冻结与注浆联合加固技术在富水软弱浅埋暗挖隧道中的应用

赵向锋 盛俊云 庄昭斌 魏永洁

（中铁一局集团（广州）建设工程有限公司，广东 广州 511400）

0 引言

近年来，针对软弱地层围岩预加固方法，我国相关专家学者开发了包括超前深孔注浆、水平旋喷桩和人工冻结等一系列手段对富水软弱地层进行预加固。但在复杂软弱地层中，注浆与旋喷桩技术难以保证加固效果的均匀性，加固后仍然存在渗水风险，开挖面的稳定性难以保障，存在较大的安全隐患。人工冻结技术虽具有优异的止水效果与围岩加固功能，但造价高昂，应用推广一直受限。

该文以广州地铁11号线某区间二期配线延长段18m暗挖主隧道为研究对象，在充分结合隧道地质条件的情况下。提出了“外圈延长冻结+掌子面全断面注浆”的围岩加固方案并予以顺利实施。在保障安全的前提下，较好地减少了施工成本，为后续类似条件下浅埋暗挖工程的推广应用起到了较好的借鉴作用。

1 工程简况与地质条件

广州地铁11号线云大区间二期配线延长段是在原有云大一期施工完成的2#横通道进行配线延长段隧道的暗挖构筑工作，隧道延东西走向，长度17.503m。隧道平面布置图如图1所示。

图1 配线延长段主隧道平面布置图（单位：mm）

根据现场地质资料显示，配线延长段隧道拱顶主要处于粉质黏土<4N-2>、砂质黏性土<5Z-1>；洞身及基底主要位于砂质黏性土<5Z-1>、砂质黏性土<5Z-2>，局部位于淤泥质土<4-2B>。

2 施工方案设计

因隧道主要穿越混合花岗岩残积土地层且工程水理性质和围岩稳定性较差，经相关专家反复论证后，决定最终采用“外圈延长冻结+掌子面全断面注浆”的围岩加固方案。以外圈延长水平冻结为主，开挖掌子面全断面注浆为辅，以此达到开挖断面稳定的效果，确保整个开挖及结构施工过程的安全。相应的加固设计方案如图2所示。

2.1 外圈水平冻结方案设计

针对该工程特点，隧道外圈形成冻结壁发挥承载和隔水的双重作用，冻结壁设计厚度2.5m，设计最低盐水温度≤-28℃，冻结壁设计平均温度≤-10℃，积极冻结60d。根据冻结设计方案，冻结孔共布设45个，长度均为26.70m（结构长度17.503m），均选用Ø127mm×10mm的低碳钢无缝钢管，延暗挖主隧道环向均匀布置，形成稳定环形的冻结壁加固帷幕。具体的冻结孔和测温孔布置图如图3所示。

图3 配线延长段冻结孔、测温孔布置图

2.2 全断面深孔注浆方案设计

为确保开挖面稳定，开挖面采用全断面深孔注浆，以对土体进行改良。在开挖掌子面延环向打设注浆管，排间距1.1m，孔间距1.48m～1.58m，注浆压力0.5MPa～1.5MPa，注浆扩散半径为1.0m～1.2m，注浆段长度为21.0m，开挖18.0m，预留3.0m止浆岩盘，注浆工作在积极冻结开始前完成，与后续外圈冻结壁共同形成封闭止水帷幕。注浆浆液主要采用单液浆，地下水较大时采用水泥-水玻璃双液浆，水泥为42.5普通硅酸盐水泥，水灰比W/C=0.6～1.1，水泥浆与水玻璃体积比1∶0.05，胶凝时间根据现场情况进行试验得到。相应的注浆孔布置图与联合加固示意图如图4所示。

图4 配线延长段注浆孔布置示意图（单位：mm）

2.3 测温点、变形监测点布置

图2 配线延长段加固方案设计图（单位：mm）

在水平冻结暗挖主隧道内分别布置5个拱顶沉降和5个净空收敛监测点。其中洞口10m范围加密布置3组测点，后面每间隔4m布置一组测点。为了实时掌握地面变形情况，及时消除不良影响，暗挖主隧道地面共布置12个地表沉降观测点。

3 冻结实测分析

3.1 干管盐水温度分析

根据原设计要求，积极冻结时间60d，盐水温度最低≤28℃，到达开挖日期，盐水去回路温差≤2℃，图5所示为整个冻结过程中的盐水进回水温度时程曲线及盐水温差曲线。由盐水时程曲线可以看出整个积极冻结过程中盐水温度呈近似对数型下降，随着冻结时间的延长，盐水温度逐步稳定在-30.8℃～-32.5℃，低于设计要求值，同时去回路温差在1.5℃～1.8℃，满足设计去回路温差保持2℃以内的要求。

图5 配线延长段盐水温度时程曲线

3.2 测温孔温度分析

该工程共设置8根测温孔，深度与冻结孔深度一致。施工中采用DS18b20型温度传感器进行土体温度数据收集，测点每隔3m布置一个，收集频率为30min/次。本次实测测温数据较多，该文从中选取比较有代表性的断面3m、18m层位各测点温度变化趋势来分析温度变化规律，如图6所示。

由图6可以看出，在积极冻结期间，各测点在开始下降后，温度下降趋势比较正常，呈现对数型下降。多个测温孔在0℃时出现了短暂的降速后加速趋势，这主要是在相变阶段，大量散热会造成温度下降接近停滞，属于正常状态。

图6 配线延长段3.0m、18.0m层位测温孔降温曲线

4 探孔施工

配线延长段暗挖施工采用台阶法开挖，开挖掌子面共布设5个探测孔，具体的探孔在掌子面布置如图4所示，探测孔均一次打设21m，满足停车延长线暗挖超前地质预报要求。当有异常情况时，结合物探法探测结果进行判断，必要时适当增加钻孔或加长钻孔。重点探测52内容为探明岩体破碎程度、围岩变化趋势、地下水的赋存情况、断层破碎带情况及基底情况。

根据现场钻设的5个探孔施工结果显示，均无地下水流出，探孔过程中围岩整体性也较好，掌子面注浆和外圈冻结加固已达到预期加固目的，结合各项冻结技术参数分析，现场已具备开挖施工条件。

5 变形监测

5.1 开挖施工情况

按照原设计施工方案，配线延长段暗挖采用“外圈延长冻结+掌子面全断面注浆”进行围岩预加固后采用台阶法开挖施工，开挖共分2个台阶，由上至下依次开挖，上一洞室贯通后，再进行下一洞室施工，循环进尺结合监测数据动态调整1榀～2榀。开挖后先进行初喷，及时施作初期支护和临时支撑。隧道整体贯通后，由下至上转入二衬施工。

开挖初支按全断面0.4m/d考虑，设计开挖周期45d，现场实际开挖施工于2022年03月28日～2022年04月30日进行，开挖用时34d，较原设计周期提前了24%，可见冻结与注浆联合加固技术很好地保障了开挖施工的安全性，极大缩短了施工周期，节约了施工成本，实现了较好的经济效益。

5.2 变形监测数据

配线延长段18m暗挖主隧道于2022年03月28日～2022年04月30日进行主隧道的开挖及初支构筑工作。整个开挖过程中全程进行监控量测，开挖过程并未出现涌水涌砂，开挖掌子面失稳，地表变形较大的情况发生，冻结边界结霜效果良好。各主要的监测项目及监测参数见表1。

表1 主要监测项目及相应参数

相应的变形监测结果如图7所示。

图7 现场变形监测数据曲线

根据现场变形监测数据可以看出，整个开挖过程中，变形监测数据与开挖过程基本同步，未出现变形数据异常的情况：1） 拱顶沉降和净空收敛值在开挖初期出现明显增大的情况，初支施工完成后，逐步呈现出稳定的趋势，最大变形值分别为-9.1mm（GD1-3）、-8.3mm（SL1-2），在整个开挖过程中均远小于预警值±30mm。2） 地表沉降值随着开挖过程，同步呈现出扩大的趋势，在初支完成后也逐步恢复稳定，其中靠近2#横通道受1期冻结融沉的影响，变形量大于其他部位的变形值，最大变形值为-30.93mm（DC2-3），小于预警值±32mm。3） 在整个开挖过程中，对开挖面及地表进行了严密的数据监测，并通过监测数据调整开挖施工过程，成功实现了整个开挖过程的安全施工，在极大推进施工进度的同时保障了开挖安全。

6 结论

广州地铁11号线某区间配线延长段暗挖主隧道在充分结合现场条件的基础上，采用了“外圈延长冻结+掌子面全断面注浆”的联合预加固施工方案”，成功完成了施工任务，为同类型浅埋暗挖工程施工提供了较好的借鉴。

配线延长段预加固措施在达到设计天数后，现场5个全长探孔施工结果均显示干燥无水，现场各项冻结技术参数也全部满足设计要求，证明了“外圈延长冻结+掌子面全断面注浆”联合加固方案的可靠性和安全性。

现场转入开挖工序后，严格遵循变形数据监测频率对数据进行采集。由现场实测变形数据结果可以看出，在开挖过程中，拱顶沉降、净空收敛、地表沉降值均处于变形预警值范围之内，变形曲线趋势基本一致，未出现变形快速发展、超出限值的情况，并且该加固方案在保障整个开挖过程安全的同时，整体开挖工期较原设计周期提前了24%。