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 李亞巍1，王  琛2，余群舟1

  （1．華中科技大學工程管理研究所，湖北  武漢430074；2．武漢地鐵集團有限公司，湖北  武漢430074）

[摘要]聯(lián)絡(luò)通道施工風險較高，是地鐵建設(shè)風險控制的關(guān)鍵點。2號聯(lián)絡(luò)通道位于長江江底的高承壓水粉細砂層中，采用凍結(jié)法施工。詳細介紹了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的風險，提出了相應的預防措施和事后處理措施，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)得出一些規(guī)律，提出凍結(jié)法施工關(guān)鍵在于綜合考慮確定各項施工參數(shù)，及時注漿，及時監(jiān)測測溫孔、泄壓孔、去回鹽液溫差的數(shù)據(jù)變化。

[關(guān)鍵詞]地下工程；地鐵；聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)法；施工風險；監(jiān)測

[中圖分類號]  U231.3 [文章編號]1002-8498( 2016)07-0118-05

0  引言

 地鐵聯(lián)絡(luò)通道一般位于區(qū)間隧道的中間，通常與集、排水泵站連在一起，共同起著兩隧道連接、集、排水和防火等作用。然而聯(lián)絡(luò)通道的施工難度卻高于普通隧道，尤其是在富水、破碎、密集建筑區(qū)域等復雜環(huán)境條件下。地層凍結(jié)法由于地層凍結(jié)后的強度和彈性模量較未凍結(jié)時有極大提高且均勻、形成完全不透水的凍土墻、安全性高、技術(shù)可靠、對地層零危害、復原性好和便于施工管理而認為是不良地質(zhì)條件下聯(lián)絡(luò)通道施工工法中最佳和有效的方法。目前，我國人工凍結(jié)技術(shù)與國際先進技術(shù)水平要求還有一定差距，同樣的地質(zhì)條件下，我國凍結(jié)法設(shè)計的凍結(jié)壁厚度偏厚，相應的凍結(jié)孔數(shù)也多，鉆機能力還比較低，冷凍機安裝工作量大，采用移動式機組較少，主要是在煤炭豎井凍結(jié)法施工基礎(chǔ)上采用數(shù)值模擬和實驗的方法對凍結(jié)溫度場和凍脹融沉進行研究，基于地鐵的研究很少，應進一步研究應用中的問題，使人工凍結(jié)法的應用領(lǐng)域及范圍繼續(xù)擴大。雖然在北京、上海、廣州等城市地鐵中都運用地層凍結(jié)法并取得了成功，然而不同地區(qū)的工程地質(zhì)條件往往具有明顯的地域特性，北京地區(qū)主要為黏性土與砂性土互層、上海為軟土地層、廣州為上軟下硬地層等。武漢市地鐵4號線2號聯(lián)絡(luò)通道處于長江江底，覆土厚度26. 8m，至江面49. 8m，水土壓力達0.4MPa，施工位置所處土層及上覆土層為粉細砂層，孔隙水壓力大，與長江水有直接水力聯(lián)系，施工中容易出現(xiàn)突水、涌泥的現(xiàn)象，施工風險極高。 

本文系統(tǒng)介紹了聯(lián)絡(luò)通道整個施工過程的風險控制手段以及測溫孔、泄壓孔和鹽水去回路溫差的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，為類似工程提供了經(jīng)驗。

1  工程概況

 武漢市軌道交通4號線2期工程復興路站一攔江路站越江區(qū)間在右線ZK14 +560處設(shè)置2號聯(lián)絡(luò)通道（與泵房合建，位于江中），通道覆土厚度為26. 8m，至江面49. 8m，隧道通道中心間距為13m。施工采用“水平孔凍結(jié)加固土體，隧道內(nèi)開挖構(gòu)筑”的施工方案。其結(jié)構(gòu)由隧道管片相接的喇叭口、中部矩形集水井2個部分組成。喇叭口的開挖尺寸約為3 930mm（寬）×4 950mm（高）；集水井處尺寸約為4 076mm（寬）×7 630mm（高）；鋼管片厚度為350mm（見圖1）。

2  工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

 2號聯(lián)絡(luò)通道上覆土層為粉細砂層，存在第四系松散巖類孔隙水，孔隙水壓力大，與長江水有直接水力聯(lián)系。穿越地層為④，層和⑧，層中密—密實砂層，局部可能遇⑤層密實的圓礫土；承載力一般，壓縮性低；室內(nèi)及現(xiàn)場簡易抽水試驗均表明通道處砂層透水性中等，地下水豐富，且易產(chǎn)生滲透變形破壞，地下水流速在1.5~2.5 m/d，單獨采用冷凍法不易達到理想效果，施工時，宜先對砂類土圍巖采取注漿等措施降低地下水流速度后，再進行凍結(jié)法施工。施工期間（施工時間2013年9月-2014年2月）為長江枯水期，但水土壓力仍達0. 4MPa。

3  凍結(jié)方案設(shè)計和施工過程

3.1凍結(jié)參數(shù)設(shè)計

 凍結(jié)方案設(shè)計是在掌握聯(lián)絡(luò)通道尺寸、地層地質(zhì)條件導熱系數(shù)、比熱容等重要參數(shù)的前提下進行的孔數(shù)、開孔間距、凍結(jié)深度、鹽水溫度、鹽水流量等參數(shù)的設(shè)計。在保證凍結(jié)壁的安全和穩(wěn)定性下，應盡量做到經(jīng)濟適用。具體步驟如下。

 1)凍結(jié)壁荷載的計算（按受壓結(jié)構(gòu)設(shè)計）。荷載主要考慮土壓力和水壓力以及土方開挖范圍以內(nèi)的其他荷載。

 2)設(shè)計標志層凍土力學性質(zhì)（指標）。按照《人工凍土物理學性能試驗》進行地層凍土物理力學性質(zhì)試驗，獲取人工凍土必要的物理力學指標和特性以及凍敏性地層凍脹、融沉特性。

 3)初選凍結(jié)壁有效平均溫度和凍結(jié)壁的厚度。根據(jù)人工凍土基本力學性質(zhì)，他們與凍結(jié)壁有效平均溫度直接相關(guān)。一般是根據(jù)經(jīng)驗初選凍結(jié)壁有效平均溫度，再根據(jù)所選溫度對應的凍土物理力學指標和特性，初算凍結(jié)壁厚度。

 4)調(diào)整、優(yōu)化凍結(jié)壁有效平均溫度和厚度�？锼憬�(jīng)濟合理性，進而最后調(diào)整和優(yōu)化凍結(jié)壁有效平均溫度和凍結(jié)壁厚度。

 5)鹽水溫度和鹽水流量。鹽水溫度與鹽水流量應滿足在設(shè)計的時間內(nèi)使凍結(jié)壁厚度和平均溫度達到設(shè)計值的要求。一般回路鹽液與巖層間的溫度差是3～5℃，去路鹽液與回路鹽液的溫度差也是3～5℃。

 6)凍結(jié)管吸熱能力。本工程考慮了降溫區(qū)地熱對凍結(jié)時間的影響，具體公式如下：

 7)凍結(jié)壁內(nèi)平均溫度的計算。將凍結(jié)管中的溫度場近似看作圓管穩(wěn)態(tài)導熱，具體公式如下：

 8)返回第3），4），5），6），7）步，直到設(shè)計和經(jīng)濟合理為止。

 2號聯(lián)絡(luò)通道配備W-YSLGF300Ⅱ型螺桿機組3臺，其中1臺備用。單臺機組設(shè)計工況制冷量為8.6×104 kcal/h，電機功率110kW/h。配鹽水循環(huán)泵選用IS150-125-400C型2臺，備用1臺，流量160m3/h，功率22kW/h。積極凍結(jié)時間為50d。具體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3.2凍結(jié)管的布設(shè)

 2號聯(lián)絡(luò)通道及泵站凍結(jié)孔的布置采取從左、右線隧道兩側(cè)布孔，因冷凍泵站設(shè)置在右線，故聯(lián)絡(luò)通道右線布置凍結(jié)孔60個，左線布置凍結(jié)孔40個，其中隧道中腰部位設(shè)置6個穿透孔，以校核鉆孔方位，且用于冷凍系統(tǒng)對側(cè)的凍結(jié)管和冷凍排管供冷。凍結(jié)孔傾角采用上仰、近水平、下俯3種角度布置。凍結(jié)孔的布置如圖2，3所示。

3.3施工過程

 本項目聯(lián)絡(luò)通道施工過程可分為凍結(jié)孔施工和凍結(jié)站安裝、凍結(jié)施工、開挖構(gòu)筑施工和后續(xù)融沉注漿4個階段。

4  聯(lián)絡(luò)通道風險識別和風險控制措施

 風險識別，即分析工程施工期所有的潛在風險因素并進行歸類、整理、篩選，重點考慮那些對目標參數(shù)影響較大的風險因素。

 本項目綜合運用了核對表法和頭腦風暴法兩種方法，核對表法主要是依據(jù)國內(nèi)已建成的聯(lián)絡(luò)通道，主要是參考本線路已先做的1號聯(lián)絡(luò)通道和上海地鐵4號線聯(lián)絡(luò)通道。

 風險控制即對識別出的風險因素提出相應的預防措施和事后處理措施。

 依據(jù)冷凍法施工工序，聯(lián)絡(luò)通道施工風險可以分為冷凍管施工、凍結(jié)站安裝和冷凍施工風險、通道及泵房開挖構(gòu)筑風險和融沉注漿等4部分。

4.1凍結(jié)孔打設(shè)階段

 1)風險1  軸線偏差。預防措施：透孔為第1個打設(shè)的孔，用來檢測軸線是否偏差。事故處理措施：對孔位進行調(diào)整，重新確定打孔參數(shù)，再進行打孔。

 2)風險2  孔口管脫落。預防措施：每個孔口管加固點不少于4個，且必須滿焊。事故處理措施：①無泥砂流出，對孔口管進行重新加固；②有泥砂流出，用速凝水泥和導流管對此孔進行封堵，待水泥凝固后，注入聚氨酯，封閉此孔，然后打設(shè)補孔。

 3)風險3  凍結(jié)管斷裂。預防措施：①鉆機找正后，及時固定；②控制凍結(jié)管的焊接質(zhì)量，檢查合格后方可繼續(xù)鉆進；③凍結(jié)管之間絲扣連接緊密，確保同心度。事故處理措施：①利用鉆機對斷管進行打撈，撈出后此孔重新打設(shè)；②壓力過大無法打撈，則通過旁通閥注漿，封閉此孔，另選位置打設(shè)補孔。

 4)風險4單向閥損壞。預防措施：①單向閥安裝前，檢查單向閥配件；②安裝后，在進土前，先行打水測試單向閥完好性。事故處理措施：利用鉆機將此孔拔除，重新打設(shè)此孔。

 5)風險5粉砂層中，漏水涌砂。預防措施：凍結(jié)孔開孔分2次進行，以此來控制泥漿涌出。事故處理措施：鉆孔期間大量漏砂、涌水現(xiàn)象無法進行正常鉆孔時應立即壓緊密封裝置，封閉該孔，通過孔口旁通閥注漿。

  4.2凍結(jié)運轉(zhuǎn)階段

 1)風險1  凍結(jié)管斷裂或隧道內(nèi)管路破裂。預防措施：①對孔位進行調(diào)整，重新確定打孔參數(shù)，再進行打孔；②在每個凍結(jié)串聯(lián)支路上的鹽水出、入口安裝閥門；③當壓力上升超過原始地壓0. 2MPa時，及時打開卸壓孔，釋放凍脹力。事故處理措施：①是隧道內(nèi)管路問題，及時更換管路或補焊；②若鹽水流失在土體內(nèi)，對凍結(jié)孔進行下套管處理，即在凍結(jié)管內(nèi)下放463mm×4mm無縫鋼管用于供液凍結(jié)。

 2)風險2  冷凍設(shè)備故障導致停凍。預防措施：①平時加強設(shè)備的管理與維修；②現(xiàn)場備有各種凍結(jié)機組的易損件，備用1臺冷凍機組。事故處理措施：①利用備用機組繼續(xù)維持凍結(jié)，同時修復故障機組。在積極凍結(jié)期間造成機械故障導致停機，可適當延長凍結(jié)時間來彌補；②開挖期間，則減小開挖步距，確保支撐體系穩(wěn)固性。

 3)風險3  凍脹管片變形。預防措施：①布設(shè)卸壓孔，凍脹壓力過大時，及時釋放壓力；②凍結(jié)交圈前在隧道內(nèi)安裝預應力支架。

 4)風險4  施工停電。預防措施：項目部供電配備雙回路電源。事故處理措施：一路電源斷電后及時切換另一路電源，同時檢修電線管路，并聯(lián)系上級電力部門幫助給予解決。

4.3  開挖構(gòu)筑施工階段

 1)風險1  開挖面化凍或滲水。預防措施：開挖時，注意觀測開挖面的環(huán)境溫度。事故處理措施：①發(fā)現(xiàn)開挖面有暴露土塊掉落或滲水現(xiàn)象，可考慮加強制冷，同時土體表面加設(shè)保溫材料，減小開挖步距，及時進行臨時支護，必要時直接施工二襯；②若土塊掉落面積很大，且土體有松動現(xiàn)象或水流量大，則用砂袋填充工作面，并關(guān)閉安全門，繼續(xù)凍結(jié)。

 2)風險2  涌水涌砂。預防措施：安裝安全應急門及安全應急蓋板。

 3)風險3  作業(yè)面嚴重破壞，安全門無效。事故處理措施：①對應急預案內(nèi)容進行演練，落實到人；②隧道沿途掛設(shè)“安全通道”牌，突發(fā)狀況下人員可有條不紊的撤離；③施工前和附近的醫(yī)療、火警等救援單位建立聯(lián)系。

4.4融沉注漿階段

 風險：融沉致隧道后期變形。預防措施：①預埋注漿孔；②監(jiān)測隧道拱頂沉降，凈空收斂。

5監(jiān)測監(jiān)控

 為了確保水平孔凍結(jié)暗挖隧道施工安全優(yōu)質(zhì)地按時完成，須對凍結(jié)系統(tǒng)進行必要的監(jiān)測，使監(jiān)測資料及時反饋，指導施工，以便調(diào)整施工工藝并采取措施。監(jiān)測監(jiān)控主要包括測溫孔、泄壓孔和鹽水取回溫度三方面監(jiān)測，監(jiān)測時間從2013年12月18日到2014年2月5日。

 1)2號聯(lián)絡(luò)通道有12個測溫孔，每個測溫孔按2，1，0. 4m 3個不同深度監(jiān)測，積極凍結(jié)期具體數(shù)據(jù)如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示測溫孔的溫度呈指數(shù)下降，當積極凍結(jié)期結(jié)束，2014年2月1日-2014年2月5日，即積極凍結(jié)期的最后5d，所有測溫孔不同深度的平均溫度為- 14. 43℃，滿足設(shè)計要求的凍結(jié)帷幕平均溫度≤- 10℃。

 2)測溫孔溫度降低的平均速率如圖5所示，2，1，0. 4m測探深度溫度降低的最大速率分別為0. 96 ,0. 91，0.83℃/d；最小速率0.67，0.64，0.52℃／d；平均速率0. 80，0.78，0.66℃/d。

 3)2號聯(lián)絡(luò)通道積極凍結(jié)期間鹽水去回溫差及2個泄壓孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6，7所示。整個凍結(jié)期間鹽水去回平均溫差為1.4℃≤2℃；泄壓孔的壓力<0.4MPa，滿足設(shè)計要求。

6結(jié)語

 1)測溫孔的溫度呈指數(shù)下降，在凍結(jié)過程的最初幾天內(nèi)，凍結(jié)管附近巖層的溫度降低得很快，由于水在結(jié)冰時必須放出潛熱以及已凍結(jié)巖土的熱阻的增加，會出現(xiàn)或長或短的停滯階段，溫度的下降較為緩慢。

 2)同一時間同一測溫孔，探測深度與溫度成反比，與溫度降低速率成正比。這是因為深度越深，熱交換損失越穩(wěn)定，所以施工過程中一定要注意凍結(jié)區(qū)外側(cè)的保溫，尤其是與主隧道管片相接處，由于鋼的熱導率遠大于土的導熱系數(shù)，所以一定要注意保溫。

 3)為了避免凍結(jié)管產(chǎn)生劇烈的溫度應力使凍結(jié)管破裂，凍結(jié)期間一定要注意控制溫度梯度，溫度梯度過大，凍結(jié)鋒面推移較快，同時凍結(jié)時間延長，從而土的累加凍脹量增大。

 4)2號聯(lián)絡(luò)通道位于長江水域，易產(chǎn)生滲透變形破壞，地下水流速在1.5~2. 5m/d，單獨采用冷凍法不易達到理想效果，施工時，宜先對砂類土圍巖采取注漿等措施降低地下水流速度后，再進行凍結(jié)法施工。

 5)加強選擇施工方案的技術(shù)論證、確保施工質(zhì)量并嚴格按照規(guī)范進行施工、建立通暢的風險處理機制，同時還要加強現(xiàn)場檢測與遠程監(jiān)控，實施信息化施工。