凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道中地下暗流施工技術(shù)研究

喬國(guó)強(qiáng)

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030006)

1 引言

凍結(jié)法施工技術(shù)最早在礦井建設(shè)中誕生，后逐步在城市地下工程建設(shè)中普及，近年來(lái)隨著我國(guó)城市地鐵建設(shè)進(jìn)程的加快，凍結(jié)法工藝被廣泛應(yīng)用于盾構(gòu)始發(fā)和接收、車站以及聯(lián)絡(luò)通道臨時(shí)加固等。凍結(jié)法安全靈活、綠色環(huán)保，適用性強(qiáng)、可控性強(qiáng)，但也存在一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，如供冷不足或外部熱源可導(dǎo)致凍土帷幕性能退化、地下水含鹽量過(guò)大影響凍結(jié)效果、地層水流速過(guò)快導(dǎo)致凍結(jié)效果無(wú)法形成且致凍土快速消融等[1]。

本文結(jié)合實(shí)際施工過(guò)程中遇到的特殊情況，重點(diǎn)講述了在沈陽(yáng)地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中發(fā)現(xiàn)地下水流速影響凍結(jié)帷幕的形成，針對(duì)凍結(jié)數(shù)據(jù)分析采取的判斷措施和相關(guān)處理方法。

2 工程背景

2.1 工程簡(jiǎn)介

沈陽(yáng)地鐵10號(hào)線東北大馬路站～北大營(yíng)街站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道位于右K14＋114.129處，隧道底部標(biāo)高為＋24.590 m，盾構(gòu)隧道中心距12.067 m，地面標(biāo)高為＋48.360 m，聯(lián)絡(luò)通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構(gòu)成。

聯(lián)絡(luò)通道的水平通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，聯(lián)絡(luò)通道及泵房開(kāi)挖輪廓高為6.4 m，寬為3.6 m。東～北區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道兼泵站原設(shè)計(jì)采用“地面旋噴加固土體，深井降水暗挖”的施工工藝，但在實(shí)際進(jìn)行旋噴加固后因周圍環(huán)境影響無(wú)法施作降水井降水暗挖，遂改為采用“凍結(jié)法加固土體，礦山開(kāi)挖”進(jìn)行施工[2-3]。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)資料，聯(lián)絡(luò)通道及泵站從上至下依次為:①雜填土、③3中粗砂、③5圓礫、④3中粗砂、④31粉質(zhì)黏土、④3中粗砂、○144 礫砂、④5 圓礫、○154 礫砂。聯(lián)絡(luò)通道位于④5圓礫層中。本區(qū)間范圍內(nèi)的地下水賦存于圓礫、礫砂等土層中，按埋藏條件劃分，屬第四系孔隙潛水。穩(wěn)定水位埋深約為7.0～12.5 m，相當(dāng)于水位標(biāo)高32.71～39.35 m，含水層厚度約19.0 m。④5圓礫、④53中粗砂、⑤4礫砂層透水強(qiáng)，連續(xù)分布，為承壓水層，主要受大氣降水垂直入滲補(bǔ)給。

3 聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)未形成封閉凍結(jié)帷幕

3.1 凍結(jié)設(shè)計(jì)概述

3.1.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

凍土墻設(shè)計(jì)厚度不小于2 m，凍土強(qiáng)度的設(shè)計(jì)指標(biāo)為:單軸抗壓不小于3.6 MPa，彎折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10℃)[4]。積極凍結(jié)時(shí)，在凍結(jié)區(qū)附近200 m范圍內(nèi)不得采取降水措施。在凍結(jié)區(qū)內(nèi)土層中不得有集中水流[5-6]。具體凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖1。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道及泵房?jī)鼋Y(jié)帷幕設(shè)計(jì)

3.1.2 凍結(jié)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

凍結(jié)主要設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 凍結(jié)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 積極凍結(jié)結(jié)束，泄壓孔壓力異常

聯(lián)絡(luò)通道自進(jìn)場(chǎng)施工開(kāi)始鉆孔施工，至完成鉆孔施工，經(jīng)過(guò)對(duì)所有凍結(jié)孔的開(kāi)孔孔位、實(shí)際長(zhǎng)度、成孔偏斜等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)收，全部合格；開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行積極凍結(jié)45 d。積極凍結(jié)期間凍結(jié)孔頭部及外部管片的結(jié)霜情況正常，各個(gè)測(cè)溫孔的溫度變化也無(wú)異常，但發(fā)現(xiàn)4個(gè)泄壓孔壓力一直為原始地壓0.1 MPa左右，未上漲到0.4 MPa也未降到0 MPa。初步分析可能因管片滲漏水導(dǎo)致泄壓孔壓力外泄。打開(kāi)泄壓孔準(zhǔn)備排盡凍結(jié)帷幕內(nèi)部糖心余水，發(fā)現(xiàn)出水量大且始終無(wú)法流盡，關(guān)閉閥門后壓力表隨之立即上漲至0.1 MPa。隨即對(duì)左右線聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕內(nèi)中心位置施作探孔，發(fā)現(xiàn)右線探孔水量較小，壓力為0.09 MPa；左線探孔水量較大，壓力為0.1 MPa，凍結(jié)壁內(nèi)部水土壓力與原始地層水土壓力基本相等。初步判斷凍結(jié)孔未交圈，未形成有效的封閉的凍結(jié)帷幕[7]。

為進(jìn)一步確定是否形成封閉的凍結(jié)帷幕，采用中心探孔排水并根據(jù)出水量及各個(gè)測(cè)溫孔和頭部的溫度變化來(lái)判斷水源方向的方法。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)出左線探孔25 min流出約為1.09 m3。測(cè)量前后每桶水的放滿時(shí)間基本不變約為30 s，水溫自11℃變?yōu)?℃，始終為清水未攜帶泥沙。因凍結(jié)帷幕內(nèi)部出水量大且流速未減緩，水溫前后降低4℃，確定探孔的水來(lái)自凍結(jié)壁外側(cè)。凍結(jié)帷幕存在薄弱區(qū)與凍結(jié)壁外原始地層貫通，原始地層流水在地壓作用下穿過(guò)凍結(jié)壁自探孔流出，導(dǎo)致探孔水源源不斷且水溫降低。通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析，初步判斷凍結(jié)孔未交圈，未形成封閉凍結(jié)帷幕。

4 分析無(wú)法形成封閉的凍結(jié)帷幕的原因并逐一排查原因

根據(jù)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及專家意見(jiàn)綜合分析未交圈原因可能有以下幾點(diǎn):

(1)凍結(jié)系統(tǒng)循環(huán)不正常，鹽水溫度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求；

(2)凍結(jié)孔終孔位置、偏斜、凍結(jié)孔深度是否滿足要求；

(3)供液管下放深度不足或脫管；

(4)凍結(jié)管斷裂滲漏鹽水導(dǎo)致化凍出現(xiàn)天窗；

(5)聯(lián)絡(luò)通道軸線問(wèn)題，左右線偏值存在誤差導(dǎo)致兩側(cè)凍結(jié)管錯(cuò)位未交叉；

(6)外部環(huán)境及地質(zhì)原因，管線滲漏，地下有暗河水流速過(guò)快。

采用排除法逐一排查，先以凍結(jié)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題自查再分析外部環(huán)境影響。

4.1 檢查凍結(jié)系統(tǒng)循環(huán)及鹽水溫度是否正常

重新檢查自開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)的《鹽水系統(tǒng)和清水系統(tǒng)運(yùn)行記錄表》及《低溫鹽水機(jī)組運(yùn)行記錄表》，發(fā)現(xiàn)自運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)冷凍機(jī)均運(yùn)轉(zhuǎn)正常無(wú)停機(jī)現(xiàn)象，鹽水去路溫度在積極凍結(jié)45 d時(shí)下降至-30℃回路溫度為-28℃達(dá)到設(shè)計(jì)要求。查看前后測(cè)溫情況發(fā)現(xiàn)各組凍結(jié)孔頭部溫度下降趨勢(shì)正常，鹽水去回路溫差在1～2℃左右，7個(gè)測(cè)溫孔溫度統(tǒng)一下降至-7～-25℃左右。因此排除凍結(jié)系統(tǒng)及鹽水溫度的影響。

4.2 凍結(jié)孔終孔位置、偏斜、凍結(jié)孔深度是否滿足要求

左右線所有凍結(jié)孔鉆孔施工共計(jì)96個(gè)(其中設(shè)計(jì)75個(gè)，增設(shè)孔17個(gè)，補(bǔ)孔4個(gè))，采用“燈光測(cè)斜法”對(duì)所有凍結(jié)孔進(jìn)行測(cè)斜驗(yàn)收。匯總數(shù)據(jù)后算出終孔偏斜值。綜合匯總后分析所有凍結(jié)孔及補(bǔ)孔數(shù)據(jù)判定滿足凍結(jié)所需。

按照預(yù)定方案，安裝人員割除左、右線所有內(nèi)圈凍結(jié)孔，測(cè)量所有凍結(jié)孔的實(shí)際深度。匯總數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)所有凍結(jié)孔復(fù)測(cè)深度與前期測(cè)量深度誤差在2～5 cm之內(nèi)，按照凍結(jié)設(shè)計(jì)要求實(shí)際凍結(jié)孔深度滿足凍結(jié)所需不影響凍結(jié)效果。

4.3 檢查供液管下放深度

采用“測(cè)溫法”檢查左右線所有凍結(jié)主孔供液管是否發(fā)生短管或者脫管現(xiàn)象。向所有凍結(jié)孔內(nèi)部下放多組測(cè)溫點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)間距0.5 m共計(jì)11個(gè)進(jìn)行連續(xù)測(cè)溫，經(jīng)過(guò)測(cè)溫篩選對(duì)各測(cè)點(diǎn)溫差超過(guò)鹽水總?cè)タ偦販夭畹膬鼋Y(jié)孔進(jìn)行割孔拔除進(jìn)行二次檢查。發(fā)現(xiàn)D10孔3.7～6.1 m位置溫度異常，與其他孔相差較大，且溫度回升速度異常迅速。最后在對(duì)側(cè)施作探孔深度2.8 m，發(fā)現(xiàn)也為凍土。將D10孔更換供液管后單獨(dú)循環(huán)直接回鹽水箱并放單獨(dú)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，對(duì)檢查過(guò)程中有異常的凍結(jié)孔頭部放測(cè)點(diǎn)觀察。反復(fù)排查后發(fā)現(xiàn)供液管全部正常，滿足凍結(jié)所需[8]。

4.4 檢查凍結(jié)管是否斷裂滲漏

檢查自開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)的《鹽水系統(tǒng)和清水系統(tǒng)運(yùn)行記錄表》及《低溫鹽水機(jī)組運(yùn)行記錄表》，發(fā)現(xiàn)鹽水箱液位一直未下降，不存在鹽水滲漏化開(kāi)凍結(jié)帷幕的情況。

4.5 復(fù)測(cè)聯(lián)絡(luò)通道軸線

拆除開(kāi)挖平臺(tái)后測(cè)量人員重新對(duì)聯(lián)絡(luò)通道左右軸線偏值進(jìn)行復(fù)測(cè)，檢查發(fā)現(xiàn)誤差在2 mm左右，排除因聯(lián)絡(luò)通道軸線誤差使兩側(cè)凍結(jié)管錯(cuò)位未達(dá)到設(shè)計(jì)位置從而導(dǎo)致無(wú)法形成封閉凍結(jié)帷幕。

4.6 檢查外部環(huán)境因素影響

前期排除凍結(jié)系統(tǒng)內(nèi)部原因后，增加第二臺(tái)冷凍機(jī)延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間至第75天時(shí)發(fā)現(xiàn)泄壓孔壓力表仍然不見(jiàn)上漲或降低到0 MPa。分析討論決定用鉆機(jī)在右線上部打一排深孔探明水源。在D10孔下部施作B5、B6深度7 m。在鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩孔前5 m都為凍土硬度較大，在5～5.5 m位置鉆機(jī)猛然推進(jìn)，土體硬度很小且開(kāi)始漏清水，過(guò)5.5 m又開(kāi)始鉆進(jìn)緩慢變?yōu)閮鐾?。在后期繼續(xù)鉆進(jìn)其它鉆孔時(shí)出現(xiàn)類似現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)組織討論分析懷疑聯(lián)絡(luò)通道位置上部地層在3～6 m位置存在流速較快的暗流或者斷層空洞[9]。

隨后對(duì)B5～B8下放供液管進(jìn)行循環(huán)，將B9～B11充當(dāng)測(cè)溫孔，各測(cè)點(diǎn)間隔0.5 m共計(jì)14個(gè)。每2 h測(cè)溫一次，匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)12 h的連續(xù)測(cè)溫，匯總數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)B9各測(cè)點(diǎn)均下降正常；B10孔在3.5～5.5 m位置溫度明顯異常為1.6～9.9℃且持續(xù)回升；B11孔在2.65～5.15 m位置溫度為1.6～6.5℃且持續(xù)回升。通過(guò)凍結(jié)帷幕內(nèi)B9、B10、B11三孔的溫度為正持續(xù)回升且有源源不斷漏水判斷地層存在流動(dòng)水，且水流方向自北向東，即有一條水流通道貫穿整個(gè)上部?jī)鼋Y(jié)帷幕[10]。

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)距離聯(lián)絡(luò)通道400 m左右地鐵北大營(yíng)換乘站正在采用降水暗挖施作車站基坑結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)時(shí)間降水導(dǎo)致地下水流動(dòng)加快并形成良好的暗流通道，高速流動(dòng)的地下水造成凍結(jié)帷幕無(wú)法閉合。

5 注漿處理，恢復(fù)凍結(jié)

為保證注漿效果，采用“注漿隔水，延長(zhǎng)凍結(jié)”的施工方案。根據(jù)凍結(jié)孔布置和水流方向，進(jìn)行左右線注漿孔的布置，具體見(jiàn)圖2。注漿范圍見(jiàn)圖3。注漿順序自下而上依次進(jìn)行。注漿期間，將加強(qiáng)對(duì)相關(guān)探孔內(nèi)溫度進(jìn)行檢測(cè)，以判斷流水通道封堵情況[11]。

圖2 注漿孔開(kāi)孔位置布置

圖3 注漿范圍立面透視圖

安排專業(yè)注漿人員按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行注雙液漿。注漿采用普通硅酸鹽水泥、水玻璃、磷酸。注漿壓力不大于6 MPa，在注漿期間同步注入磷酸。對(duì)B9～B11孔各層位的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。發(fā)現(xiàn)自開(kāi)始注漿后B10孔在3.5～5.5 m層位溫度下降非常明顯從1.6～9.9℃下降至-10～-19.5℃且持續(xù)下降；B11孔在2.65～5.15 m位置溫度下降明顯從1.6～6.5℃下降至-13～-21.5℃且持續(xù)下降，各個(gè)測(cè)溫孔及頭部因水泥水化熱原因溫度略有回升。打開(kāi)左右線泄壓孔發(fā)現(xiàn)無(wú)水流出且觀察孔內(nèi)全部結(jié)冰。判斷雙液漿凝結(jié)后阻斷聯(lián)絡(luò)通道上部暗流或?qū)е掳盗髁魉贉p緩加以凍結(jié)管輔助凍結(jié)已封閉了原來(lái)的凍結(jié)帷幕缺口形成完整的凍結(jié)壁。繼續(xù)延長(zhǎng)凍結(jié)8 d后，開(kāi)始破除洞門進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖施工，期間對(duì)開(kāi)挖掌子面凍土的溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)凍結(jié)參數(shù)完全達(dá)到設(shè)計(jì)凍結(jié)效果[12]。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工中發(fā)現(xiàn)未按設(shè)計(jì)形成封閉凍結(jié)帷幕后的具體排查方法，以及在通過(guò)各項(xiàng)凍結(jié)數(shù)據(jù)分析判斷聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工中確因遭遇地下暗流水流速過(guò)快導(dǎo)致無(wú)法形成凍結(jié)帷幕后，采用“注漿隔水”的方案進(jìn)行處理，同時(shí)用測(cè)溫的方法間接反映出注漿對(duì)凍結(jié)期間地下暗流的影響，最終取得較好的凍結(jié)效果，為今后類似工程提供重要的借鑒和參考。