水平冻结法在苏州地铁盾构进出洞的应用
摘 要: 冻结法作为一种地基加固措施，已用于复杂地质条件下的城市地下工程建设。本文结合苏州地铁盾构进出洞施工，介绍了水平冻结法施工技术要点、施工方法、施工流程、盾构进出洞主要技术措施、融沉注浆及处理方法等，为同类工程提供借鉴。
关键词: 地铁盾构施工 水平冻结 融沉 施工技术
1 工程概况
苏州 地 铁 火 车 站 站 至 东 风 井 区 间 DK13 +449. 996—DK13 + 464. 000 段，地下三层结构。车站位于拟建苏州火车站正下方，与国铁站房合建。东段与天筑路站—苏州火车站站区间的设计分界里程为右DK13 + 585. 926，结构外包全长 119. 9 m，标准段外包宽度为 30. 3 m。盾构隧道全断面除顶上 1 ～ 2 m 范围内为④3粉土夹粉砂层外，其余均为④5灰色粉质黏土层。④3粉土夹粉砂为微承压水，透水性及赋水性中等 ～ 较好，渗透系数 K 为 1. 75 × 10－ 3cm / s。
盾构进出洞及东风井端头土体加固区已完成，加固措施采用旋喷桩配合搅拌桩，靠近车站端头采用单排 800@ 600 双管旋喷桩，搅拌桩采用三轴 850@ 600，国铁设备用房位于区间隧道正上方，承台底板高程为－ 6. 70 m，隧道顶距承台底的最小垂直净距仅为 1. 58m，国铁设备采用桩基，隧道从其正下方穿过，国铁桩基础与进出洞加固发生了交叉重叠，纵向长度自端头围护结构外侧 11 m，横向及竖向长度在隧道结构线外。
为保证盾构进出洞的安全，多次对火车站东风井端头地面垂直取芯及东风井、火车站站洞门洞内水平取芯，取芯结果表明，每个洞门均存在不同程度的渗漏水涌水及涌砂情况。
2 洞内水平冻结法施工
由于沪宁高铁通车沿线 30 m 范围内封闭，加之工期紧，在火车站东风井端头地面施工降水井，辅助盾构进出洞条件不具备; 而火车站端头地面上已建成了国铁设备用房，也不具备施工降水井辅助盾构进出洞条件。左线隧道外边线距新建城际高铁轨道约 17 m，距雨棚承台柱约为 1. 5 m，盾构进出洞期间一旦发生险情，地面上也无任何的抢险求援条件。因此，为了确保盾构进出洞安全，选定洞内水平冷冻法施工。
冷冻法施工的顺序为: 东风井右线盾构出洞东洞门、东风井右线盾构进洞西洞门、火车站站右线盾构出洞东洞门、火车站站左线盾构进洞东洞门、东风井左线盾构出洞东洞门和东风井左线盾构进洞东洞门，共计6 个洞门。盾构 3 次到达，3 次始发。
2. 1 进出洞加固技术要点
①为保证盾构进出洞的安全，预先开始冻结孔的施工，通过检测冻结壁厚度和平均温度确认达到设计要求，再进行槽壁破除和盾构进洞施工。②加强地面监测，在加固区上方地表、建构筑物等处设监测点，监测施工过程中的沉降变化。③在进洞口附近管片上增设注浆孔，进行后期融沉注浆。④利用管片上注浆孔进行跟踪注浆( 进出洞区域的管片增加注浆孔) ，减少融沉。
2. 2 施工方法
在工作井内利用水平冻结和部分倾斜孔冻结加固地层，使盾构机外围及开洞口范围内土体冻结，形成圆柱加板块、强度高、封闭性好的冻结帷幕。
2. 3 施工流程
确定冻结帷幕交圈、冻土与槽壁完全胶结，并达到设计强度后，盾构推进到离圆柱冻结帷幕一定距离处，开始破除洞口槽壁 0. 5 m，然后施工探孔，无泥水流出，冻结效果良好，再将槽壁完全破除，槽壁破除过程中土体继续加强冻结。
冻结站安装与钻孔施工同时进行，钻孔施工结束即可转入冻结器安装和冻结阶段。
2. 4 冻结施工
设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使定时检测盐水系统运转正常。
实测后进入积极冻结。冻土墙温度达到设计值后，在紧挨隧道洞口的工作井井壁上用 38 mm 金刚石取芯以判断冻结帷幕的形成，积极冻结期盐水温度为－ 28 ℃ ～ － 30 ℃ ，设计冻干探孔，判断冻土墙与槽壁之间完全胶结后方可打开盾构洞口。打探孔时，要求冻结孔单孔流量为 5 m3/ h，盾构机进洞完毕即可停止冻结，冷冻施工设备场地布置见图 1 所示。
3 盾构进出洞主要技术措施
3. 1 盾构进出洞技术要求
1) 盾构进出洞必须在确认冻结壁厚度、平均温度达到设计要求后进行。
2) 控制盾构机推进速度，当盾构进洞时，盾构机进洞在距离冻结壁 1. 0 m 时停止推进，当冻结壁积极冻结已达到 30 d，且通过测温孔测温确定冻结壁厚度、平均温度达到设计要求，冻结壁与连续墙完全胶结，交界处测点平均温度小于 － 5 ℃ 时可以开始槽壁破除。
3) 基坑维护结构部分凿除，预留的连续墙厚度不小于 0. 3 m，确认冻结壁发展良好，连续墙后无未冻土后将剩余连续墙凿除。
4) 盾构机范围内的冻结管拔出后，进洞盾构机继续向基坑连续墙方向推进，盾构机穿越冻结壁过程中保持盾构机持续运转，必须停机时亦应使用盾构机刀盘间歇运转，以防刀盘被冻住。从冻结管拔除到盾构机进洞，总时间应控制在 3 d 以内。
5) 盾构出洞时，盾构机尽量靠近洞口，但同时必须为拔管留够足够的空间( 不小于 2 m) 。
6) 冻结壁积极冻结前应对洞门内槽壁进行保温，保温采用喷射发泡聚氨酯材料，喷射厚度不小于 30 mm。
3. 2 拔管与盾构机接收
盾构机准备接收前必须对所有设备进行检修、维护，保证盾构处于良好工作状态。当通过测温孔测温确定冻结壁厚度、平均温度、胶结点处测点温度等达到设计要求后，连续墙部分凿除，预留的连续墙厚度不小于 0. 3 m，且保留外排钢筋。此时洞圈内的冻结管可以拔除，拨管的同时盾构机继续向连续墙方向推进，盾构机范围内的冻结管全部拔除后，盾构机继续推进，到达冻结壁边缘时停止，等待连续墙全部凿除完后，盾构机推过冻结壁接收。
1) 拔管顺序: 拔盾构接收口内的内圈孔，先拔内圈孔，在拔内圈孔的同时，中圈、外圈孔继续冷冻。内圈孔拔完后开始拔中圈和外圈孔，拔孔时要间隔拔除，未拔除的相临孔继续冷冻。
2) 拔管方法: 用热盐水循环解冻 5 ～ 8 min 后，利用两个 10 t 千斤顶架设在槽壁上，水平向外顶推冻结管，热盐水温度宜控制在 + 50 ℃ ～ + 70 ℃ ，冻结站内冷热盐水应分别设置，并有方便的冷热盐水关闭与开通的切换装置。
3) 拔管时间: 从第一根水平冻结管拔除到盾构机接收，总时间应控制在 3 d 以内。
3. 3 破壁及盾构穿越冻结区的保证措施
1) 温度控制。为了保证盾构能够推进，盾构外周的冻土温度必须得到有效的控制，冻土温度通过测温孔得到。控制盾构外周的冻土温度不低于 － 5 ℃ 并接近零度，能保证水呈固态为宜。
最终通过测温手段确定冻结已达既定要求后才进行盾构接收施工。
2) 打设槽壁探孔。通过测温孔观测计算，确认冻结帷幕达到设计厚度及强度，当槽壁破壁厚度还剩下不小于 300 mm 时，然后在冻结薄弱处打不少于 3 个探孔，以判断冻土与槽壁的胶结情况。探孔在两测温孔之间布置，按照各探孔的布置在洞门上定点，然后用风镐进行凿窝，窝直径 400 mm，窝深在 200 ～ 400 mm，探孔打好后，即可用电锤穿透探孔内剩下槽壁，最终探孔进入冻土内深度控制在 10 ～ 15 cm。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－ 2 ℃ 。
3) 槽壁凿除。 当通过探孔实测温度判断冻结帷幕与槽壁完全胶结后，方可拔管，然后将槽壁全部破除，最后一层破壁时间不宜超过 3 d，以防冻结帷幕融化，影响其强度。最后一层破壁须采用分层分块进行，防止破坏冻结帷幕，造成不良后果。
3. 4 融沉注浆
融沉注浆技术要求:
1) 融沉注浆应配合测温孔测温及隧道变形监测进行。利用盾构隧道管片上的预留注浆孔做为地层融沉注浆孔。注浆顺序为: 隧道底板→隧道两侧→隧道顶板。
2) 融沉补偿注浆材料以水泥—水玻璃双液浆为主，单液水泥浆为辅。水泥—水玻璃双液浆配比为: 水泥和水玻璃的溶液体积比为 1∶ 1，其中水泥浆水灰比为 1∶ 1，水玻璃溶液采用 B35 ～ B40 水玻璃加 1 ～ 2 倍体积的水稀释。注浆压力不大于 0. 5 MPa，注浆范围为整个冻结区。
3) 当隧道 1 d 沉降 ＞ 0. 5 mm，或累计隧道沉降 ＞1. 0 mm 时，应进行融沉补偿注浆; 当隧道隆起达到2. 0 mm 时应暂停注浆。
4) 冻结壁已全部融化，且未注浆的情况下，实测地层沉降持续 2 个月，每半个月不大于 0. 5 mm，即可停止融沉补偿注浆。
3. 5 融沉处理
融沉处理利用隧道内预留的注浆孔，采取分层注浆的方法进行处理。融沉注浆遵循少量多次的原则，注浆压力不大于 0. 5 MPa。水灰比为( 0. 8 ～ 1. 0) ∶ 1，可根据注浆压力情况进行调整。融沉注浆结束的标志是连续半个月不注浆，地表和隧道沉降不大于 0. 5mm。起初应增加监测频率，如果地面融沉过大，还需在井口部位安装注浆孔直接注浆加固。
根据以往经验，融沉注浆总量一般为冻土体积的15% 左右，经计算该区域注浆体积约为 15 m3，采取以下方法进行跟踪注浆控制融沉: ①盾构进洞后利用卸压孔进行跟踪注浆，控制融沉; ②利用管片上注浆孔( 在进洞区域管片上设置注浆孔，每环 6 个) 进行跟踪注浆，减少融沉。
4 结语
1 ) 苏 州 地 铁 火 车 站 站 至 东 风 井 区 间 DK13 +449. 996—DK13 + 464. 000 段盾构进出洞采用冻结法施工中，严格按设计组织施工，各工序衔接连贯，最终取得了良好效果，整个工程被评定为优良。
2 ) 实践证明冻结法因其加固强度高、所需时间短、整体稳定性好、隔水性能好等优点，成为地铁施工保护端头建筑物，穿越富含水、稳定性差软弱地层的可靠方法。成为一项安全性好、可靠性高的含水软土地层加固新技术，同时冻胀融沉的有效控制也为冻结法在市政工程中的应用开辟了广阔的前景。
参 考 文 献
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