人工地層凍結(jié)在地鐵隧道流砂地層
盾構(gòu)出洞施工中的應(yīng)用

【摘 要】地鐵隧道盾構(gòu)自工作立井始發(fā)進入隧道首先要解決洞門區(qū)域地層封閉加固問題，而傳統(tǒng)工法對處理流砂地層難度較大。本文介紹了我國地鐵隧道首例流砂地層中盾構(gòu)出洞采用人工地層凍結(jié)法的工程實例，該工程中成功地解決了地鐵隧道盾構(gòu)出洞擾動流砂地層封閉加固難題。同時本文對該工程中人工地層凍結(jié)法的應(yīng)用效果進行了分析與研究，認為其抗?jié)B性和整體支護效果要優(yōu)于其他方法。
【關(guān)鍵宇】 人工地層凍結(jié) 隧道 流砂盾構(gòu)出洞

1 前 言
1．1 人工地層凍結(jié)簡介
人工地層凍結(jié)法是在地層中鉆鋪垂直或水平凍結(jié)器，利用低溫鹽水循環(huán)或灌注液氮，降低地層溫度，將天然巖土變成凍土，形成強度高、不透水的臨時凍結(jié)加固體。同時可免去一些結(jié)構(gòu)支護和降水措施。地層凍結(jié)法是一種環(huán)保型工法，地層凍結(jié)是將地層中的水變成冰，所加固地層最終要恢復(fù)到原始狀況，因此能夠保障地下水不受污染，保護城市地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性。
1．2 盾構(gòu)出洞人工地層凍結(jié)應(yīng)用原理
隧道盾構(gòu)從工作立井推人隧道前，需要鑿除隧道洞門結(jié)構(gòu)外側(cè)鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，但是由于隧道盾構(gòu)出洞承受工作井附近土層產(chǎn)生的巨大地壓和水壓，會導(dǎo)致涌水或涌砂。因此首先必須對混凝土地下連續(xù)墻外側(cè)含水地層進行加固處理。以往多采用注漿法或深層攪拌加固地層，但是在流砂地層(特別是擾動砂性土層)采取注漿法或深層攪拌難度較大，效果不佳。在打開洞門混凝土施工中，存在涌水或涌砂、甚至土體坍塌的危險，給盾構(gòu)出洞帶來極大困難。采用人工地層凍結(jié)技術(shù)對工作井附近土層進行封閉加固，即在盾構(gòu)出洞口前方3～4m、隧道圓形設(shè)計斷面及其周邊3～4m的范圍內(nèi)，鉆鋪垂直(或水平)凍結(jié)器，在凍結(jié)器內(nèi)循環(huán)鹽水，逐漸降低地層溫度，地層中的水變成冰，冰和土顆粒逐漸形成凍結(jié)連續(xù)體，將凍結(jié)區(qū)域和混凝土地下連續(xù)墻形成整體凍結(jié)封閉加固區(qū)，防止在鑿除隧道洞門鋼筋混凝土?xí)r產(chǎn)生涌水或涌砂現(xiàn)象，從而保證盾構(gòu)順利出洞和就位。
2 工程應(yīng)用及其效果分析
2．1 工程簡介
南京某地鐵區(qū)間隧道采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)直徑8．05m。劇拙洞的洞門地層為砂性土，含水高，水壓大，透水性大，暴露擾動時易產(chǎn)生液化、流動而形成流砂。盾構(gòu)出洞口地表15m范圍內(nèi)，沿盾構(gòu)出洞方向有380v電纜一根，↓900下水管一根與盾構(gòu)出洞交叉方向有380v電纜一根，↓150和↓1 200上水管各—根。盾構(gòu)出洞口地層曾采用深層攪拌樁和壓密注漿對洞門區(qū)域砂性土層進行加固處理，加固區(qū)與地連墻之間0．5m區(qū)域的進行注漿。施工結(jié)束1個月后，對加固地層進行取芯檢驗，檢驗結(jié)果良好，土體bn固強度在1．2MPaVd&。但水平探孔有少量清水滲流，在開鑿洞門鋼筋混凝土過程中，洞門中心處出現(xiàn)大量流砂涌人，后又從洞門兩側(cè)發(fā)生大量流砂，洞門開鑿被迫停止。經(jīng)過方案比較，擬用人工地層凍結(jié)法對注漿區(qū)實施勵n固。凍結(jié)方案如下：
(1)凍結(jié)方式：采用單排垂直全深凍結(jié)方式，凍結(jié)深度19．5m(控制范圍：位于盾構(gòu)推進斷面上部4．0m，下部4．0m）。
(2)凍結(jié)孔布設(shè)：
①凍結(jié)孔布設(shè)區(qū)域：盾構(gòu)推進斷面左右兩側(cè)各3．5m。
②凍結(jié)孔間距：400mm。
(3)積極凍結(jié)期：20d。
(4)凍結(jié)管解決方式：通過強制解凍后拔出地面。
根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，經(jīng)過20天積極凍結(jié)，預(yù)測已形成深度19m，寬度12m，厚度0．65 m的凍結(jié)加固體。后打開洞門鋼筋混凝土墻，洞門內(nèi)凍結(jié)土體自立性好，未見滲水現(xiàn)象，封水效果也較理想。隨即進行隧道斷面凍結(jié)管解凍和起拔工作，解凍時間17小時，待凍結(jié)管起拔結(jié)束后推進盾構(gòu)，從而保證了盾構(gòu)安全、順利出洞。地層凍結(jié)法在該工程中遇到了極大挑戰(zhàn)。其一，地層已被大規(guī)模擾動，而且地層因大量流砂而產(chǎn)生空洞，不利于凍土墻的形成；其二，由于前期較短時間內(nèi)已在地層中注入了大量水泥漿液，其水泥水化熱對凍結(jié)效果產(chǎn)生影響。
2．2 應(yīng)用效果分析
(1)砂性地層凍土墻的隔水、抗?jié)B性好
由于該處地層較為復(fù)雜，主要是砂性地層，含水量高，透水性大，擾動易產(chǎn)生液化、流動而形成流砂，給采用其他地層加固工法帶來極大困難。前期采用深層攪拌樁及壓密注漿對洞門區(qū)域砂性地層進行加固，盡管取芯檢驗結(jié)果說明土體加固強度在1．2MPa以上，但由于在流砂地層中深層攪拌樁及壓密注漿對地層加固不均勻，地層中存在未完全封閉的區(qū)域，當(dāng)打開洞門時，地層水從薄弱區(qū)域涌出。采用地層凍結(jié)法，將地層中的水變成冰，冰與土顆粒共同形成凍結(jié)連續(xù)體，凍結(jié)加固區(qū)是個完整、均勻、連續(xù)的區(qū)域，凍結(jié)體內(nèi)不會存在任何縫隙，起到了良好的隔水效果。
(2)砂層凍土墻可與連續(xù)墻帷幕形成整體防水體系
通過在交界面處實施強化凍結(jié)，可以保證凍土墻與工作井混凝土連續(xù)墻緊貼在—起，沒有任何縫隙，抗?jié)B性和整體封閉效果要優(yōu)于其它方法，保證不會在凍結(jié)封閉加固區(qū)與混凝土連續(xù)墻交界處產(chǎn)生滲水現(xiàn)象，避免了從洞門兩側(cè)發(fā)生大量流砂。
(3)地層凍結(jié)法在砂性地層中凍土擴展速度較快，速度可達到30~35mm/d，而且凍結(jié)土體強度高。
(4)凍脹和融沉可以得到有效控制
該工程在進行工程中，對周圍地表隆起和沉降進行了實時監(jiān)測，其最大值在正負10mm以內(nèi)，對周圍環(huán)境未產(chǎn)生影響。采用特殊施工方法可有效控制凍脹和融沉，諸如：局部凍結(jié)、間歇凍結(jié)、預(yù)注漿和跟蹤注漿等。
(5)盾構(gòu)刀盤通過凍結(jié)加固體受力均勻，而采取深層攪拌加固的地層盾構(gòu)刀盤切削漿液結(jié)石體強度不均勻。
(6)可控制凍結(jié)加固區(qū)范圍
通過調(diào)整凍結(jié)孔的孔位或調(diào)整冷媒劑溫度，可有效控制凍結(jié)體的形狀和擴展范圍。另外，對于應(yīng)急工程，可采用液氮進行快速凍結(jié)。
2．3 問題與探討
(1)工作井內(nèi)隧道洞門前部凍土縱向加固范圍應(yīng)至少布設(shè)2-3排凍結(jié)器，凍土墻厚度不小于3m。雖然布設(shè)單排凍結(jié)器亦可形成隔水凍土墻，但由于自打開洞門至盾構(gòu)滿足推進條件需要4～5d時間，在此期間暴露的凍土墻極易被周圍環(huán)境、地層或水泥水化熱所融化。
(2)停止冷凍后，盾構(gòu)機頭應(yīng)及時貼在洞門凍結(jié)土體上，垂直凍結(jié)器拔除后，應(yīng)立即推進盾構(gòu)，防止暴露的凍土墻在環(huán)境溫度下加劇融化。
3 結(jié) 論
(1)首次在擾動流砂地層中利用地層凍結(jié)法成功解決了地鐵隧道盾構(gòu)出洞地層加固難題。砂層凍土墻起到良好的隔水和支護墻效果，保證了盾構(gòu)順利出洞準確地就位。
(2)凍結(jié)封閉加固區(qū)可與工作井連續(xù)墻帷幕形成整體防水體系，抗?jié)B性和整體封閉效果要優(yōu)于其他地層封水加固方法。
(3)砂層凍土墻產(chǎn)生的凍脹和融沉可以通過采取間歇凍結(jié)、局部凍結(jié)等措施得到有效控制，不會對工作井連續(xù)墻混凝土結(jié)構(gòu)和周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生不利影響。
(4)人工地層凍結(jié)法是隧道盾構(gòu)施工一種有效的輔助工法。