摘要：在目前盾構法隧道施工被廣泛運用在國內各大城市軌道交通建設的今天，身處鬧市的建設者們，在高樓林立、交通繁忙的地段，如何為盾構進洞選擇合理、有效的洞門地基加固方式是放在他們面前的一大難題。水平凍結法地基加固憑借其對施工場地限制小、受周邊環境影響低的獨特優勢，為盾構進洞又提供了一種有效的方式。本文概略的敘述了水平凍結法地基加固施工技術和盾構進洞時的風險控制措施，以供同行參考。
　　關鍵詞：隧道，水平凍結，地基加固，盾構進洞
　　
　　上海市軌道交通10號線10.8標是上海市軌道交通10號線一期工程的重要組成部分。該工程由高安路車站、華山路車站、11號線淮海路車站、凱旋路車站、宋園路車站、高安路站～華山路站區間、華山路站～凱旋路站區間、凱旋路站～宋園路站區間、宋園路站～古北路站區間等五站四區間組成。4段區間隧道總長為6987.452m。其中高安路站～華山路站區間隧道長955.926m，由2臺Φ6340土壓平衡式盾構先后分別從高安路車站西端頭井出洞，沿淮海中路向東推進，途經吳興路、宛平路、余慶路，至華山路站東端頭井進洞，華山路進洞上行線地基加固采用攪拌樁和高壓旋噴樁加固，下行線地基加固采用水平凍結加固，該區間于2008年3月開工，至2009年1月13日隧道實現貫通。
　　
　　一、周邊環境狀況
　　華山路車站位于上海市中心鬧市區的華山路和淮海西路交叉口處，該車站東端頭井下行線一側地下連續墻外2m處有一備用電纜線，中心線附近處有一根的Φ700上水管悶頭。此外，在距離地下連續墻4m外有很多管線，依次為Φ300上水管、Φ300煤氣、Φ500煤氣，詳見下圖。
　　
　　圖原華山路站東端頭井洞門地基加固設計及周邊環境情況
　　
　　二、地基加固方式的選擇
　　華山路東端頭井上、下行線進洞地基加固原設計為Φ850攪拌樁和Φ650高壓旋噴樁加固，加固范圍為縱向由端頭井外井壁向外3.5m，橫向以隧道向左、右兩側各延伸3m，深度為隧道向上、下各延伸3m。其中深層攪拌樁加固范圍為3m，旋噴樁加固范圍為車站地連墻和攪拌樁之間的50cm夾層。由于下行線洞門距離Φ300上水管、電車架空線桿、消防栓、圍墻距離較近，如需實施攪拌樁和高壓旋噴樁加固，須對加固區內的管線、構筑物和加固施工要求范圍內的管線和障礙物進行搬遷。鑒于華山路站東端頭井是在淮海路地面道路半側封閉、地下管線和地面架空線改道的基礎上建成的，已對周邊道路機動車通行造成相當大的壓力，如按原設計方案實施攪拌樁和高壓旋噴樁加固，勢必要求對端頭井外Φ300上水管、電車架空線桿、消防龍頭、圍墻等進行二次搬遷、對淮海路再封閉一根車道，這將直接導致10.8標總工期延后5個月，并會影響10號線一期工程全線的總工期，也將使10.8標交通組織費用大大增加，同時也將造成周邊道路車輛通行癱瘓，嚴重影響周邊人民群眾的日常出行和生活。經建設方、施工方、監理方、設計方和徐匯區有關部門、街道、交警、管線、公交等單位的多方研究和分析，一致認為華山路站東端頭井下行線地基加固不宜采用原設計方案，建議采用井下水平凍結法地基加固施工方案。經原設計院變更設計后，華山路東端頭井下行線進洞地基加固修改為工作井內鉆孔水平凍結加固。
　　
　　三、水平凍結法地基加固施工
　　1.地質描述
　　地質土層是影響地基加固和盾構進洞的主要因素之一。根據地質資料，本工程華山路站東端頭井加固區主要涉及的土層為：①1雜填土層、②褐黃～灰黃色粉質粘土、③灰色淤泥質粉質粘土、④灰色淤泥質粘土層、⑤1-1灰色粘土層。從地質條件看，對實施水平凍結地基加固較為有利。
　　2.水平凍結施工法地基加固施工
　　工作井內鉆孔水平凍結加固施工主要由：①水平凍結孔的鉆孔、凍結管的安裝；②凍結站的安裝、調試；③實施凍結等三個步驟組成。
　　2.1水平凍結孔的鉆孔、凍結管的安裝
　　（1） 凍結孔、測溫孔、泄壓孔的布置
　　根據凍結帷幕設計，凍結孔按近水平角度布置。圓柱體加固區凍結孔沿槽壁開洞口φ7.5m圓形布置，開孔間距為0.76m（弧長），凍結孔數31個，凍結孔1#～31#長度為6m。
　　板塊加固區凍結孔沿槽壁開洞口φ5.1m、φ2.7m圓形布置，開孔間距為1.14m～1.21m（弧長），凍結孔數21個，凍結孔長度為3.2m；開洞口中心布設1個凍結孔，凍結孔長度為3.2m。
　　測溫孔共布置11個（其中4個布置在盾構半徑上R=3.17m），深度為3米，主要是測量凍結帷幕范圍不同部位的溫度發展狀況，以便綜合采用相應控制措施，確保施工的安全。
　　泄壓孔為9個，深度為6米，主要用于凍結期間釋放土體凍脹壓力。
　　
　　圖凍結管的布置、凍結區域和地質情況
　　（2） 凍結孔施工
　　凍結孔鉆孔施工工序為：定位開孔及孔口管安裝→孔口密封裝置安裝→鉆孔→測量→打壓試驗。
　　凍結孔定位、鉆孔質量是凍結法施工的首要環節。在鉆孔前應嚴格按設計要求在工作井槽壁上正確定位和開孔。開孔后，應及時安裝孔口管、旁通閥、孔口密封裝置，確保安裝牢固、無滲漏水現象。鉆孔時應嚴格按照設計要求調整好鉆機方位角和俯仰角，并固定好。首先采用無泥漿鉆進，當鉆進不進尺時，調整施工工藝進行泥漿鉆進，同時打開孔口裝置上旁通閥門，觀察出水、出砂情況。鉆孔期間，應用經緯儀結合燈光對每個成孔進行測斜，偏斜率控制在1%以內，不宜內偏，最大終孔間距不大于150mm。施工完畢后，對成孔管內注水進行凍結管密封試驗，試驗壓力控制在0.8MPa，30分鐘內壓力無變化為合格。
　　2.2凍結站的安裝、調試
　　為確保凍結加固的效果，選取的冷凍設備和備用冷凍設備的冷卻水量、制冷劑、冷媒等必須滿足凍結加固的要求。考慮到凍結法施工是必須連續凍結的過程，如設備、管路等原因造成長時間停運，將引起土層的融沉，引起周邊地下管線、建筑物和構筑物的變形。因此，冷凍設備和設施的安裝、調試、施工臨時用電必須確保冷凍期間設備能持續正常的運轉。
　　冷凍管安裝時必須按設計要求進行布設和連接，管路的連接接頭必須做到密封、牢固，并通過試壓試驗。冷凍管進出回路上應有測溫裝置。冷卻水存儲容器完好、不滲漏，應有水位顯示裝置和保溫設施。冷凍設備質量應合格，設備安裝后應能有效運轉，并應達到設備出廠標定的冷卻水量。冷卻循環回路均應設置保溫隔熱措施。
　　在冷凍設備安裝、調試合格后，施工單位可對土體進行凍結加固。凍結期間，應注意觀察冷卻池水位，以確定凍結管、連接管、冷卻系統是否有滲漏。檢查、記錄凍結器去回路鹽水溫度、冷凍機吸排氣溫度、冷卻循環水進出水溫度、鹽水泵工作壓力、制冷系統冷凝壓力、制冷系統汽化壓力和凍結帷幕溫度場的監測等，確定冷凍設備的運轉情況和凍結壁厚度的發展情況。檢查每個泄壓孔的壓力，定時釋放凍脹壓力。凍結期間還應加強對凍結區域地面建（構）筑物、地面道路、地下管線和深沉土體變形的跟蹤監測，必要時采取相應的保護措施。
　　
　　四.凍結加固的效果
　　華山路站東端頭井下行線水平凍結地基加固于2008年11月12日開始，使用一臺冷凍機凍結加固，至11月19日（第7天）鹽水進、回路溫度分別為－28.5℃和－26.5℃，以后始終穩定在－28℃以下，鹽水進路和回路溫差小于2℃。至2008年12月25日盾構進洞止，連續實施凍結34天。凍結期間，冷凍設備運轉正常，冷卻水無滲漏現象。經計算后的冷凍效果如下：

　　
　　
　　
　　圖測溫孔溫度溫度監測圖
　　經實地查看，洞門表面已結霜。據沉降監測報告顯示，地面沉降及各管線沉降位移變化值較小。洞門砼鑿除前，在洞門上不同部位所開的9個探孔，均無滲漏水和泥沙流出等現象。
　　
　　圖洞門外表面已結霜
　　
　　五.盾構進洞存在的風險
　　由于采用了水平凍結法地基加固，也給盾構進洞施工增加了一定的風險性。主要風險如下：
　　1. 盾構進洞區域凍結管過早拔除，凍結土體自然解凍，凍結效果降低，會造成土體融沉、洞門滲漏水，給周邊環境和盾構進洞帶來不利影響。
　　2. 凍結管拔管時造成斷管，且不能及時取出斷管，影響盾構進洞。
　　3. 盾構進洞段推進時，刀盤被凍住，導致盾構無法進洞。
　　4. 盾構進洞后，加固區域后期融沉，導致周邊地下管線、道路、建筑物變形。
　　5. 其它突發事件的發生。
　　
　　六.盾構進洞的保證措施
　　（1）盾構進洞期間對凍結區的溫度控制
　　在通過測溫孔測定、計算確定凍結已達到設計要求后，方可進行盾構進洞施工。為了保證盾構能夠順利推進，盾構外周的實際凍土溫度控制在0℃～-5℃之間為宜，以能保證水呈固態，且盾構總推力不至于過大。
　　（2）洞門開設探孔，探查凍結效果
　　在確認凍結帷幕達到設計厚度及強度厚后，可在洞門上開設若干探孔，以判斷凍土與槽壁的膠結情況。探孔的布置應在兩測溫孔之間，探孔進入凍土內深度控制在10～15cm。測溫時應采用高精度的溫度計或測溫儀進行量測，各探孔實測溫度必須低于－5℃。同時，可通過探孔探查凍結土體的凍結效果和是否有滲漏水和泥沙流出現象。
　　（3）凍結管拔管和洞門的鑿除
　　盾構刀盤進入外圈圓柱體凍結加固區后，在刀盤距離內圈板塊凍結加固區1m時，通過探孔探查分析，確認凍土帷幕與槽壁膠結良好后，即可對內圈板塊凍結加固區實施拔管。拔管時應從板塊凍結加固區的外圈向內圈逐圈拔除凍結管，拔除外圈凍結管時，內圈凍結管應維持凍結。拔管前，應先對待拔凍結孔實施局部解凍后再進行拔除。拔除每圈凍結管時，要間隔拔除，未拔除的相鄰凍結孔應維持凍結。直到全部拔除板塊上的所有凍結管。凍結管拔除時應避免損壞外圈圓柱體凍結加固區的凍結管和其它施凍的凍結管，并做好維持凍結工作。如遇凍結管拔斷，應及時套管鉆孔取出凍結管。整個拔管工作應及時完成，不應拖延。拔管結束后，應及時對洞門進行鑿除，以防凍結帷幕融化，影響其強度。
　　（4）盾構穿越凍結區域的控制措施
　　為了預防盾構機穿越凍結區域推進時刀盤被“凍住”的現象，首先應將盾構刀盤系統與其他系統解鎖，確保在凍結區域推進期間刀盤始終保持旋轉，而不被凍住。其次，嚴格控制推進速度、控制刀盤切割土體的進刀量，以防刀盤切入凍結土體過深而被卡住，從而導致刀盤被凍住。其三，推進期間對正面凍土注鹽水，有利于刀盤切割土體。其四，現場應配備處置盾構被“凍住”的應急設施，如對盾構機正面土體噴蒸汽和加注熱鹽水等相應解凍設備和物資等。
　　（5）盾構進洞后的融沉注漿
　　盾構進洞后，應根據環境監測情況利用工作井壁上的凍脹泄壓孔和隧道內進洞段管片上的注漿孔（進洞區域管片上可多設置一些注漿孔）及時進行跟蹤注漿，控制融沉；根據以往經驗，融沉注漿總量一般為凍土體積的15%左右。其次，實施局部強制解凍，利用洞口周邊井壁上的凍結管和冷凍循環的鹽水來作為傳遞熱量的媒體,對凍土進行加熱，使凍土在短時間內融化。解凍原則是先上部后下部。相鄰的兩個凍結孔不能同時解凍，可采取跳躍式解凍法。在解凍的同時應加強對地面建（構）筑物、地面道路、地下管線和深沉土體變形的實時監測和隧道進洞段的后前沉降監測，及時對凍土進行補充注漿，以控制上部管線、建筑物等的沉降和隧道自身的沉降。
　　（6）落實應急預案的各項準備
　　在盾構進洞期間，成立應急預案領導小組，對搶險工作進行總體協調指揮，以做到萬無一失。盾構進洞現場應備有足夠搶險物資，即各種規格的砂袋、棉被、速凝水泥、注漿泵、堵漏劑、泡沫條、海綿等物資，對滲水點及時封堵。加強對洞門鑿除后的保溫措施，防止凍結壁融化。在施工現場配備一定量的液氮，萬一凍結壁局部融化時，可及時使用液氮進行凍結，保持凍結溫度。
　　
　　七.結束語
　　筆者認為水平凍結法地基加固為盾構進洞提供了一種極為有效的加固方式，尤其在地面場地有限、地面加固區域有障礙物一時無法搬遷、清除等情況，致使無法采用常規地基加固方式時可采用這種工法。但這種加固方式也存在較大盾構進洞風險和地層后期融沉的風險，需要施工人員采取切實有效的防范措施和應急措施，保證盾構的順利進洞和降低周邊建筑物、地下管線、地面道路的沉降變形。