塔置于地面，冻结时间相对长、冻结效果可控性低、施工难度较大。

5 结论

人工冻结法成本较高，且有一定的技术难度，但在兰州地铁联络通道复杂地质环境下算是比较成功的选择。

（1）疏松砂岩是广泛分布于兰州周边尤其是地铁城关段的一套或多套古近系和新近系弱胶结地层，工程地质性质差、工程地质问题突出，是兰州地铁建设最主要的风险源及施工难题之一。

（2）利用人工制冷技术地层适应性强，可改良地层的物理力学特性，将待开挖地层冻结形成强度加固的冻结体，可有效提高加固施工板结功效，降低施工风险，但成本相对较高。

（3）地铁联络通道结构特殊，不同地层施工风险不同；尤其是兰州地铁联络通道疏松砂岩地层常规加固方法无法达到开挖要求，广泛采用了冻结法施工，效果显著。

（4）人工冻结法已在兰州市复杂地下工程施工难题中探索出一条安全、绿色的成功路径，可在今后拟建的地铁含水疏松砂岩地层联络通道建设中被优先推广应用。