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大流速下冻结法施工遇到的问题与对策
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内容提示：采用冻结法止水在地下工程和煤炭系统已广范采用，在静水或低流速下的地层冻结成功率较高，但在大流速下的地层冻结成功在国内尚属首例。介绍深圳地铁一期工程4A标段暗挖隧道工程在大流速地下水的地层环境下施工所采取一系列措施，成功实现了冻结法止水施工，确保了隧道安全、快速施工。
摘要：采用冻结法止水在地下工程和煤炭系统已广范采用，在静水或低流速下的地层冻结成功率较高，但在大流速下的地层冻结成功在国内尚属首例。介绍深圳地铁一期工程4A标段暗挖隧道工程在大流速地下水的地层环境下施工所采取一系列措施，成功实现了冻结法止水施工，确保了隧道安全、快速施工。（参考《建筑中文网》）
关健词：地下水流速冻结措施
深圳地铁一期工程4A标段为单洞双层重叠式隧道，采用暗挖法施工。线路经由东向西，先后穿越广深铁路桥，解放路人民桥和布吉河。区间遂道拱顶距布吉河底仅10 m，其开挖段曾是古河道回填，地面上广深铁路桥对扰动要求高，遂道开挖前，先对遂道范围内地层进行了旋喷桩加固止水施工，因地下水位变化及流速极大，造成原旋喷桩没有胶成圈，无法起到止水作用，在竖井开挖过程中出现几次大的突水涌沙事故，致使广深铁路桥产生不均匀沉降，直接威胁广深铁路桥的安全。为保证工程的顺利进行，经有关专家多方论证比选，决定在铁路桥下(SK2 X013~ 056段)采用冻结法止水(见图1)。在冻结过程中，通过对测温数据的分析判断，采取一系列行之有效的措施，顺利地完成了冻结施工任务，开创了常规冻结法解决复杂水文地质条件下技术难题的先例。
1工程地质及水文条件
本标段地层上覆第四系全新统人工堆积层(Q4ml )、海冲积层(Q4m al)及第四系残积层(Qel)下伏震旦系(Z)花岗片麻岩及燕山期花岗岩(rs3 )。主要为粉质粘性土层(1. 2-4. 1 m)(粉、中、砾)砂层(0-6 m)和残积砾质粘性土( 0 -19. 2 m);下伏基岩为燕山期花岗岩(rs3 )，布吉河床下12. 0 m左右即有微风化层出露。在竖井出现几次大的涌水涌砂后，对该地层进行了补勘，根据地质报告，该地层自上而下0--4 m为回填土，4-9 m为砾沙层，9-12 m为卵石层，12-15 m为残积层，15 m以下为强、中、微风化花岗岩。
场地地下水类型按赋存介质可分为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。第四系空隙潜水主要赋存于圆砾、砂类土、粘性土及残积层中，卵石、圆砾及砂类土中地下水含量丰富，透水性好，属强一特强透水层，为本场地主要含水层。粘性土地下水含量较少，透水性较差，为弱含水层;基岩裂隙水主要赋存于基岩节理裂隙中，由于受区域构造影响，基岩裂隙发育，风化裂隙多为细小的网状裂隙，被风化矿物充填，其含水量相对较少，透水性相对较弱，为弱含水，弱透水层;局部地下水微具承压性[1]。
地下水主要补给来源为大气降水及布吉河水。雨季河水补给地下水，早季地下水补给河水，地下水与布吉河水水力联系较为紧密。本段区间地质勘探期间地下水埋深1. 7-6. 3 m，水位变幅0. 5-2. 0 m。地下水流向整体为自北向南，地下水温约26℃。
2冻结设计采取的措施
该地层属于布吉河古河道回填，距现在布吉河只有120 m，主要含水层与布吉河存在较强水力联系。地下水丰富，水温高，流速大。为保证止水帷幕效果，冻结深度应穿过强风化带，进入中风化花岗岩，同时冻结止水帷幕施工中可能出现冻胀融沉问题，根据工程地质资料，表层回填土具有弱膨胀性，下部砂砾层、卵石层不具膨胀性[1]，为确保冻结止水帷幕顺利形成，防止冻融危及广深铁路桥的安全。设计上采取如下措施。
(1)缩小冻结孔间距，将冻结孔间距缩为0. 7m，提高冻结交圈能力。
(2)加大冻结管径，采用直径127 mm、壁厚4. 5 mm无缝钢管作为冻结管，以提高冻结器的冻结能力。
(3)冻结壁设计尽可能远离大桥基础。
3冻结中遇到的问题
冻结孔施工完成和冻结机组安装调试完毕后开始冻结，1周后盐水温度降到-26℃，开始对测温孔、冻结孔纵向温度及水位观测孔进行监测，通过连续的数据分析比较发现:在A,E线10 m水平测点温度下降很慢，平均下降不到0. 1 ℃/d。
对冻结孔纵向盐水温度测量检查，其结果与测温孔反映的情况完全一致，10 m水平温度均明显偏高。
根据测温孔监测数据情况反应，在10 m附近存在较高的地下水流速，冷冻管冷量大量被地下水带走，造成该段测温偏高，如不采取有效措施，冻结壁将无法形成。
4原因分析
(1)地质条件变化。根据地质资料，该冻结段地处古河道，在河道底部卵砾石附存较厚，粒径较大。在冻结以前该区进行了旋喷桩和桩基托换工程，在挖孔桩施工时，曾进行了长达6个月的大量抽水，另外竖井开挖过程中出现几次大的突水，从而使卵砾地层中原始充填物被冲刷带走，使地层透水性大大增加。
(2)水力坡度大，地下水流速大。根据测试，8-12m水平温度偏高，说明该区段地下热交换很大，致使冻结管冷量散失严重，地下水流速太大是该地层降温缓慢的主要原因。为进一步分析，对该区域地下静水位进行实测，从测试数据反映，该区地下静水位自北向南逐渐降低，而且高差大，水力坡度大。其中1号参考井比1号水文孔静水位在24 m的距离之内相差2. 01 m，水力坡度达到8%。加之地层透水性的增加，致使该区段地下水流速大大增加，冻结管所供冷量被水流大量带走，从而导致上述区段温度偏高。根据冻结管冷量散失情况，其流速可达40-60 m/d，远远大于原地质资料15 m/d流速，致使8-12 m水平冻结缓慢，尤其是E25-E30, A18-A22孔，10 m水平10多d温度一直不降，且偶有回升趋势;而其他水平测点温度下降正常。因此，必须采取有效措施，否则冻结帷幕根本无法形成。
5处理措施
处理措施有两种:①采用液氮或干冰实行强化冻结;②采取封、堵、泄等措施减小地下水流速，降低盐水温度，缩小冻结孔间距来保证冻结壁的形成（2)。通过技术经济比较，如采取液氮或干冰冻结，在大区域内施工其费用相当高。最后确定采取第2种措施，具体如下。
(1)增加1台冻结机组，加大制冷能力，积极降温。
(2)在水流上方E线外侧设置降水井，降低上游水位，降低冻结止水帷幕区地下水水力坡度，达到减小地下水流速的目的。
(3)根据温度监测数据，在冻结区薄弱处增打注浆孔，从地面灌注水泥一水玻璃浆液充填卵砾孔隙，减少地层的渗透性，减小流速。
（4)在E线冻结段最薄弱处增打加强冻结孔，加快冻结壁的发展。
6处理效果
（1)测温情况。从测温数据可看出，E线孔10 m水平在采取措施前5d只降了0. 4℃，采取辅助措施后5d下降了2. 3℃，其降温速度是原来的6倍，15 d后E线孔10 m水平温度已经达到-5. 3℃，冻结壁厚度达到1. 25 m。
(2)水文情况。采取措施前，1号参考水位井比1号水文孔高2. 01 m。降水井降水后，帷幕内外静水位其本保持一致，地下水流速得到了有效的控制，温度监测数据正常,15d后，E线最薄弱处10 m水平温度已达到-5. 3℃，为检验冻结壁交圈情况，停止降水井降水。通过水位测量，帷幕外1号参考水位孔1d水位上涨了3. 64 m，而帷幕内水文3号孔水位不但沙涨，反而降了20cm(竖井壁渗水)。这说明帷幕内外水力联系己被隔断，冻结止水帷幕顺利形成。
(3)冻结帷幕止水效果。冻结帷幕形成后，转人冻结维护期，在暗挖隧道开始施工前，通过超前水平钻孔探测，帷幕内基本无水，给隧道施工提供了便利，既保证了隧道施工安全和施工进度，也保证了广深铁路桥的安全。
7结语
(1)在地下水流速大的地区利用常规冻结法加辅助措施成功实施大流速下的冻结施工，为我国冻结史上填补了一项大流速的冻结施工空白。
(2)深圳地铁4A标段冻结帷幕的成功实施，给地下工程加固止水提供了新的选择，前景广阔。
(3)冻结法为解决复杂地质条件下重要结构物附近的施工问题，提供了一项安全可靠、环保的施工措施。
参考文献
[1]铁道第二勘勘察设计院.铁路工程设计技术手册·隧道[M].北京:中国铁道出版社.1999,
[2]杨平，皮爱如.冻结法施工[M].北京:煤炭工业出版社，1996.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200810/8936.htm
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