33 宁波冷冻法联络通道试开挖涌水情况分析与处理李世佳已改.docx

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33宁波冷冻法联络通道试开挖涌水情况分析与处理李世佳已改

联络通道开挖涌水情况分析与处理

李世佳陈跃进

广州轨道交通建设监理有限公司广州510010

摘要：

处于富水砂层中的联络通道施工,选用冻结法加固土体具有冻结壁均匀性好，与隧道管片结合严密，强度高，封水性好，安全可靠以及对地下水、土层无污染等优点,是施工方法的首选。

但在施工过程，如控制不到位，也存在冻结壁交圈效果不理想，导致开挖过程中出现涌水涌砂情况，本文结合宁波轨道交通1号线【盛-福区间】联络通道开挖施工涌水现象分析及处理情况，总结富水软土地层联络通道施工过程中容易忽略的控制点。

关键词：

联络通道冷冻法涌水

1工程概况

1.1工程概述

【盛莫路站～福庆北路站区间】隧道全长1003米（836环），联络通道及泵房在隧道443环位置，该联络通道所在位置的隧道中心高程为-17.564m，通道中心线间距12m，联络通道由与隧道管片相连的喇叭口、水平通道和泵站构成。

其中通道和喇叭口为直墙圆拱型结构，泵站为矩型结构，采用二次支护方式。

该联络通道位于宁波市鄞州区宁穿路下方，距离联络通道中心最近的建筑物是混2层建筑，约为21米，距离梅墟港桥约32米,附近无重要管线。

（见图1-1）

图1-1【盛～福区间】联络通道平面图及断面图

由于受到节点工期影响，为加快联络通道施工进度，决定暂停右线盾构掘进施工，利用已贯通左线进行联络通道冻结孔施工，在冻结期间，继续进行后续右线盾构掘进，待盾构机到达后，再进行联络通道开挖施工。

根据该进度计划安排，联络通道冷冻机组只能放置在盛莫路站中板上，再通过约600米长的盐水管将盐水输送到联络通道处冷冻管。

1.2工程地质及水文条件

联络通道处地面标高约为+2.29m。

联络通道施工深度范围内的土层自上而下主要为②2-1层灰色淤泥、②2-2层灰色淤泥质粘土、③1层灰色粉砂、③2层灰色粉质粘土夹粉砂和④1-2层灰色粉质粘土，地层土质较软，自稳能力差，其中③1层灰色粉砂，③2层灰色粉质粘土夹粉砂层极易造成涌水冒砂、隧道坍塌变形。

图1-2【盛～福区间】联络通道地质剖面及地层物理力学指标

2开挖前钻孔及冻结情况

2.1联络通道冻结设计情况

（1）本联络通道冻结孔数共为67个（左线隧道54个包括4个透孔、右线隧道13个）；冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道和泵站的四周。

（2）为了准确掌握冻结温度场变化情况，设置8个测温孔（正面2个，背面6个）来监测冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与隧道管片界面温度和开挖区附近地层冻结情况

（3）为准确判断冻结壁是否交圈，并释放减少土层水土冻胀压力，在与联络通道相接的隧道内两侧非冻结处，设置4个泄压孔（正面2个，背面2个）。

（4）冻结孔开孔位置误差不大于100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。

（5）冻结孔最大允许偏斜150mm（冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间的距离）。

最大允许间距通道处1300mm，泵站处1400mm。

（6）冻结孔有效深度（管片表面以下冻结管循环盐水段长度）不小于冻结孔设计深度。

冻结管管头碰到冻结站对侧隧道管片的冻结孔，不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

（7）设4个透孔用于冷冻排管及冻结站对面冻结孔供冷，排管敷设密贴隧道管片。

图2-1【盛~福区间】联络通道设计冻结管立面透视图及布孔位置图

2.2冻结孔开孔施工及监理控制情况

本区间联络通道2012年1月29日正式开始打钻，至2月22日冻结孔及测温孔施工完成。

开挖断面主要为③1层灰色粉砂、③2层灰色粉质粘土夹粉砂，该地层存在较大的水头压力,施工水平冻结孔时,非常容易发生钻孔渗漏，在冷冻孔施工过程控制时，主要采取以下几点控制措施：

（1）探孔检查地质情况

用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。

冻结孔开孔前，先打设卸压孔作为探孔，探测地层稳定情况。

如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。

每个钻孔设有孔口管，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量涌水、涌砂。

（2）安装孔口装置

对于钻孔位置含水量较大地层，在冻结管施工前，必须安装孔口防喷涌、密封装置，注意避开砼管片内受力钢筋，及时调整孔位并按设计角度开孔，当开到深度300mm时停止钻进（管片要留50mm以上的保护层），控制不得钻穿管片。

再设置密封装置，检查无渗水流出，再去掉螺母，装上闸阀。

此时，冻结孔开孔安装完毕，如进行冻结孔钻孔作业，开启闸阀，利用小直径金刚石钻头从闸阀内开孔，一直将砼管片开穿，这时，如地层内的水砂流量大，应及时关毕球闸门，采取后续的处理封堵及加固措施。

图2-2孔口防喷涌、密封装置[3]

（3）冻结孔钻进施工控制

A、冻结孔施工前，首先施工一个对穿透孔，根据对穿孔来验证左右线隧道联络通道及泵站处里程及标高，若有不同，需报设计修正各个冻结孔的坐标、上下水平倾角及长度，再次精确定位。

然后根据设计孔位，采用由上向下的顺序进行施工，这样可防止因下层冻结孔施工引起上部地层的扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。

B、在冻结孔钻进前2m时，要提醒并督促承包商反复校核冻结管方向，调整钻机位置，并用经纬仪检测偏斜无问题后方可继续钻进。

冻结管下入孔内前需要提先配管，保证冻结管同心度。

图2-3冷冻管钻孔施工图

C、下好冻结管后，现场监理必须控制对冻结管进行测斜和打压检查：

采用经纬仪灯光测斜法检测[2]，然后复测冻结孔深度；打压试验为：

冻结孔试漏压力应控制在0.08～1.0MPa，稳定30分钟压力无变化或前30分钟压降<0.05MPa，后15分钟不降为试压合格。

图2-4经纬仪灯光测斜法检测冷冻管倾斜度

D、如试压不合格的冻结管必须进行处理达到密封要求后方可使用。

如果出现管漏时，应督促承包商在不合格冻结管内下入小一级冻结管（套管）或打补孔的方法处理此类事故。

E、钻孔结束后进行应及时进行孔口位置的封堵处理，如开孔过程中，出现泥水渗流情况，应要求承包商进行注浆处理。

2.3冻结加固施工及监理控制情况

本区间联络通道2012年3月15日完成冷冻系统安装，3月18日开始积极冻结运转，根据设计要求，本联络通道积极冻结时间应为50~55天，并保证冻结孔单孔流量不小于5m3/h；积极冻结7天盐水温度降至-20℃以下；冻结15天盐水温度降至-24℃以下；开挖时盐水温度降至-28℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃。

现场监理在冷冻期间主要做好以下几点工作：

（1）督促承包商每天上报土体测温数据，有必要时，应跟踪进行土体温度测量，并绘制土体温度下降的时间曲线图；

（2）每天在巡检过程中应观察并记录盐水管道去回路测温数据，如果盐水管道去、回路温差大于大于2℃，应注意提醒承包商是否出现盐水管道回路保温不足、或是设备出现故障等问题，应及时查找原因。

（3）每天检查盐水箱内液面升降情况，主要通过该项指标从表观上检查盐水管道是否存在渗漏情况，如盐水液面急剧下降，应及时要求承包商对渗漏点进行查找，尤其是对于冻结管的盐水渗漏，如处理不及时，将直接影响到冻结效果。

（4）因联络通道位于隧道区间的最低位置，如隧道在未贯通的情况下，该位置往往积水较多，导致底部的冷冻排管浸泡在水中，一般承包商采取及时抽排的方式，但是在抽排水的过程中，容易带走冷冻排管制冷温度，影响底部冻结效果；因此，实际施工过程中，应督促承包商提前做好主动的堵水措施，防止积水进入到冷冻区域内。

图2-5现场监理进行泄压孔观察、土体测温、盐水管道去回路测温控制

（5）冷冻过程中，注意检查盐水管路结霜情况，遇到结霜不均匀时，应督促承包商查明原因并处理。

（6）冻结过程中，现场监理应注意观察泄压孔压力值，当压力上涨超过初始压力0.2Mpa时，督促承包商需及时打开泄压孔，释放因地层冻胀引起的冻胀力，减少对管自危害。

同时在冻结壁交圈之前，要求承包商在盾构左右线区间管片上安装好预应力支架，进一步控制管片的变形。

图2-6隧道内预应力支架示意图

2.4开挖前冻结效果评价

积极冻结至3月23日，盐水去回路温度降至-20℃（历时6天）；至3月29日，盐水去回路温度降至-24℃以下（历时12天），冻结期间盐水温度变化均匀，去回路温差度保持在2℃以内；

截止到5月7日已积极冻结51天，盐水去回路温度均降至-30℃左右，每日温差保持在2℃以内；测得所有土体测温孔全部达到0℃以下，根据积极冻结期间采集的数据，从冻结帷幕厚度确定以及冻土平均温度两方面来对冻结效果进行分析，计算得出冻土平均发展速度约为25mm/d，冻结壁交圈厚度为2.25米，大于设计2m要求；冻结壁平均温度为-10.2℃，低于设计平均温度为-10℃要求，所有条件均满足设计要求并通过开挖节点条件验收后，同意进行开挖作业。

3试开挖涌水情况

（1）2012年5月11日上午9点，【盛-福区间】联络通道开始拉钢管片，至12点左右，在拉完第二块钢管片（本次钢管片一共分为六块，拉开顺序为左中、左上、左下、右中、右上、右下）后，发现壁厚土体的右上部边角位置出现一小股清水涌出；13:

30分拉完整个钢管片后，该清水一直存在。

图3-1第二块钢管片拉开后的情况

（2）下午14:

00，开始对联络通道进行试挖约30-50cm，发现该股清水中断，15:

00开始继续试挖，该股清水继续出现，但是没有明显增大趋势，现场认为该地层主要是3-1淤泥质粉砂层和3-2淤泥质粘土夹砂层，由于冷冻部位中心位置不能完全冻住，为冷冻交圈范围内的积水，拉开钢管片后，因压力释放，为“糖心”的积水释放的原因，故继续开挖。

图3-2试挖时，水流中断图3-3继续开挖时，水流继续出现

（3）下午16:

00，对于持续不断的清水，现场采取插管引流措施，后发现该位置流水仍没有明显增大趋势，现场继续采取开挖。

图3-4继续开挖，现场通过插入探管方式对水流来源进行探明

（4）晚上约20:

30，联络通道流水突然增大，出现涌水现象，主要为清水，现场开始进行抢险，此时开挖面最深处进尺约100-150cm，现场采取主要措施为沙袋反压，疏流、后用快干水泥封堵，水流无明显减小趋势，经历4小时堵漏措施无效后，至5月12日02:

00进行开挖面填充并关闭安全防护门。

图3-5抢险情况图片

（5）5月12日03:

00，防护门关闭后，发现因抢险时强行关安全防护门，防护门右下角有所变形，有水在右下角渗出，同时现场通过安全门上的注浆孔向内注入水泥浆，将门内空隙填充，后又注入聚氨酯，确保安全门关闭密实。

图3-6后续注浆处理图片

4涌水原因分析

针对此次涌水事故先后进行了二次事故分析会，通过现场实地看查及资料分析，主要原因为：

4.1地下水原因

（1）因本区间联络通道冻结期间，右线隧道还在进行盾构掘进及到达作业，并且右线盾构到达后，虽然在盾构始发到达后进行注浆处理，但因交叉作业影响，没有及时施工洞门圈梁，经检查，【盛-福区间】左、右线始发及到达共4个端头，有3个端头存在较大渗水情况；该情况虽然没有达到规范控制值：

当在冻结构筑物附近600m范围内不得有大抽（渗）水时，或抽（渗）水量≥200m3/h，但是不可避免的对本次冻结出现薄弱环节造成影响。

（2）本区间联络通道距离东侧梅墟港桥约32米，从地址剖面图上观察，梅墟港河流底部为

1-3淤泥质粘土层，而联络通道位置主要③1层灰色粉砂、③2层灰色粉质粘土夹粉砂等透水性较强的微承压水层，中间被②2-1层灰色淤泥、②2-2层灰色淤泥质粘土等不透水层隔开，经初步分析，梅墟港河流与联络通道位置地层不会发生水利联系。

但是，在本区间右线盾构经过该位置时，因梅墟港桥有4根桥桩侵入隧道界限，曾在去年采取拔桩处理，拔桩后，虽然进行了封堵处理，但是很难保证梅墟港河流不与联络通道位置③1层灰色粉砂层已经形成了水利通道。

图4-1盾构始发及到达端头渗水严重及梅墟港桥桩基处理可能封堵不到位

根据以上两点判断：

右线隧道顶部③1层灰色粉砂层存在流动水体的可能较大，对冻结施工造成极大影响。

而根据《旁通道冻结法技术规程（上海市行业技术标准）》中3.2条给出了指导意见：

A、地层中的含水层自然和人为抽水后形成的地下水流速，当超过一定限度（5m/d）时，将影响地层正常冻结。

B、对冻结构筑物附近的水源井应进行调查，收集水源井的用途、数量、方位、距离、深度，抽水层位及深度，抽水时间，日抽水量以及抽水影响半径等资料[4]。

C、当在冻结构筑物附近600m范围内有大抽水量（600m3/h）的水源井时，或抽水量≥200m3/h的连续抽水，或有地下古河道，必须实测构筑物穿过的含水层的地下水流向、流速并提供实测报告。

4.2地质原因

在联络通道范围内取出水样经现场品尝发现水质苦涩，咸味很重。

对取出水样进行化学分析，发现氯离子含量为7392.3，超出正常氯离子含量的10倍，土体内水中含盐量偏高，造成冰点温度降低，冻土强度下降。

因前期勘察文件上没有提供该位置的水质情况，冻结法设计单位仍然按照0℃冰点进行设计，后经过分析，如果出现本次氯离子含量超正常值10倍的情况，对应设计冰点应该为-1.5~-2℃.

图4-2取出水质化验情况图图4-3C7测温孔渗水情况

4.3冷冻效果方面原因

事情发生后，经现场勘察，整个冻结壁可能存在问题：

A、右线3根测温管管温度均较高，管片表面无结霜；

B、保温板未密贴，冷冻管保温层未密贴，冻结效果不佳，检查钢管片空档无充填；

C、C7测温孔有渗水现象，说明测温孔位置未冻住；

D、考虑到盐水管道敷设较长，盐水流量压力较小，通过对上部盐水支路流量检测为2m3/h，小于设计要求5m3/h，证明盐水支路顶部流量不足，影响顶部冻结效果。

图4-4盐水管道敷设600米长，影响保温及盐水压力

根据以上原因分析，认为大概在开挖面对侧中上部③1层灰色粉砂层，冻结出现薄弱环节，即出现“开天窗”现象。

5处理措施及效果

根据事故发生情况及原因分析，现场主要采取堵水及补强冻结效果措施：

5.1阻水措施

通过管片上注浆孔对地层进行注浆，对可能的“开天窗”现象进行封堵处理。

先在右线联络通道洞门（冷冻交圈内侧）左侧底部和右侧中上部各打一个注浆孔进行注水泥浆，然后在右线钢管片右侧上部（冷冻交圈外侧）打二个注浆孔进行注水泥浆，先后一共注水泥19T，注浆压力约为0.2-0.25Mpa。

通过以上处理，直到左侧安全门底部渗漏现象消失，右线c7测温孔不出现渗漏。

方可判断外侧涌水通道基本封堵，再进行下一步补强冻结处理。

5.2补强冻结措施

5.2.1增设冻结管情况

5月18日-5月30日，根据专家意见及冷冻法工点设计单体出具的补强冷冻设计方案，在原冻结管的基础上，重新在右线上部钢管片上，增加冻结管，用来补强对面冻结薄弱环节。

共补打孔14个，孔深为2米；增设测温孔2个，孔深2米，如下图所示：

图5-1开挖面对侧隧道补充14个冻结孔位置图及补充孔立面透视图

图5-2补充效果冻结情况图

5.2.2补强冻结情况

（1）冻结过程中，增强盐水流量。

在管路中添加增压泵进行流量增压，

图5-3盐水干管中设置增压泵

（2）在钢管片将格仓内用水泥砂浆充填及棉絮填充密实。

图5-4钢管片格栅填充水泥砂浆及棉絮

（3）右线增加一排冷冻排管，以增大保温面积，自隧道顶端到腰线位置处均用保温板贴密实。

（4）在右线在钢管片与冻土间增设测温孔2个，分别设置在开挖面腰部并距离冻结孔内侧1米位置，温度监测频率调整为2次/天。

（5）在左线安全门上安装压力表，密切观测土体的压力变化。

（6）由于冻结管管路达600米，在冻结管上安装压力表和流量计以监测冻结管内盐水的压力和流量。

5月30日-6月29日，再次进行补充冻结，通过现场对各冻结参数的严格控制，并对10个测温孔数据及冻结壁形成情况重新进行冻结效果评价。

盐水去路温度达到-30℃，回路温度为-29℃，去回路温差控制在2℃范围内，冻壁厚度达到2.838米，满足设计要求2m的冻土厚度，冻结壁平均温度为-10.6℃，低于设计要求-10℃。

5.2.3再次开挖前冻结效果探明

在冻结效果计算参数满足开挖条件的前提下，为确保再次开挖做到万无一失，根据专家意见，必须对已经形成的冻结帷幕打设探孔，其中必须包括左右线直接打穿的透孔，直接检查冻结效果。

6月25日~6月27日共打设探孔6个，包括两个主要位置分部在怀疑“开天窗”顶部2个，深度分别为3.5米，3.5米（左线）；开挖面腰部2个，深度为5.8米（透孔）；底部2个，深度分别为2米，2.5米（左线），经检查均无线性流水，取出土样均为干燥冻土，符合要求。

图5-5水平探孔及取芯情况图

5.3联络通道再次开挖情况

6月28日，通过再次开挖前节点验收会议，现场开启安全门，重新进行开挖施工，经现场实地检查及计算对比，冻结壁交圈厚度最大为2.9米-3.0米，基本与评估计算情况相符。

开挖过程中，无任何渗水情况，7月5日，顺利完成联络通道上部通道开挖。

图5-6再次开挖施工面情况

6经验教训

6.1开工前期地下水勘察教训

（1）本区间联络通道涌水分析原因之一；可能存在地下水暗流或集中水源情况，1、【盛-福区间】左、右线始发及到达共4个端头，有3个端头存在较大渗水情况。

2、距离联络通道东侧梅墟港桥约32米前期出现后拔桩情况。

对于此两种情况，现场管理人员均没有意识到。

而《盘通道冻结法技术规程（上海市行业技术标准）》[1]中3.2条给出了指导意见：

A、地层中的含水层自然和人为抽水后形成的地下水流速，当超过一定限度（5m/d）时，将影响地层正常冻结。

B、对冻结构筑物附近的水源井应进行调查，收集水源井的用途、数量、方位、距离、深度，抽水层位及深度，抽水时间，日抽水量以及抽水影响半径等资料。

C、当在冻结构筑物附近600m范围内有大抽水量（600m3/h）的水源井时，或抽水量≥200m3/h的连续抽水，或有地下古河道，必须实测构筑物穿过的含水层的地下水流向、流速并提供实测报告。

笔者认为，以上3条相关地下水流速的要求，值得我们在后续联络通道开挖前，对周边地下水环境情况进行调查和方案审查时借鉴。

（2）本区间联络通道开挖后，对水质取样分析，发现氯离子含量为7392.3，超出正常氯离子含量的10倍，土体内水中含盐量偏高。

是我们在现场管理时疏忽的一个细节，对于以后的联络通道开挖，有必要提醒业主，应要求勘察单位提供该位置水质分析报告[3]；也可以要求承包商在施工前提取水样进行分析，发现异常，应及时通知业主和设计进行提前处理。

6.2积极冻结期间的经验

（1）对于本区间联络通道冻结机组无法放置在施工面隧道周边，敷设的盐水管路较长时，应提前要求承包商在盐水支路上安装好流量计，现场应不定时的观测支路流量，尤其是设置在顶部冻结管的支路流量。

必须督促达到设计要求。

（2）由于钢管片和混凝土管片散热系数较高，容易造成与土体交接位置胶结效果不好，现场往往容易忽视对钢管片的填充，以及保温层与管片间并不密贴，空鼓很大。

现场监理控制时应对该位置的处理引起重视。

（3）由于盐水管道敷设较长，管道内将存在大量气体情况，现场应督促承包商采取有效措施，及时排除气体，避免影响盐水循环效果。

6.3开挖过程中出现渗水时处理经验

5月11日，本区间联络通道在试开挖阶段出现小股清流渗出，现场均认为是冻结壁交圈后，“糖心”还存在未冻上的自由水，但后来事实证明并不是自由水。

而现场虽然采取了插入探管探明，但是效果不理想。

笔者向有经验者请教，认为现场可以通过如下措施判别：

直接对渗水进行测温处理，如温度很低，接近零度，可以认为是“糖心”内还存在未冻上的自由水；如测出温度较高，或接近地面水温，可以初步判断冻结帷幕出现问题，为外侧来水，应及时处理。

6.4涌水险情发生后现场处置教训

本联络通道试开挖阶段发生涌水现象后，虽然业主、监理、承包商、专业分包均在第一时间赶到现场，但直到凌晨1点才将安全门关闭，中间4个小时，现场提出采取有用快干水泥封堵，或通过管片注浆孔注入双液浆封堵、沙袋反压等等措施，但是效果既不明显，也耽误了时间，甚至有可能造成整个开挖掌子面的坍塌，造成更加严重的后果：

因为发生渗水现象并确认为冻结壁出现“开天窗”或存在薄弱环节，判断与外界形成了水利联系，如果涌水的情况加大，水流将会直接带走冻结壁交圈冷量，加速扩大漏洞范围，一旦冻结壁破坏严重，很容易造成整个土体坍塌。

因此，笔者认为现场可以采取最为其直接的抢险、处置措施为：

1、利用提前准备好的沙袋或水泥袋反压并填充整个已开挖空间；2、及时关闭安全门；3、采取外侧注浆及注入聚氨酯方式封堵安全门空隙；4、分析、查找冻结薄弱环节，采取后续的加固措施。

参考文献：

[1]051216盘通道冻结法技术规程[S]．上海市工程建设规范，2005

[2]谷明瑞．地层冻结发在地铁旁通道施工中的研究与应用．山西建筑[J]．2007．7（20）:

312~313

[3]李大勇1，3，王晖2，张贺庆3．南京地铁联络通道冻结法施工措施分析．岩土力学[J]．

2003．10（增24）：

365~368

[4]吴祥祖1，李大勇2，金明3，南京地铁试验段旁通道水平冻结法施工技术，施工技术[J]．

2004．1

（1）：

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