杭州地铁超长联络通道冻结法施工风险控制

1 前言

　　2条地铁区间隧道之间一般要设置一条横向的联络通道和泵房，设在2座地铁车站之间的最大埋深处。采用盾构法施工的软土地层，联络通道和泵房一般采用冻结法或旋喷桩施工，矿山法开挖。2003年7月1日上海轨道交通4号线南浦大桥—塘桥区间在黄浦江边埋深30m处采用冻结法开挖联络通道中，发生渗漏水导致大量土砂涌入，致使200m区间隧道坍塌的重大事故。广州地铁、高雄地铁也发生过联络通道开挖引起的坍塌事故。地铁联络通道和泵房施工成为重大的风险源。
　　杭州地铁1号线彭埠站至建华站盾构区间设2个联络通道，处于软土地层，埋深大、通道长，采用最有效和安全的冷冻工法，但仍存在风险有很多风险点，必须严格管理、精细施工，实施动态监测，将工程风险降到最低。


2 工程及地质概况
　　杭州地铁1号线彭埠站至建华站盾构区间左线长1529.463m，右线长1622.571m，隧道内径5.5m，该区间共设置两个联络通道，其中1号联络通道覆土25.1m，通道净长27.2m（扣除管片），通道上方为预留的4号两条出入段线，左线正上方为1号西出入段线，净距为9.4m。开挖地层通道为淤泥质粉质黏土、泵房为黏土夹淤泥质粉质黏土。通道离沪杭高速公路坡脚仅为23m。该联络通道埋深大，长度长，开挖地层含水量高、孔隙比大、流塑性大，施工风险大。
　　1号联络通道结构由两个与隧道相交的喇叭口、通道及泵站组成。通道采用二次衬砌方式，一次衬砌为型钢支架厚度150mm，二次衬砌为现浇钢筋混凝土结构，厚度通道侧墙及泵站底板450mm、拱顶500mm、通道底板1910mm，一次与二次衬砌之间铺设防水层。联络通道所处地层如图1所示。
其通道所处的土层分别为①2杂填土；③2砂质粉土、③3砂质粉土、③5砂质粉土、③6粉砂夹砂质粉土；④3层淤泥质粉质黏土⑥1淤泥质粉质黏土夹粉土、⑥2淤泥质粉质黏土、⑦2黏土夹粉质黏土（局部分布）、⑧1黏土夹淤泥质粉质黏土、⑩3灰色粉质黏土（隔水层）、121粉砂层（承压水层），顶板高程－31.8m，水压约为0.3MPa，位于泵房下方约4.21m处。通道路位于⑥1、⑥2层，泵房位于⑧1层。联络通道及泵站所处土层物理力学参数如表1所示。


　　杭州地铁1号线彭埠站至建华站区间所处的地层赋存沼气，沼气生气层为⑥2层，主要储气层为⑥1层和④4层，次要储气层为⑥2层和④3层。1号联络通道刚好位于生气层和储气层中，该区域沼气最大压力为0.18MPa。区间盾构推进前，地表已采取主动放气，放气后沼气压力已降至0.05MPa。为了防止有害气体以气囊形式存在，对联络通道两侧向外各6m、泵站底板向下5m以内范围进行高压旋喷，破坏生气层，改良土体，同时进行被动放气[2]。
3 工程冷冻设计
　　联络通道工程采用冻结法加固土体，矿山法开挖施工。冻土帷幕设计厚度为2.2m（喇叭口处1.9m）；冻结孔成孔最大间距为1400mm（集水井处为1500mm），冻结孔开孔位置误差小于100mm，冻结孔最大偏斜率为200mm。冻结孔布置左线57个（其中2个为透孔），右线59个（其中4个为加强孔），最长透孔为27.9m，最深冻结加强孔为19.000m。冻结孔布置和冻土帷幕剖面如图2所示。


　　冻结施工的设计盐水最低温度为－28℃～－30℃，要求冻结7d后盐水温度达到－20℃。维护冻结盐水温度一般不高于－28℃；冻土帷幕平均温度不高于－10℃，冻结壁与管片界面不高于－5℃；冻结孔单孔盐水流量为6～7m3/h；冻结管用f89mm×8低碳钢无缝钢管；冻结总需冷量为135530kcal/h。冻土强度为：单轴抗压不少于3.6MPa，弯折抗拉不少于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa（－10℃）。
4 联络通道施工风险识别与分析
4.1 冻结管施工风险识别与分析
　　冻结管采用在隧道管片上开孔后，用钻机钻孔。施工风险为结构损伤、冻结管偏斜、冻结管缺陷和涌水涌砂。
　　（1）结构损伤：冻结管开孔时对管片主筋凿断、混凝土开裂；
　　（2）冻结管偏斜：该通道透孔长为27900mm，钻偏斜不大于200mm，对钻孔施工要求相当高。
　　（3）冻结管缺陷：冻结管螺纹接头壁厚厚薄不一，接头焊缝质量缺陷和冻结管弯曲，冷冻导致冻结管开裂盐水渗漏。
　　（4）涌水涌砂：泵房处冻结管与承压水间距仅有0.7m，钻孔时隔水层被击穿，或者孔口密封装量失效，引起涌水涌砂。
　　经综合分析，本阶段最大风险事件为冻结管的偏斜和承压水的危害。
4.2　冻结阶段风险识别与分析
　　冻结阶段的风险为制冷量不足、冻土帷幕恶化、冻土强度不足和管片变形。
　　（1）制冷量不足：设计制冷量不足，制冷设备效率或冻结器盐水流量不足引起冷量不足，导致冻土帷幕强度或刚度达不到设计要求。
　　（2）冻土帷幕恶化：因不同土层冻胀系数不同，或冻结管间温度差异过大，导致冻结管开裂，盐水渗漏出，引起冻土融化，冻土帷幕恶化。
　　（3）冻土帷幕强度不足：由于冻结管循环不畅如气堵，造成局部的冻土帷幕强度不够。还有隧道空气流动大，温度相对较高，管片表面散热较快，冻土帷幕与管片界面之间冻土强度不足。
　　（4）管片变形：随着冻结帷幕交圈，冻土体积增加，导致隧道管片变形。
　　经综合分析，本阶段最大风险事件为冻土帷幕强度恶化和管片变形。
4.3　开挖砌筑阶段风险识别与分析
　　开挖砌筑阶段风险为管片失稳、设备异常停机、帷幕缺陷、冻土变形和泵站开挖涌水。
　　（1）管片失稳：开挖前拆除部分钢管片使管片失去完整性，造成隧道开口处出现较大应力集中，导致管片变形甚至失稳。
　　（2）冻结设备异常停机：供冷中断时间过长，冻土帷幕恶化。
　　（3）帷幕缺陷：该通道处在沼气层，或者先前高压旋喷桩施工，土层中可能存在沼气包和水窝等地层缺陷，会在冻土帷幕中形成空洞或冰体，造成冻土帷幕缺陷，开挖时由于冻土帷幕“天窗”导致透水事故的发生。
　　（4）冻土变形：通道中间冷冻施工前从地表往下钻孔埋设f219mm钢管，加快了隧道与地面的空气流动，使得通道内温度升高，冻土帷幕因接触空气对流而温度升高，降低冻土帷幕强度，造成冻土帷幕变形。
　　（5）泵站开挖涌水：因下挖泵站造成冻土帷幕变薄，冻土帷幕强度刚度被削弱，承压水可能击穿冻土帷幕，引起涌水涌砂。
经综合分析，本施工阶段最大风险事件为冻土变形和承压水危害。
5 联络通道施工及风险控制
　　联络通道施工分为冻结管打设、冻结、开挖和结构浇筑3个阶段。
5.1　冻结管施工风险控制
　　冻结管开孔应避开管片手孔、接缝、主筋和钢管片的肋板。开始时放慢钻进速度，避免管片混凝土开裂。
　　在混凝土管片上开孔采用二次开孔方法，二次开孔示意图如图3所示。第一次：在管片内弧面采用f150mm钻头的取芯钻机钻进250mm深（管片厚350mm），然后插入孔口管，插入深度不少于200mm，在孔口管与管片孔壁间压入盘根，接着用快硬水泥封堵，严禁渗漏。第二次：先在孔口管和旁通管上安装闸阀，然后在孔口管内放置f110mm钻头，按设计要求调整好钻头的方位及角度，进行第二次开孔，直到开透管片。开透管片后立即退出开孔钻头，关闭闸阀。冻结管成孔施工采用跟管钻进法，即在隧道管片上开孔后用钻机直接钻进带有钻头的f89mm冻结管。孔口装置示意图如图4所示。




　　由于各冻结管偏斜角度不同，开孔的方位和俯仰角十分重要。首先施工透孔，然后采用高精度经纬仪，对透孔的实际水平角和俯仰角进行测量，精确定位冻结孔的方位度。钻孔阶段按设计要求调整好钻杆机架的方位及角度，并固定好，将钻杆插入孔口装置，随后把盘根压入盘根盒内，利用旁通管小闸阀控制排浆量，减少钻孔对周围土体的拢动，确保地层稳定。开始钻进前2m，利用在隧道两帮布点，采用拉线加垂球方法，反复校核冻结孔的方位[9]，用施工量角器校核冻结孔的俯仰角，确认角度无误后，方可钻进。开始时每钻完一根冻结管就用经纬仪结合灯光监测一个，及时消除钻孔施工偏差。
　　现场配备的冻结管长度有1m、1.5m、2m、2.5m四种规格，在现场条件允许的情况下尽量使用长的冻结管，提高冻结管的刚度，同时冻结管接缝施焊时要确保冻结管的同心度和焊缝质量[7]。冻结管钻进过程中减少钻杆推力，防止冻结管钻进时被顶弯曲。
5.2　冻结施工和风险控制
　　冷冻站在左、右线隧道内各设一座，配备备用盐水泵、冷冻机和循环水泵，确保备用设备完好，实行双路电源供电。右线冷冻管2010年9月3日施工，9月25日完成2010年10月4日右线开始冻结；左线冷冻管施工比右线滞后10d，2010年10月14日左线开始冻结，盐水循环系统盐水总流量在积极冻结期间达到超过设计值，实测流量左线为185m3/h，大于设计值（21组×单组流量7m3/h＝147m3/h）；右线为193m3/h，大于设计值（24组×单组流量7m3/h＝168m3/h）。盐水循环系统去回路温差为1℃～2℃，达到设计要求。
　　在积极冻结期间内，7d盐水温度降至－20℃以下，15d盐水温度降至－24℃以下，23d后盐水温度降到－28℃，以后盐水去路温度稳定在－28℃～－30℃之间，开挖时盐水温度均控制在－28℃以下。
　　冷冻施工中对冻土帷幕实施温度监测，测温孔右线布置6个、左线布置3个，共9个测温孔，测温孔最深在右线为16m，最浅为2m，通道左、右线测温孔具体位置如图5所示[4]。根据测温孔不同的深度在每个孔内分别设置了2～8个测温点，间距1～3m不等。右线隧道均于10月4日正式冷冻并开始记录测温孔的温度、右线隧道均于10月14日正式冷冻并开始记录测温孔的温度。开始冷冻到12月5日的60d内，右线2号和3号测温孔实测温度变化曲线图如图6所示。









　　土体温度从20℃下降到0℃用了15d，从0°下降到－10℃用了15d。根据11月28日测温孔实测数据及冻结孔的偏斜数据实测值，测温孔与冻结管的距离、盐水回路温度，依据下列公式[5]：


　　式中　t——测温孔实测温度；
　　　　　r——测温孔与冻结管的距离：
　　　　　t1——冻结时盐水温度；
　　　　　r1——冻结管的半径。
　　得出冻结圆柱的外半径r2，推算出该地层冻土的发展速度为18.22mm/D。根据冻土发展速度12月5日左线已经冻结53d，冻结壁已达到1931mm，已满足喇叭口处冻结壁设计厚度要求，右线已经冻结63d，冻结壁已达到2295mm。右线喇叭口处冻结交圈如图7所示。




　　本工程从左线向右线开挖，距离左线隧道中心线8.96～12.92m的区域，通道上方仅有一排冻结管，该区域为危险区域。到12月13日已冻结61d，冻结壁最薄处也有2223mm。也能满足设计要求。泵站处横剖面冻结交圈如图8所示。
　　泄压孔左右线各布置2个，左线深13m，右线深12m，泄压孔具体位置如图5所示。泄压孔口上安装闸阀和压力表，当左线冷冻到10月24日即冻结运转20d，通道内泄压孔压力持续升高，11月2日右线泄压孔压力持续升高，这个迹象表明冻结帷幕已经交圈，这时加密隧道变形监测。根据变形值调整隧道支撑架的顶力。开始时分别对1号、2号、3号、4号泄压孔进行多次的放水和泄压观察，流出的水量较小，关闭放水阀后，泄压孔压力逐渐恢复。为了减少地层冻涨对隧道的影响，现场采取对泄压孔及时放压泄载的措施，即泄压孔内压力达到0.26～0.30MPa时泄压孔放压泄载。
　　为防止冻胀引起的隧道变形，在冻结帷幕交圈前，旁通道预留洞口两侧第一条隧道管片环缝处，各安装两榀带有的千斤顶隧道支撑架。支撑架装好后顶实千斤顶，给与管片一定的预应力。如隧道收敛变形加大，增加千斤顶的顶力。
5.3 联络通道开挖浇筑施工和风险控制
　　（1）通道开挖与浇筑
　　联络通道开挖前先将隧道钢管片之间（拉开的六块管片除外）接缝，采用满焊的方式把每条钢管片拼缝焊好，提高钢管片的整体性。
　　12月1日完成了通道开挖侧预留洞口应急防护门的安装，按设计要求打压试验合格。根据11月28日测温孔实测数据及冻结孔的偏斜数据实测值，推算出的该地层冻土发展速度，12月5日左线喇叭口处冻土帷幕厚度已满足设计要求。12月6日上午在左线钢管片上冻结壁的内侧打探孔，孔内已无水、泥流出。12月7日上午通道中间拉出一块钢管片，后，往前试挖900mm，均无泥水流出，已具备开挖条件。12月8日把剩余的钢管片全部拉掉，进行正常开挖。1号联络通道建筑平面图如图9所示，纵剖面图如图10所示。




　　喇叭口处开挖步距定为0.33m，通道向前开挖至2m，见开挖面四周冻土结霜，土体稳定。按实测温度推算冻土强度，经设计同意把开挖步距增至0.5m。开挖后冻土帷幕与空气接触面增加，冷量损耗大，制冷机维持积极冷冻状态。一个步距开挖完成后及时架设钢支撑和背板，背板后面用低标号的水泥沙浆塞实，减少冷量的散失及后期融沉影响。
　　从第三榀钢支撑开始设置监测点，每隔6榀在钢支撑上设置一组收敛监测点，进行水平和垂直两个方向收敛监测。完成6榀钢支撑安装后暂停向前开挖，并向掌子面喷射混凝土保温，防止塌方。然后在支架上绑扎钢筋和喷射混凝土。每隔10榀钢支撑在支架的侧面布置2个冻土变形监测点和温度传感器，监测点需穿过木背板埋入冻土的深度不少于125px，对已完成初期支护通道的冻土进行变形和温度监测，如图11所示。
2011年1月5日挖到右线的钢管片，开始扩右线的喇叭口，10日完成左线喇叭口的扩大，16日完成通道底板混凝土的浇筑，18日完成墙体的浇筑，20日完成拱顶混凝土的浇筑，通道结构施工完成。
　　（2）通道开挖与浇筑
　　在泵房开挖前装好安全防护门，采取边探边挖措施，探多少挖多少，先挖中间小井，然后扩大，开挖步距控制在0.5m，及时架设水平钢支撑和背板，在钢支撑架两个垂直方向布置收敛监测点，进行两个方向收敛监测，同时加强泵站底部测温孔的监测。挖到底，及时架设底部支撑，绑扎钢筋，喷射混凝土，封闭冻土。
　　（3）融沉注浆变形监测
　　通道结构施工结束一周，开始壁后充填注浆。自然解冻一个月，通道两侧隧道及通道开始下沉，每天进行壁后注浆控制融沉。经过近五个月注浆，地表、隧道及通道的沉降、隧道的变形趋于稳定，累计最大沉降量仅为2.5mm。
6　结语
　　杭州地铁1号线彭埠站至建华站盾构区间1号联络通道净间距为27.2m，为目前国内最长的旁通道，采用冷冻法加固地层，矿山法开挖，施工全过程实施监测和风险控制，安全顺利地完成通道施工。施工主要风险为冻结管钻孔偏斜、承压水危害、冻胀变形、泵房开挖。
　　通道最长的冻结管达19m，透孔达27.9m，钻孔的偏斜控制采用在隧道两帮布点，拉两条方位基准线，利用锤球控制校核钻杆方位角的方法，成孔偏差小于200mm（1%），控制在设计容许的范围内。设在隧道内的冷冻机冷却塔尽可能远离冻结区域，并在隧道中安装轴流风机，及时排出冷却塔散发的热量；盐水管路增设管道泵，加速冻结孔的盐水循环，提高冷冻效率。
　　开挖施工中必须加强冻土温度监测，根据冻结壁交圈的时间和测温孔的温度，掌撑好开挖时间。开挖过程中做好型钢变形、冻土变形监测，及时喷射混凝土，对冻土进行保温。缩短二次支护的时间，避免初支暴露时间过长给安全带来隐患。采用激光导向仪准确定出通道中线，有效防止通道中线偏离，确保通道中心和二次支护结构层的厚度。