盾构接收地层冻结法加固的风险控制分析

孔 令 辉

(北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013)

1 概述

冻结法是目前软土地区盾构始发和接收端头地层加固常用的加固工法，特别是在上海、杭州、无锡、宁波等存在软弱淤泥质土、承压含水砂层的地区应用广泛。该工法具有封水可靠、无污染、加固体承载力较高(一般单轴抗压强度3.5 MPa以上)等优点。但由于施工质量不到位或工艺衔接不当，事故屡屡发生，尤其是盾构接收工程，例如上海轨道交通12号线某工程盾构接收位于承压含水层，由于加固长度未包裹盾构机长度而导致涌水涌砂[1]。据不完全统计，盾构法始发或接收引起的工程事故占盾构法隧道工程总事故量的70%以上[2,3]。

针对盾构接收的风险控制，本文分别从冻结设计和施工角度进行分析并针对各风险源提出针对性的措施。

2 工程风险分级与冻结法适用范围

目前针对冻结法在盾构端头加固中的应用尚缺乏规范类文件。本文建议根据各地区特点从工程地质条件、周边环境等因素综合考虑，将工程风险进行分级，在此基础上提出加固方式与参数建议。本文根据多个地区施工经验，提出以下划分方法：

划分依据：1)场地环境等级；2)工程地质条件。

场地环境等级划分：根据周边重要管线、建(构)筑物是否在施工影响范围区，以及施工可能对其造成的影响程度，将场地环境等级划分为三级：

一级(A1)：管线或建筑物在施工影响区范围内，地层变形或涌水涌砂控制不当后果很严重；

二级(A2)：管线或建筑物距离施工影响区范围较近(2倍中心埋深竖向投影区域内)，地层变形或涌水涌砂控制不当存在周边环境影响较大；

三级(A3)：管线或建筑物距离施工影响区范围较远(2倍中心埋深竖向投影区域外)，地层变形或涌水涌砂对周边环境影响较小。

工程地质条件划分：根据场地地层特点，地下水位埋深、地层渗透系数等条件综合判定。将工程地质条件划分为三级：

一级(B1)：淤泥质土，Cu≤5的砂土，承压水头较高且渗透系数较大的砂土等具有较大涌水涌砂风险的地层；场地周边存在河流、湖泊等，水系与端头加固区有联通的可能。

二级(B2)：除一级以外，可能存在沼气等不良地质条件或因前期施工遗留的不利因素。

三级(B3):除一级、二级以外的地层。

依据以上分级确定冻结法端头加固风险等级如表1所示。

表1 风险等级划分

对于一级风险源的地层建议采用冻结法+钢套筒或明洞接收确保盾构接收万无一失，对于二级风险源地层建议根据场地条件采用冻结法施工的同时采取完备的配套风险控制措施。

冻结法具有良好的封水性，加固体强度高，但对于实际地下水流速大于5 m/d、有集中水流或地下水水位有明显波动的地层需采取措施降低地下水流速。对于地下水含盐的地层需单独进行冻土物理力学试验，确定合理的平均温度，以及冻结法的经济合理性。

3 盾构接收风险分析及对策

本文从设计和施工两个方面对盾构接收的风险进行分析如下。

3.1 盾构接收地层加固设计

冻结法一般应用于有涌水涌砂风险的地层，加固的目的在于：1)形成具有足够强度的冻结圆板，保证凿除洞门圈混凝土后的安全；2)须保证在盾构接收过程中防止水土流失。

对于1)，通过对冻结圆板的强度进行力学验算保证。图1为冻结壁计算模型，在冻结壁达到设计厚度且盾构机到达盾构接收端头附近时，需将洞门钢圈范围内的围护结构凿除，这时冻结壁成为钢圈范围内地层水土压力的主要承载结构，其受力验算可按圆板中心所受的最大弯曲应力计算公式进行验算。

(1)

其中，P为地层荷载，取钢圈底部深度处的地层侧压力；D为洞门钢圈直径，m；μ为泊松比；h为圆板厚度。

最大剪应力计算公式：

(2)

对于2),盾构端头接收时在冻结体周围可能的过水通道有两条：第一，沿车站内衬与车站围护结构之间缝隙；第二，沿盾构外壳与冻土之间的缝隙渗透，如图2所示。

对于第一条，采用水平冻结施工方案，在外圈冻结孔间距合理的情况下一般可以予以保证，同时应注意采取车站内衬墙处的保温措施。

对于第二条，要求外圈冻结壁长度应能包裹整个盾构机外壳，且超出至少1环～2环的距离，以便在盾构机尾部设置止浆垫。否则，水土容易通过盾构机与冻结加固体间隙涌入车站内。

除以上冻结施工措施外，一般在风险较大的地层配套使用钢套筒或明洞接收方案进行，以实现洞内洞外的土压平衡，从根本上杜绝涌水涌砂的可能性，以确保盾构接收的安全。采用钢套筒或明洞接收时冻结壁的主要作用在于确保凿洞门的安全，这时水平冻结长度可不包裹盾构机外壳。也可采用垂直冻结施工工艺，即从地面向下打设冻结管。但对于采用旋喷桩等施工工艺的围护结构的车站应特别注意封堵围护结构与车站内衬间可能存在的过水通道。

3.2 盾构接收冻结加固风险分析与对策

盾构接收风险控制主要在于对地层涌水涌砂风险的控制，除3.1节提及的设计上的保证措施外，施工中应根据实际情况做到精细化施工，排查各种可能的风险源并积极采取对策。本文根据实际工程案例总结，对冻结法盾构接收的主要风险点及对策归纳如下：

第一方面：地层风险。

由于地勘资料存在未勘察到的软弱夹层、过水通道、暗浜等不良地质条件或施工前期采用聚氨酯等材料进行过抢险施工，导致隔热的聚氨酯等材料遗留在地层中对冻结法施工造成影响；周边河流或基坑降水施工影响，导致存在大于5 m/d的地下水流，易导致冻结壁不交圈。

对策：在冻结设计前及施工前都应准确了解施工场地地质和现场条件，准确分析不利于冻结法地层加固的风险因素，并采取措施或采取其他施工工法。

第二方面：钻孔施工阶段。

1)钻孔施工开孔及钻进过程中可能导致地层涌水涌砂，导致地层水土流失，地面沉降，危及周边环境安全。

对策：对有涌水涌砂风险的地层采用二次开孔施工工艺和安装孔口密封装置(见图3)，对于粉细砂或淤泥质地层，水土仍然有可能通过密封装置的缝隙涌出，这时可选择采用夯管法施工工艺或采取保压钻进施工工艺。发生水土流失时应及时通过孔口管上的旁通阀注入水泥水玻璃双浆液补偿地层损失，注浆量依据地层流失量确定。

2)孔口装置脱落。

对策：为防止孔口装置脱落，开孔时在孔口管上打设鱼鳞扣并缠绕麻丝夯入孔口。每个孔口管应至少保证不少于3根M20膨胀螺丝或植筋固定在车站内衬墙上。

第三方面：冻结期。

1)盐水漏失，影响冻结效果。

对策：冻结过程中，加强盐水液位监测。配备液位报警器，实时监测液位变化，发现盐水漏失，要迅速查清组号并关闭相应组阀门，向原冻结管内下放套管继续冻结。要立即查明原因，并对盐水对地层冻结的影响进行评估，并采取措施补救。冻结管应尽量减少接头数量，对于长度小于8 m的冻结管，尽量不设置接头。设置接头的位置应尽量避开地层变化处。

2)测温孔温度降低缓慢，超过冻结时间仍然不能满足冻结壁设计要求。

对策：排查以下可能：a.是否地下水流速过大导致冷量损失；b.是否冻结加固前不久进行过旋喷加固等水泥系加固措施。对于a.应排查是否为周边基坑开挖等降水施工或开采地下水导致的，或为地层本身存在暗流等原因，针对性地采取措施应对；对于b.，冻结法施工应在水泥系加固水化热消散后进行。排除以上两点可能性后，检查冻结系统局部或整体供冷量是否满足设计要求，局部冻结系统不满足时提高局部管路盐水供给，整体不满足时应检查冷冻系统，提高单位时间制冷量。

第四方面：盾构接收期间。

1)临时停电，危及冻结安全。

对策：a.每天定时检查电缆、配电箱等供电电缆及设备安全情况；b.拔管及盾构接收过程中保证双路电源，一用一备，可及时切换;c.一旦停电，需最短时间恢复冻结;d.专人负责，加强冻结用电安全检查，及时排除安全隐患。

2)盾构机冻住。

对策：a.在盾构机通过冻结壁的过程中，盾构机端部刀盘应保持转动状态，当必须停止时，应在每间隔10 min左右转动一次；b.现场备用一台蒸汽机，以备盾构冻住后蒸汽解冻。

3)地下水有可能从盾壳与冻土之间间隙涌出。

对策：a.在盾构机尾部冻结壁长度范围内设置止浆垫(环箍)，并在洞门钢环上设置止水装置。b.进洞过程中密切观察现场情况，一旦有险情及时发现并立即采取措施。

4 盾构接收冻结法施工案例

上海地铁17号线中国博览会北站—虹桥火车站区间盾构接收水平冻结加固工程，地面标高+5.1 m，隧道中心线标高-10.303 m。设计在虹桥火车站西端头井接收。盾构接收区域内地层主要有③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色黏土以及⑤1灰色黏土。考虑到虹桥火车站为重要的交通枢纽站，工程安全极为重要，一旦发生风险后果不堪设想，必须确保万无一失。故设计采用水平冻结法+钢套筒组合接收。施工流程图如图4所示。

盾构进洞共布置59个水平冻结孔。进洞口中心布置1个冻结孔，进入土层深度1.8 m，从进洞口中心向外布置3圈冻结孔。第1圈圈径2.90 m，孔数8个，孔间距1.1 m，进入土层深度1.8 m；第2圈圈径5.70 m，孔数16个，孔间距1.112 m，进入土层深度1.8 m；第3圈圈径8.4 m，孔数34个，孔间距0.8 m，进入土层深度2.8 m。冻结时间设计30 d。

盾构洞门破除前在洞门圈内“米”字型布置9根探孔，探孔上安装球阀并穿透地连墙进入土层，探孔显示土体干硬，实测冻土与地连墙表面温度最高-5.6 ℃，满足设计要求。洞门凿除后对钢套筒进行填料、加压封闭。随后盾构顺利接收。施工过程中顺利，未发生风险。

5 结语

作为盾构区间风险集聚的部位，盾构接收一直是地铁盾构施工领域施工技术和管理人员最为关注的方面之一。而冻结法在国内软土地区的盾构接收地层加固中得到了广泛使用，但由于相关管理或技术经验的不足，各种风险和事故时有发生。本文根据多年相关施工经验总结了冻结法施工中可能存在的部分施工风险并针对性地提出了对策。风险控制最重要的是防患于未然，施工中应从每个环节上进行把关，尽量降低风险的概率。