冻结法联络通道中地下暗流施工技术研究

乔国强

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030006)

1 引言

冻结法施工技术最早在矿井建设中诞生，后逐步在城市地下工程建设中普及，近年来随着我国城市地铁建设进程的加快，冻结法工艺被广泛应用于盾构始发和接收、车站以及联络通道临时加固等。冻结法安全灵活、绿色环保，适用性强、可控性强，但也存在一定的工程风险，如供冷不足或外部热源可导致冻土帷幕性能退化、地下水含盐量过大影响冻结效果、地层水流速过快导致冻结效果无法形成且致冻土快速消融等[1]。

本文结合实际施工过程中遇到的特殊情况，重点讲述了在沈阳地铁联络通道冻结施工中发现地下水流速影响冻结帷幕的形成，针对冻结数据分析采取的判断措施和相关处理方法。

2 工程背景

2.1 工程简介

沈阳地铁10号线东北大马路站～北大营街站区间联络通道位于右K14＋114.129处，隧道底部标高为＋24.590 m，盾构隧道中心距12.067 m，地面标高为＋48.360 m，联络通道由与隧道管片相连的喇叭口、水平通道构成。

联络通道的水平通道为直墙圆弧拱结构，联络通道及泵房开挖轮廓高为6.4 m，宽为3.6 m。东～北区间联络通道兼泵站原设计采用“地面旋喷加固土体，深井降水暗挖”的施工工艺，但在实际进行旋喷加固后因周围环境影响无法施作降水井降水暗挖，遂改为采用“冻结法加固土体，矿山开挖”进行施工[2-3]。

2.2 工程地质与水文地质

根据地质资料，联络通道及泵站从上至下依次为:①杂填土、③3中粗砂、③5圆砾、④3中粗砂、④31粉质黏土、④3中粗砂、○144 砾砂、④5 圆砾、○154 砾砂。联络通道位于④5圆砾层中。本区间范围内的地下水赋存于圆砾、砾砂等土层中，按埋藏条件划分，属第四系孔隙潜水。稳定水位埋深约为7.0～12.5 m，相当于水位标高32.71～39.35 m，含水层厚度约19.0 m。④5圆砾、④53中粗砂、⑤4砾砂层透水强，连续分布，为承压水层，主要受大气降水垂直入渗补给。

3 联络通道积极冻结未形成封闭冻结帷幕

3.1 冻结设计概述

3.1.1 冻结帷幕设计

冻土墙设计厚度不小于2 m，冻土强度的设计指标为:单轴抗压不小于3.6 MPa，弯折抗拉不小于2.0 MPa，抗剪不小于1.5 MPa(-10℃)[4]。积极冻结时，在冻结区附近200 m范围内不得采取降水措施。在冻结区内土层中不得有集中水流[5-6]。具体冻结帷幕设计详见图1。

图1 联络通道及泵房冻结帷幕设计

3.1.2 冻结主要设计参数

冻结主要设计参数详见表1。

表1 冻结主要技术参数

3.2 积极冻结结束，泄压孔压力异常

联络通道自进场施工开始钻孔施工，至完成钻孔施工，经过对所有冻结孔的开孔孔位、实际长度、成孔偏斜等参数进行验收，全部合格；开机运转进行积极冻结45 d。积极冻结期间冻结孔头部及外部管片的结霜情况正常，各个测温孔的温度变化也无异常，但发现4个泄压孔压力一直为原始地压0.1 MPa左右，未上涨到0.4 MPa也未降到0 MPa。初步分析可能因管片渗漏水导致泄压孔压力外泄。打开泄压孔准备排尽冻结帷幕内部糖心余水，发现出水量大且始终无法流尽，关闭阀门后压力表随之立即上涨至0.1 MPa。随即对左右线联络通道冻结帷幕内中心位置施作探孔，发现右线探孔水量较小，压力为0.09 MPa；左线探孔水量较大，压力为0.1 MPa，冻结壁内部水土压力与原始地层水土压力基本相等。初步判断冻结孔未交圈，未形成有效的封闭的冻结帷幕[7]。

为进一步确定是否形成封闭的冻结帷幕，采用中心探孔排水并根据出水量及各个测温孔和头部的温度变化来判断水源方向的方法。经过试验测出左线探孔25 min流出约为1.09 m3。测量前后每桶水的放满时间基本不变约为30 s，水温自11℃变为7℃，始终为清水未携带泥沙。因冻结帷幕内部出水量大且流速未减缓，水温前后降低4℃，确定探孔的水来自冻结壁外侧。冻结帷幕存在薄弱区与冻结壁外原始地层贯通，原始地层流水在地压作用下穿过冻结壁自探孔流出，导致探孔水源源不断且水温降低。通过以上数据分析，初步判断冻结孔未交圈，未形成封闭冻结帷幕。

4 分析无法形成封闭的冻结帷幕的原因并逐一排查原因

根据各项监测数据及专家意见综合分析未交圈原因可能有以下几点:

(1)冻结系统循环不正常，盐水温度未达到设计要求；

(2)冻结孔终孔位置、偏斜、冻结孔深度是否满足要求；

(3)供液管下放深度不足或脱管；

(4)冻结管断裂渗漏盐水导致化冻出现天窗；

(5)联络通道轴线问题，左右线偏值存在误差导致两侧冻结管错位未交叉；

(6)外部环境及地质原因，管线渗漏，地下有暗河水流速过快。

采用排除法逐一排查，先以冻结系统内部出现问题自查再分析外部环境影响。

4.1 检查冻结系统循环及盐水温度是否正常

重新检查自开机运转以来的《盐水系统和清水系统运行记录表》及《低温盐水机组运行记录表》，发现自运转以来冷冻机均运转正常无停机现象，盐水去路温度在积极冻结45 d时下降至-30℃回路温度为-28℃达到设计要求。查看前后测温情况发现各组冻结孔头部温度下降趋势正常，盐水去回路温差在1～2℃左右，7个测温孔温度统一下降至-7～-25℃左右。因此排除冻结系统及盐水温度的影响。

4.2 冻结孔终孔位置、偏斜、冻结孔深度是否满足要求

左右线所有冻结孔钻孔施工共计96个(其中设计75个，增设孔17个，补孔4个)，采用“灯光测斜法”对所有冻结孔进行测斜验收。汇总数据后算出终孔偏斜值。综合汇总后分析所有冻结孔及补孔数据判定满足冻结所需。

按照预定方案，安装人员割除左、右线所有内圈冻结孔，测量所有冻结孔的实际深度。汇总数据后发现所有冻结孔复测深度与前期测量深度误差在2～5 cm之内，按照冻结设计要求实际冻结孔深度满足冻结所需不影响冻结效果。

4.3 检查供液管下放深度

采用“测温法”检查左右线所有冻结主孔供液管是否发生短管或者脱管现象。向所有冻结孔内部下放多组测温点，各测点间距0.5 m共计11个进行连续测温，经过测温筛选对各测点温差超过盐水总去总回温差的冻结孔进行割孔拔除进行二次检查。发现D10孔3.7～6.1 m位置温度异常，与其他孔相差较大，且温度回升速度异常迅速。最后在对侧施作探孔深度2.8 m，发现也为冻土。将D10孔更换供液管后单独循环直接回盐水箱并放单独测点进行测温，对检查过程中有异常的冻结孔头部放测点观察。反复排查后发现供液管全部正常，满足冻结所需[8]。

4.4 检查冻结管是否断裂渗漏

检查自开机运转以来的《盐水系统和清水系统运行记录表》及《低温盐水机组运行记录表》，发现盐水箱液位一直未下降，不存在盐水渗漏化开冻结帷幕的情况。

4.5 复测联络通道轴线

拆除开挖平台后测量人员重新对联络通道左右轴线偏值进行复测，检查发现误差在2 mm左右，排除因联络通道轴线误差使两侧冻结管错位未达到设计位置从而导致无法形成封闭冻结帷幕。

4.6 检查外部环境因素影响

前期排除冻结系统内部原因后，增加第二台冷冻机延长冻结时间至第75天时发现泄压孔压力表仍然不见上涨或降低到0 MPa。分析讨论决定用钻机在右线上部打一排深孔探明水源。在D10孔下部施作B5、B6深度7 m。在钻进过程中发现两孔前5 m都为冻土硬度较大，在5～5.5 m位置钻机猛然推进，土体硬度很小且开始漏清水，过5.5 m又开始钻进缓慢变为冻土。在后期继续钻进其它钻孔时出现类似现象。经过组织讨论分析怀疑联络通道位置上部地层在3～6 m位置存在流速较快的暗流或者断层空洞[9]。

随后对B5～B8下放供液管进行循环，将B9～B11充当测温孔，各测点间隔0.5 m共计14个。每2 h测温一次，汇总数据进行分析。经过12 h的连续测温，汇总数据后发现B9各测点均下降正常；B10孔在3.5～5.5 m位置温度明显异常为1.6～9.9℃且持续回升；B11孔在2.65～5.15 m位置温度为1.6～6.5℃且持续回升。通过冻结帷幕内B9、B10、B11三孔的温度为正持续回升且有源源不断漏水判断地层存在流动水，且水流方向自北向东，即有一条水流通道贯穿整个上部冻结帷幕[10]。

经过调查发现距离联络通道400 m左右地铁北大营换乘站正在采用降水暗挖施作车站基坑结构。长时间降水导致地下水流动加快并形成良好的暗流通道，高速流动的地下水造成冻结帷幕无法闭合。

5 注浆处理，恢复冻结

为保证注浆效果，采用“注浆隔水，延长冻结”的施工方案。根据冻结孔布置和水流方向，进行左右线注浆孔的布置，具体见图2。注浆范围见图3。注浆顺序自下而上依次进行。注浆期间，将加强对相关探孔内温度进行检测，以判断流水通道封堵情况[11]。

图2 注浆孔开孔位置布置

图3 注浆范围立面透视图

安排专业注浆人员按照设计图进行注双液浆。注浆采用普通硅酸盐水泥、水玻璃、磷酸。注浆压力不大于6 MPa，在注浆期间同步注入磷酸。对B9～B11孔各层位的测点进行连续测量。发现自开始注浆后B10孔在3.5～5.5 m层位温度下降非常明显从1.6～9.9℃下降至-10～-19.5℃且持续下降；B11孔在2.65～5.15 m位置温度下降明显从1.6～6.5℃下降至-13～-21.5℃且持续下降，各个测温孔及头部因水泥水化热原因温度略有回升。打开左右线泄压孔发现无水流出且观察孔内全部结冰。判断双液浆凝结后阻断联络通道上部暗流或导致暗流流速减缓加以冻结管辅助冻结已封闭了原来的冻结帷幕缺口形成完整的冻结壁。继续延长冻结8 d后，开始破除洞门进行联络通道开挖施工，期间对开挖掌子面冻土的温度进行连续监测，各项冻结参数完全达到设计冻结效果[12]。

6 结束语

本文详细介绍了在联络通道冻结法施工中发现未按设计形成封闭冻结帷幕后的具体排查方法，以及在通过各项冻结数据分析判断联络通道冻结施工中确因遭遇地下暗流水流速过快导致无法形成冻结帷幕后，采用“注浆隔水”的方案进行处理，同时用测温的方法间接反映出注浆对冻结期间地下暗流的影响，最终取得较好的冻结效果，为今后类似工程提供重要的借鉴和参考。