地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中的漏水搶險及后續(xù)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究

葉松明

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 研究背景

聯(lián)絡(luò)通道作為現(xiàn)有2條并行隧道中間聯(lián)通的“逃生通道”，一般在主隧道基本完成后開始施工。目前，位于土層中的聯(lián)絡(luò)通道大都采用凍結(jié)法加固、礦山法施工完成。凍結(jié)法可有效隔絕地下水、適用性廣、對周邊環(huán)境影響小，但對于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件，當凍結(jié)效果不理想時，易存在涌水、漏砂、后期融沉等不利影響。

上海所處地區(qū)的多數(shù)軟土層含砂、含水量高。上海地面的建筑物密集，地下管線設(shè)施稠密。由于聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置要求的特殊性，且所處位置較深等復(fù)雜性和不可確定性，造成聯(lián)絡(luò)通道的施工難度和風險大大增加。當采用凍結(jié)法施工出現(xiàn)漏水、漏砂等不利風險時快速積極地進行應(yīng)急響應(yīng)，控制和減小聯(lián)絡(luò)通道的施工風險，是地下工程聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計與施工需要解決的一個難題。本文對上海軌道交通17號線漕盈路站—淀山湖大道站區(qū)間6#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中遇到的漏水搶險應(yīng)急及后續(xù)修復(fù)處理方案進行總結(jié)介紹，以供類似工程參考。

2 工程概況

2.1 總體概況

上海軌道交通17號線工程9標段合同工程范圍為：西段盾構(gòu)工作井—淀山湖大道站盾構(gòu)區(qū)間、淀山湖大道站—1#風井—漕盈路站盾構(gòu)區(qū)間隧道工程（含6座聯(lián)絡(luò)通道），自西向東編號依次為1#～6#。本文討論的6#聯(lián)絡(luò)通道位于1#風井—漕盈路站盾構(gòu)區(qū)間，靠近漕盈路站（圖1）。6#聯(lián)絡(luò)通道處上（下）行線盾構(gòu)隧道里程分別為SK12＋175.000（XK12＋182.800），中心距為13.000 m，上行線隧道中心標高－13.630 m，下行線隧道中心標高－13.574 m，聯(lián)絡(luò)通道處地面標高＋3.82 m，中心埋深約為17.45 m。

6#聯(lián)絡(luò)通道采用水平凍結(jié)法加固地層，礦山暗挖法施工，聯(lián)絡(luò)通道主設(shè)計施工過程內(nèi)容包括：聯(lián)絡(luò)通道地層凍結(jié)加固、施工支護、隧道支撐和防護門。聯(lián)絡(luò)通道由與隧道鋼管片相接的喇叭口、水平通道構(gòu)成。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道位置示意

本工程聯(lián)絡(luò)通道所在位置的隧道管片為鋼管片，隧道內(nèi)徑5 900 mm，管片厚350 mm。襯砌采用二次襯砌方式，初次支護采用型鋼支架和C20噴射混凝土結(jié)構(gòu)，厚200 mm，二次襯砌為厚450 mm的C40P10現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在臨時支護層和永久結(jié)構(gòu)層之間設(shè)1道防水層（圖2）。

圖2 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)示意

2.2 地質(zhì)、水位條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，6#聯(lián)絡(luò)通道全斷面位于⑥2砂質(zhì)粉土中（圖3）。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)剖面

場地沿線賦存潛水、微承壓水和承壓水。潛水埋深0.3～1.5 m。⑥2微承壓水位標高－12.20～－2.58 m，⑥3 t微承壓水位標高－18.70～－10.56 m，⑦2承壓水水位標高－26.38～－21.74 m。經(jīng)勘察，工程沿線盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)分布⑥2、⑥3t層粉性土，滲透性較強，在一定水動力條件下易產(chǎn)生流砂。

2.3 周邊環(huán)境

6#聯(lián)絡(luò)通道南北兩側(cè)分別為民樂佳苑及民樂佳苑二期；其中，民樂佳苑二期基礎(chǔ)采用預(yù)制樁；所在位置地面為盈港路，地面以下給水管、煤氣管、雨水管、污水管較多。其中φ800 mm雨水管處于6#聯(lián)絡(luò)通道正上方。

3 6#聯(lián)絡(luò)通道前期施工及應(yīng)急搶險處理情況

3.1 聯(lián)絡(luò)通道前期施工情況

凍結(jié)孔施工情況：6#聯(lián)絡(luò)通道上行線凍結(jié)孔施工開始于2016年3月19日，2016年3月27日全部完成，本次鉆孔采用單面打孔的方式，共施工凍結(jié)孔40個。 測溫孔、泄壓孔施工于2016年3月27日全部結(jié)束。測溫孔上行線布置2個，下行線布置6個，共計8個。泄壓孔上行線2個，下行線2個，深度為3.0 m，均布置在開挖斷面內(nèi)（圖4）。

圖4 凍結(jié)孔平面布置

凍結(jié)施工情況：6#聯(lián)絡(luò)通道冷凍機于2016年4月13日開始正式運轉(zhuǎn)，開機后溫度迅速下降，4月19日（凍結(jié)7 d）鹽水去、回路溫度就已達到－18 ℃以下，到4月25日（凍結(jié)13 d）鹽水去路溫度就已達到－24 ℃以下，設(shè)計要求15 d，均符合凍結(jié)設(shè)計要求。去、回路溫差滿足設(shè)計要求（2 K以內(nèi)）。凍結(jié)設(shè)計要求開挖前達到－28 ℃以下，本工程5月19日（已凍結(jié)37 d）達到了－28 ℃以下。

結(jié)構(gòu)開挖情況：至2016年6月1日，已積極凍結(jié)48 d，各項指標達到設(shè)計要求，并通過了開挖條件驗收。2016年6月5日，正式開始開挖，洞門打開后，凍結(jié)效果良好，開挖暴露面結(jié)霜情況良好，各項測溫數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。

3.2 聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)急搶險過程

2016年6月9日早上7點，聯(lián)絡(luò)通道已經(jīng)挖通，通道內(nèi)正常段的型鋼支架已全部安裝完畢，木背板施工也已完成；在挖下行線上部喇叭口時，通道右最上方1點鐘方位，開始出現(xiàn)少量滲水；在封堵無效的情況下，果斷關(guān)閉安全門，并封堵兩側(cè)部分螺栓孔滲漏水。同時通過對滲漏點注聚氨酯，隧道內(nèi)搶險工作完成后進行隧道清理工作，并對上、下行線開始施加圓木支撐（圖5）。

另外，漕盈路自東向西方向車道滲漏嚴重，出現(xiàn)大面積塌陷，為確保安全，立即對該路段進行臨時封閉，并安排專業(yè)人員用地質(zhì)雷達對地面以下情況進行探測，確定地下空洞范圍，制訂注漿方案。地面注漿共布置53個壓漿孔，使用55 t水泥。盈港路沉降區(qū)域采用多臺注漿設(shè)備注水泥漿-水玻璃雙液漿。

圖5 關(guān)閉安全門及堵漏、圓木支撐

同時，對于鄰近聯(lián)絡(luò)通道上方開挖受損區(qū)域的雨水管，所有受損管節(jié)已全部吊出，并完成以下工作：雨水管道全部排好；黃沙塢幫完成；雨水井砌筑完成；雨水管上部混凝土澆筑完成，正在養(yǎng)護及兩側(cè)側(cè)平石施工。以上幾項工作確保了盈港路快速、全面地恢復(fù)交通。通車5 d后，第3次對道路塌陷區(qū)域進行探測，探測成果顯示，盈港路空洞區(qū)域經(jīng)過壓密注漿后，注漿區(qū)域地層已密實。

4 原因分析及后續(xù)解決措施

4.1 原因分析

事件發(fā)生后，各方高度重視，并對6#聯(lián)絡(luò)通道漏水、涌砂原因開展專題分析會。主要原因分析如下：

1）17號線西段盾構(gòu)區(qū)間位于青浦區(qū)湖沼相地層，與上海市區(qū)的濱海相地層不同，淀山湖大道站—漕盈路站區(qū)間6#聯(lián)絡(luò)通道為湖沼相⑥2土層中第1個聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程，缺乏該地層聯(lián)絡(luò)通道施工的相關(guān)經(jīng)驗。

2）聯(lián)絡(luò)通道位置距離西大盈港約170 m，地下水可能存在水力聯(lián)系，水的流速可能較常規(guī)偏大，影響凍結(jié)帷幕發(fā)展速度。

3）在漏水點上方可能局部存在不明介質(zhì)或空洞，造成凍結(jié)壁膠圈遲緩，該局部位置凍結(jié)效果不好，但現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程布置的測溫點未能發(fā)現(xiàn)該部位存在異常。

4）在漏水點的正上方有一個雨水管窨井，在土體開始泄漏后可能有少量雨水管內(nèi)的水流沿著滲水路徑到達漏水點，加速泥沙的流出。

5）開挖過程中發(fā)生漏水后，未能及時有效地封堵，造成漏水進一步擴大，以至于不得不關(guān)閉安全門，且安全門關(guān)閉后未能及時填充通道，引起地面塌陷，從而造成不良的社會影響。

4.2 主要解決與改進方案

結(jié)合聯(lián)絡(luò)通道漏水原因分析，在后續(xù)施工時針對性地采用以下措施：

1）設(shè)計補充凍結(jié)方案的凍結(jié)孔布置應(yīng)以凍結(jié)壁損壞部位為目標，兼顧其他可能的薄弱環(huán)節(jié)。故需進一步探明凍結(jié)壁損壞區(qū)域，從而確定補充凍結(jié)的范圍，補充凍結(jié)范圍應(yīng)大于凍結(jié)壁損壞區(qū)域。

2）采用有效手段探明凍結(jié)壁破壞區(qū)域，施工補充凍結(jié)孔時，在凍結(jié)管內(nèi)放置測溫點，進行測溫判斷。

3）通過探孔進一步了解底部凍結(jié)壁的狀態(tài)，以決定是否增設(shè)隧道底部凍結(jié)管（B12～B17）；預(yù)留液氮凍結(jié)管可保留，以備鹽水凍結(jié)效果不足時采用液氮補強。

4）對開挖通道內(nèi)特別是上部進行充填注漿，將已開挖通道上部可能存在的含水、氣部位充填密實。另外，針對漏水部位，施工補孔時對該區(qū)域加強注漿，充實該區(qū)域地層。

5）地面注漿的深度距原凍結(jié)壁仍有較大距離，對此區(qū)域進行注漿加強。建議地面增加若干注漿孔，成孔深度距原凍結(jié)壁1.0～1.5 m，采用粉煤灰漿液充填，注漿時應(yīng)控制注漿壓力和注漿量。

6）加強冷凍站對側(cè)隧道鋼管片的保溫及冷凍排管鋪設(shè)，改善凍結(jié)壁與隧道管片膠結(jié)面的凍結(jié)狀態(tài)。

7）核實透孔的流量是否滿足凍結(jié)需求，合理分配流量，采取有效措施確保補孔的鹽水供應(yīng)。

8）加強監(jiān)測，在凍結(jié)壁薄弱處多設(shè)測溫孔，以便更全面地監(jiān)測凍結(jié)壁狀態(tài)；開挖驗收的標準適當提高，確保安全。

9）制訂后續(xù)通道清理和結(jié)構(gòu)施作專項方案及應(yīng)急預(yù)案，編制后期融沉注漿、監(jiān)測專項方案，確保通道結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、管線、地面、周邊構(gòu)筑物的安全。

4.3 現(xiàn)場后續(xù)具體改進實施與措施

4.3.1 聯(lián)絡(luò)通道對側(cè)補充凍結(jié)孔

設(shè)計單位采取在聯(lián)絡(luò)通道對側(cè)補孔的措施來加強凍結(jié)效果（圖6）。

圖6 補充凍結(jié)孔

凍土壁承載力驗算采用許用應(yīng)力法?？紤]到地層已被擾動，安全系數(shù)提高20%作為安全儲備；設(shè)計?。?0 ℃凍土的彈性模量和泊松比分別為120 MPa和0.25，凍土強度指標為：抗壓3.6 MPa，抗折2.0 MPa，抗剪1.5 MPa。根據(jù)計算，凍土壓應(yīng)力計算值1.37 MPa，彎拉應(yīng)力0.09 MPa，剪應(yīng)力0.5 MPa，都滿足要求。

結(jié)合現(xiàn)場具體實施，根據(jù)6月10日上午10點的測溫數(shù)據(jù)顯示及現(xiàn)場整個凍結(jié)系統(tǒng)仍在正常運轉(zhuǎn)，個別測溫點有少量升溫，判斷出原凍結(jié)帷幕并未遭到破壞。因此本次補充凍結(jié)方案僅在隧道的對側(cè)設(shè)置凍結(jié)孔，共計19個，利用原有的2個穿透孔，供對側(cè)隧道底部凍結(jié)孔和冷凍排管需冷用。在凍結(jié)站對側(cè)隧道上沿凍結(jié)壁敷設(shè)加密的冷凍排管，間距為250 mm，并且對開挖面的部位進行局部冷凍排管加強，間距不大于800 mm，鋼管片格柵內(nèi)填充密室，并采用厚50 mm的PEF板滿貼鋼管片，以加強對管片處的保溫效果。為防止鹽水凍結(jié)達不到預(yù)期效果，B2～B4加強孔采用不銹鋼材質(zhì)，能夠及時轉(zhuǎn)為液氮凍結(jié)。技術(shù)參數(shù)如下：

1）凍結(jié)管用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管、φ89 mm×8 mm的R304不銹鋼管。

2）凍結(jié)孔的開孔位置誤差不大于100 mm，應(yīng)避開管片接縫、螺栓、主筋和鋼管片肋板。凍結(jié)孔最大允許偏斜不大于100 mm。

3）凍結(jié)管接頭采用螺紋加焊接，抗拉強度不低于母管的80%。

4）凍結(jié)管用φ89 mm×8 mm低碳鋼無縫鋼管和φ89 mm×8 mm的R304不銹鋼管，凍結(jié)管耐壓不低于0.8 MPa，并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍。

5）凍結(jié)孔有效深度不小于凍結(jié)孔設(shè)計深度，不能循環(huán)鹽水的管頭長度不得大于150 mm。

6）冷凍排管采用φ45 mm×3 mm的無縫鋼管。

4.3.2 安全門改進

在聯(lián)絡(luò)通道施工開挖構(gòu)筑過程中，安全應(yīng)急門作為一道極其重要的安全屏障，是開挖必備的安全防護措施，在開挖面出現(xiàn)涌水、涌沙時，起到隔絕泥沙和封堵水的作用。按照傳統(tǒng)施工方法安裝安全應(yīng)急門，每個聯(lián)絡(luò)通道采用的安全門所需螺栓共計80個，在現(xiàn)場進行應(yīng)急演練過程中，用安全門進行封閉搶險，螺栓擰緊共需26 min，初步封閉擰緊需4 min，如果在螺栓擰緊過程中出現(xiàn)雜物撞擊安全門，安全門可能被撞開，螺栓擰緊將無法使安全門密封，不能達到應(yīng)急搶險目的（圖7）。

圖7 傳統(tǒng)安全門結(jié)構(gòu)示意

為此，我們對安全門進行改進，在原來的安全應(yīng)急門上通過增加定位卡、U形卡及扳手初步封閉安全門，既方便人工操作，又能起到臨時封閉的作用（圖8）。

圖8 安全門改進

采用安全鎖進行封閉施工時，安全門關(guān)閉后立即擰緊安全鎖，安全門初步封閉完成，所需時間僅為30 s，比原有的螺栓全部連接更為方便、快捷，起到了應(yīng)急搶險的作用，為后續(xù)安全門螺栓擰緊提供安全、可靠的條件。

4.3.3 鉆孔施工控制要點

由于該地層受到多次擾動，鉆孔時極易發(fā)生涌水、涌砂現(xiàn)象。應(yīng)對措施：首先確定孔口管固定牢靠，每個孔口管與鋼管片的固定點不少于4個。其次，采用二次鉆孔，在打孔前，用微膨脹混凝土將要開孔的鋼格柵填充平整密實，然后進行開孔250 mm，安裝牢靠孔口管后，用鉆機進行二次開孔，確保安全。

由于對側(cè)已有施工完畢的凍結(jié)管，該部位凍結(jié)管打設(shè)時容易碰到對側(cè)已有凍結(jié)管，造成鹽水泄漏進入土體。應(yīng)對措施：依據(jù)施工基準點、已完成凍結(jié)管的實際位置圖，進行精準定位。施工凍結(jié)孔時，將對側(cè)對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的1組凍結(jié)孔關(guān)閉，防止鹽水泄漏進入土體，凍結(jié)孔施工順序為先打設(shè)上部孔，后下部孔。

打設(shè)上部孔B1～B8和B12時，關(guān)閉第5組和第6組正面凍結(jié)孔，打設(shè)完成及時恢復(fù)；打設(shè)上部孔B9～B11和B13時，關(guān)閉第1組和第2組正面凍結(jié)孔，打設(shè)完成及時恢復(fù)；打設(shè)下部孔B14～B16時，關(guān)閉第4組正面凍結(jié)孔，打設(shè)完成及時恢復(fù)；打設(shè)下部孔B17～B19時，關(guān)閉第8組和第9組正面凍結(jié)孔，打設(shè)完成及時恢復(fù)。利用上部B2～B8凍結(jié)孔，在凍結(jié)孔里布置測溫線進行測溫，進一步探明小天窗的范圍。

4.3.4 凍結(jié)施工控制要點

1）由于上方可能存在不明介質(zhì)，易造成凍結(jié)帷幕發(fā)展緩慢。應(yīng)對措施：施工凍結(jié)孔時，利用泥漿循環(huán)系統(tǒng)，向土體內(nèi)注入惰性漿液，達到將不明介質(zhì)置換的目的，從而保證凍結(jié)效果。開挖面內(nèi)利用下行線的2個泄壓孔進行充填注漿。

2）相對于已經(jīng)凍結(jié)的部位，該部位凍結(jié)起步晚，對凍結(jié)效果不利。應(yīng)對措施：適當減小已凍結(jié)部位的鹽水流量，加大該部位的鹽水流量，在原有鹽水循環(huán)系統(tǒng)中增加1臺管道泵，增加透孔的流量，達到快速凍結(jié)的目的；增加冷凍排管的范圍和密度，保證管片膠結(jié)面的凍結(jié)效果。

4.3.5 開挖構(gòu)筑施工

針對該地質(zhì)條件及已經(jīng)施工的情況，該部位開挖時易產(chǎn)生涌水、涌砂現(xiàn)象。應(yīng)對措施：除凍結(jié)滿足設(shè)計各項條件外，需要在特定部位打設(shè)探孔，以探測該部位的實際凍結(jié)效果。

原聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)型鋼支架已經(jīng)完成通道段施工，漏水后有可能造成型鋼支架變形和軸線偏移。應(yīng)對措施：重新加工制作通道段內(nèi)的型鋼支撐，開挖過程中，如遇型鋼支撐變形量超過50 mm，則采取更換的措施，如果軸線偏差超過20 mm，則拆除支架重新修正，保證初次襯砌的施工質(zhì)量及后續(xù)永久結(jié)構(gòu)施工的尺寸。

4.3.6 二次開挖

此次二次開挖土層經(jīng)過擾動，穩(wěn)定性較差，采用24 h不間斷挖掘以盡快完成開挖過程。因第1次開挖時已經(jīng)將通道主體內(nèi)的鋼支撐架設(shè)完成，所以本次采用從管片腰線以上部位直接挖掘到之前施工位置再往下挖掘，因方法得當，本次挖掘速度較快。開挖過程中通過測溫儀隨時掌握土體溫度情況，以便應(yīng)對突發(fā)情況（圖9）。

圖9 開挖時通道及土體測溫

在通道主體土體挖掘完成后，將要進行喇叭口的開挖，前期開挖時就是在挖掘下行線喇叭口時發(fā)生的滲水，所以喇叭口開挖時需密切觀察土體情況，隨時準備應(yīng)對。因準備充分，凍結(jié)效果良好，喇叭口開挖比預(yù)期提前完成。在開挖完成后迅速架設(shè)鋼支撐并安放木背板。

4.4 實施效果

通過對事件的原因進行詳細分析，并針對性采取上述一系列的改進及優(yōu)化措施，最終安全、順利、有序地確保了6#聯(lián)絡(luò)通道的貫通（圖10）。

圖10 聯(lián)絡(luò)通道貫通

5 結(jié)語

通過本次聯(lián)絡(luò)通道漏水應(yīng)急搶險及后續(xù)處理修復(fù)事件，為我們在聯(lián)絡(luò)通道這一高風險工程提供了可靠的設(shè)計及施工參考，得出以下結(jié)論[1-6]：

1）合理選擇聯(lián)絡(luò)通道位置。本次6#聯(lián)絡(luò)通道漏水原因，經(jīng)各方綜合分析主要為：由于地層存在局部不明介質(zhì)或不良地質(zhì)條件，漏水點上方窨井或?qū)β┧疇顩r有加劇作用。為避免類似漏水搶險事件的發(fā)生，宜在前期設(shè)計勘察階段勘察隧道沿線環(huán)境及各類管線、不良地質(zhì)等情況。設(shè)計結(jié)合詳細勘察信息進行合理的聯(lián)絡(luò)通道位置設(shè)置，以避讓不良地質(zhì)條件環(huán)境。

2）聯(lián)絡(luò)通道雙向凍結(jié)孔設(shè)置。目前針對地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道加固，主要是通過單向打設(shè)凍結(jié)孔進行凍結(jié)加固。單向打設(shè)凍結(jié)孔，可能對遠處及局部土體凍結(jié)效果不好，不能形成良好的凍土膠圈。建議在凍結(jié)施工時，打設(shè)雙向凍結(jié)孔，以形成良好的凍結(jié)效果。

3）安全門結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于本次事件在高壓環(huán)境下安全門關(guān)閉困難，對安全門進行優(yōu)化，增加一個螺旋式關(guān)門裝置。首先對安全門進行臨時定位，然后再轉(zhuǎn)緊緊固螺栓，為應(yīng)急搶險爭取時間。

4）建立良好的快速應(yīng)急響應(yīng)機制。在工程出現(xiàn)險情時，一個良好的快速反應(yīng)機制，對于險情的控制起著決定性作用。因此對聯(lián)絡(luò)通道高風險工程施工需建立、健全應(yīng)急組織以及配備足夠的搶險物資。

5）聯(lián)絡(luò)通道加固形式的優(yōu)化與加強展望。目前地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道加固主要以凍結(jié)加固為重，形式單一。隨著地下工程加固方式和手段的不斷發(fā)展，探索和研究新的更有效的聯(lián)絡(luò)通道的加固方式顯得尤為重要。目前大直徑的水泥系MJS加固也逐步完善，水泥系加固避免了凍結(jié)加固后期融沉等不利影響，在聯(lián)絡(luò)通道加固中的拓展應(yīng)用也值得研究與期待。