浅谈水平冻结法地基加固施工技术在盾构进洞中的应用
关键词：隧道，水平冻结，地基加固，盾构进洞
上海市轨道交通10号线10.8标是上海市轨道交通10号线一期工程的重要组成部分。该工程由高安路车站、华山路车站、11号线淮海路车站、凯旋路车站、宋园路车站、高安路站～华山路站区间、华山路站～凯旋路站区间、凯旋路站～宋园路站区间、宋园路站～古北路站区间等五站四区间组成。4段区间隧道总长为6987.452m。其中高安路站～华山路站区间隧道长955.926m，由2台Φ6340土压平衡式盾构先后分别从高安路车站西端头井出洞，沿淮海中路向东推进，途经吴兴路、宛平路、余庆路，至华山路站东端头井进洞，华山路进洞上行线地基加固采用搅拌桩和高压旋喷桩加固，下行线地基加固采用水平冻结加固，该区间于2008年3月开工，至2009年1月13日隧道实现贯通。
一、周边环境状况
华山路车站位于上海市中心闹市区的华山路和淮海西路交叉口处，该车站东端头井下行线一侧地下连续墙外2m处有一备用电缆线，中心线附近处有一根的Φ700上水管闷头。此外，在距离地下连续墙4m外有很多管线，依次为Φ300上水管、Φ300煤气、Φ500煤气。
二、地基加固方式的选择
华山路东端头井上、下行线进洞地基加固原设计为Φ850搅拌桩和Φ650高压旋喷桩加固，加固范围为纵向由端头井外井壁向外3.5m，横向以隧道向左、右两侧各延伸3m，深度为隧道向上、下各延伸3m。其中深层搅拌桩加固范围为3m，旋喷桩加固范围为车站地连墙和搅拌桩之间的50cm夹层。由于下行线洞门距离Φ300上水管、电车架空线杆、消防栓、围墙距离较近，如需实施搅拌桩和高压旋喷桩加固，须对加固区内的管线、构筑物和加固施工要求范围内的管线和障碍物进行搬迁。鉴于华山路站东端头井是在淮海路地面道路半侧封闭、地下管线和地面架空线改道的基础上建成的，已对周边道路机动车通行造成相当大的压力，如按原设计方案实施搅拌桩和高压旋喷桩加固，势必要求对端头井外Φ300上水管、电车架空线杆、消防龙头、围墙等进行二次搬迁、对淮海路再封闭一根车道，这将直接导致10.8标总工期延后5个月，并会影响10号线一期工程全线的总工期，也将使10.8标交通组织费用大大增加，同时也将造成周边道路车辆通行瘫痪，严重影响周边人民群众的日常出行和生活。经建设方、施工方、监理方、设计方和徐汇区有关部门、街道、交警、管线、公交等单位的多方研究和分析，一致认为华山路站东端头井下行线地基加固不宜采用原设计方案，建议采用井下水平冻结法地基加固施工方案。经原设计院变更设计后，华山路东端头井下行线进洞地基加固修改为工作井内钻孔水平冻结加固。
三、水平冻结法地基加固施工
1.地质描述
地质土层是影响地基加固和盾构进洞的主要因素之一。根据地质资料，本工程华山路站东端头井加固区主要涉及的土层为：①1杂填土层、②褐黄～灰黄色粉质粘土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土层、⑤1-1灰色粘土层。从地质条件看，对实施水平冻结地基加固较为有利。
2.水平冻结施工法地基加固施工
工作井内钻孔水平冻结加固施工主要由：①水平冻结孔的钻孔、冻结管的安装；②冻结站的安装、调试；③实施冻结等三个步骤组成。
2.1水平冻结孔的钻孔、冻结管的安装
（1） 冻结孔、测温孔、泄压孔的布置
根据冻结帷幕设计，冻结孔按近水平角度布置。圆柱体加固区冻结孔沿槽壁开洞口φ7.5m圆形布置，开孔间距为0.76m（弧长），冻结孔数31个，冻结孔1#～31#长度为6m。
板块加固区冻结孔沿槽壁开洞口φ5.1m、φ2.7m圆形布置，开孔间距为1.14m～1.21m（弧长），冻结孔数21个，冻结孔长度为3.2m；开洞口中心布设1个冻结孔，冻结孔长度为3.2m。
测温孔共布置11个（其中4个布置在盾构半径上R=3.17m），深度为3米，主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。
泄压孔为9个，深度为6米，主要用于冻结期间释放土体冻胀压力。
（2） 冻结孔施工
冻结孔钻孔施工工序为：定位开孔及孔口管安装→孔口密封装置安装→钻孔→测量→打压试验。
冻结孔定位、钻孔质量是冻结法施工的首要环节。在钻孔前应严格按设计要求在工作井槽壁上正确定位和开孔。开孔后，应及时安装孔口管、旁通阀、孔口密封装置，确保安装牢固、无渗漏水现象。钻孔时应严格按照设计要求调整好钻机方位角和俯仰角，并固定好。首先采用无泥浆钻进，当钻进不进尺时，调整施工工艺进行泥浆钻进，同时打开孔口装置上旁通阀门，观察出水、出砂情况。钻孔期间，应用经纬仪结合灯光对每个成孔进行测斜，偏斜率控制在1%以内，不宜内偏，最大终孔间距不大于150mm。施工完毕后，对成孔管内注水进行冻结管密封试验，试验压力控制在0.8MPa，30分钟内压力无变化为合格。
2.2冻结站的安装、调试
为确保冻结加固的效果，选取的冷冻设备和备用冷冻设备的冷却水量、制冷剂、冷媒等必须满足冻结加固的要求。考虑到冻结法施工是必须连续冻结的过程，如设备、管路等原因造成长时间停运，将引起土层的融沉，引起周边地下管线、建筑物和构筑物的变形。因此，冷冻设备和设施的安装、调试、施工临时用电必须确保冷冻期间设备能持续正常的运转。
冷冻管安装时必须按设计要求进行布设和连接，管路的连接接头必须做到密封、牢固，并通过试压试验。冷冻管进出回路上应有测温装置。冷却水存储容器完好、不渗漏，应有水位显示装置和保温设施。冷冻设备质量应合格，设备安装后应能有效运转，并应达到设备出厂标定的冷却水量。冷却循环回路均应设置保温隔热措施。
在冷冻设备安装、调试合格后，施工单位可对土体进行冻结加固。冻结期间，应注意观察冷却池水位，以确定冻结管、连接管、冷却系统是否有渗漏。检查、记录冻结器去回路盐水温度、冷冻机吸排气温度、冷却循环水进出水温度、盐水泵工作压力、制冷系统冷凝压力、制冷系统汽化压力和冻结帷幕温度场的监测等，确定冷冻设备的运转情况和冻结壁厚度的发展情况。检查每个泄压孔的压力，定时释放冻胀压力。冻结期间还应加强对冻结区域地面建（构）筑物、地面道路、地下管线和深沉土体变形的跟踪监测，必要时采取相应的保护措施。
四.冻结加固的效果
华山路站东端头井下行线水平冻结地基加固于2008年11月12日开始，使用一台冷冻机冻结加固，至11月19日（第7天）盐水进、回路温度分别为－28.5℃和－26.5℃，以后始终稳定在－28℃以下，盐水进路和回路温差小于2℃。至2008年12月25日盾构进洞止，连续实施冻结34天。冻结期间，冷冻设备运转正常，冷却水无渗漏现象。
经实地查看，洞门表面已结霜。据沉降监测报告显示，地面沉降及各管线沉降位移变化值较小。洞门砼凿除前，在洞门上不同部位所开的9个探孔，均无渗漏水和泥沙流出等现象。
五.盾构进洞存在的风险
由于采用了水平冻结法地基加固，也给盾构进洞施工增加了一定的风险性。主要风险如下：
1. 盾构进洞区域冻结管过早拔除，冻结土体自然解冻，冻结效果降低，会造成土体融沉、洞门渗漏水，给周边环境和盾构进洞带来不利影响。
2. 冻结管拔管时造成断管，且不能及时取出断管，影响盾构进洞。
3. 盾构进洞段推进时，刀盘被冻住，导致盾构无法进洞。
4. 盾构进洞后，加固区域后期融沉，导致周边地下管线、道路、建筑物变形。
5. 其它突发事件的发生。
六.盾构进洞的保证措施
（1）盾构进洞期间对冻结区的温度控制
在通过测温孔测定、计算确定冻结已达到设计要求后，方可进行盾构进洞施工。为了保证盾构能够顺利推进，盾构外周的实际冻土温度控制在0℃～-5℃之间为宜，以能保证水呈固态，且盾构总推力不至于过大。
（2）洞门开设探孔，探查冻结效果
在确认冻结帷幕达到设计厚度及强度厚后，可在洞门上开设若干探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔的布置应在两测温孔之间，探孔进入冻土内深度控制在10～15cm。测温时应采用高精度的温度计或测温仪进行量测，各探孔实测温度必须低于－5℃。同时，可通过探孔探查冻结土体的冻结效果和是否有渗漏水和泥沙流出现象。
（3）冻结管拔管和洞门的凿除
盾构刀盘进入外圈圆柱体冻结加固区后，在刀盘距离内圈板块冻结加固区1m时，通过探孔探查分析，确认冻土帷幕与槽壁胶结良好后，即可对内圈板块冻结加固区实施拔管。拔管时应从板块冻结加固区的外圈向内圈逐圈拔除冻结管，拔除外圈冻结管时，内圈冻结管应维持冻结。拔管前，应先对待拔冻结孔实施局部解冻后再进行拔除。拔除每圈冻结管时，要间隔拔除，未拔除的相邻冻结孔应维持冻结。直到全部拔除板块上的所有冻结管。冻结管拔除时应避免损坏外圈圆柱体冻结加固区的冻结管和其它施冻的冻结管，并做好维持冻结工作。如遇冻结管拔断，应及时套管钻孔取出冻结管。整个拔管工作应及时完成，不应拖延。拔管结束后，应及时对洞门进行凿除，以防冻结帷幕融化，影响其强度。
（4）盾构穿越冻结区域的控制措施
为了预防盾构机穿越冻结区域推进时刀盘被“冻住”的现象，首先应将盾构刀盘系统与其他系统解锁，确保在冻结区域推进期间刀盘始终保持旋转，而不被冻住。其次，严格控制推进速度、控制刀盘切割土体的进刀量，以防刀盘切入冻结土体过深而被卡住，从而导致刀盘被冻住。其三，推进期间对正面冻土注盐水，有利于刀盘切割土体。其四，现场应配备处置盾构被“冻住”的应急设施，如对盾构机正面土体喷蒸汽和加注热盐水等相应解冻设备和物资等。
（5）盾构进洞后的融沉注浆
盾构进洞后，应根据环境监测情况利用工作井壁上的冻胀泄压孔和隧道内进洞段管片上的注浆孔（进洞区域管片上可多设置一些注浆孔）及时进行跟踪注浆，控制融沉；根据以往经验，融沉注浆总量一般为冻土体积的15%左右。其次，实施局部强制解冻，利用洞口周边井壁上的冻结管和冷冻循环的盐水来作为传递热量的媒体,对冻土进行加热，使冻土在短时间内融化。解冻原则是先上部后下部。相邻的两个冻结孔不能同时解冻，可采取跳跃式解冻法。在解冻的同时应加强对地面建（构）筑物、地面道路、地下管线和深沉土体变形的实时监测和隧道进洞段的后前沉降监测，及时对冻土进行补充注浆，以控制上部管线、建筑物等的沉降和隧道自身的沉降。
（6）落实应急预案的各项准备
在盾构进洞期间，成立应急预案领导小组，对抢险工作进行总体协调指挥，以做到万无一失。盾构进洞现场应备有足够抢险物资，即各种规格的砂袋、棉被、速凝水泥、注浆泵、堵漏剂、泡沫条、海绵等物资，对渗水点及时封堵。加强对洞门凿除后的保温措施，防止冻结壁融化。在施工现场配备一定量的液氮，万一冻结壁局部融化时，可及时使用液氮进行冻结，保持冻结温度。
七.结束语
笔者认为水平冻结法地基加固为盾构进洞提供了一种极为有效的加固方式，尤其在地面场地有限、地面加固区域有障碍物一时无法搬迁、清除等情况，致使无法采用常规地基加固方式时可采用这种工法。但这种加固方式也存在较大盾构进洞风险和地层后期融沉的风险，需要施工人员采取切实有效的防范措施和应急措施，保证盾构的顺利进洞和降低周边建筑物、地下管线、地面道路的沉降变形。