提要：上海大連路越江隧道聯絡通道是在含飽和承壓水的砂性土層中進行施工，因而極具風險性，本文從聯絡通道地質狀況、水平凍結方案設計、凍結施工及開挖與結構施工等方面闡述了較為安全、合理的江底含飽和承壓水砂性土層聯絡通道的設計與施工方法。
關鍵詞：承壓水 砂質粉土 水平聯絡通道 水平鉆孔
1 工程概況
1.1 概況
大連路隧道設計為雙向四車道。圓隧道由東、西線兩條隧道組成，線路總長2528m，其中東線為1275m，西線為1253m。隧道外徑φ11000mm，內徑φ10040mm，均采用日本三菱公司設計制造的φ11220mm泥水平衡式盾構進行掘進施工。隧道襯砌為單層預制鋼筋混凝土管片，厚度480mm，寬度1500mm，采用錯縫拼裝，每環由封頂塊1塊、鄰接塊2塊及標準塊5塊共8塊組成。襯砌設計強度C50，抗滲標號S10。
為滿足功能需要，在距兩圓隧道端部各1/3處設立兩個聯絡通道，均位于黃浦江底，位于浦西岸邊的為聯絡通道1、浦東岸邊的為聯絡通道2。兩通道相距約400m，具體參數見表1。聯絡通道與東、西線隧道接近正交連接，斷面為圓拱形，凈高2.70m，凈寬1.40m，凈截面積3.67m2，結構為單層鋼筋混凝土，厚度為400mm。在聯絡通道與隧道連接處襯砌較厚，呈喇叭口狀，開挖輪廓高5.30m，寬3.80m，開挖面積為19.37m2，如圖1所示。
1.2 工程地質及水文地質
1.2.1 工程地質［1］
聯絡通道1上方黃浦江水深5.3m，河床標號-5.3m。附近BG1號鉆孔揭露地質柱狀如表2。
聯絡通道2上方黃浦江水深約9.6m，河床標號-9.6m。附近BG9號鉆孔揭露地質柱狀如表3。
表2 工程編號：K200010-S
|
鉆孔深度 |
45.00m |
孔口標高 |
-5.30m |
| |
|
土層
編號 |
土 層
名 稱 |
層 底深 度 （m） |
層 底
高 度
（m） |
厚
度
(m) |
土層描述 |
|
①2 |
淤泥 |
2.00 |
-7.30 |
2.00 |
含水煤屑、石塊等 |
|
③1 |
灰色淤泥質粘土 |
8.00 |
-13.30 |
6.00 |
流塑、尚均勻，夾少量極薄層粉土，偶見貝殼碎悄，高壓縮性 |
|
⑤1—1 |
灰色粘土 |
9.00 |
-14.30 |
1.00 |
流塑—軟塑，尚均勻，含少量泥鈣質結核及半腐植物根莖，高壓縮性 |
|
⑤1—2 |
灰色粉質粘土 |
13.50 |
-18.80 |
4.50 |
軟塑—可塑，含泥鈣質結核及半腐植物根莖，中壓縮性 |
|
⑥ |
暗綠色—草黃色粘土 |
20.00 |
-25.30 |
6.50 |
可塑—硬塑，尚均勻，含點狀氧化鐵斑點，中壓縮性 |
|
⑦1—1 |
草黃色砂質粉土 |
26.00 |
-31.30 |
6.00 |
濕、中密，尚均勻，含鐵錳質及氧化鐵斑點，含云母碎片，中壓縮性 |
|
⑦1—2 |
草黃色粉細砂 |
未鉆穿 |
未鉆穿 |
未鉆穿 |
濕、密實，均勻，含云母碎片，中壓縮性 |
表3 工程編號：K200010-S
|
鉆孔深度 |
45.00m |
孔口標高 |
-9.60m |
| |
|
土 層
編 號 |
土 層
名 稱 |
層 底
深 度 （m） |
層 底
高 度
（m） |
厚
度
(m) |
土層描述 |
|
①2 |
淤泥 |
0.50 |
-10.10 |
0.50 |
含水煤屑、石塊等 |
|
③1 |
灰色淤泥質粉質粘土 |
2.50 |
-12.10 |
2.00 |
流塑、欠均勻，夾少量薄層粉土，層理紊亂，高壓縮性 |
|
⑤1—1 |
灰色粘土 |
7.50 |
-17.10 |
5.00 |
流塑—軟塑，尚均勻，含少量泥鈣質結核及半腐植物根莖，高壓縮性 |
|
⑤1—2 |
灰色粉質粘土 |
9.50 |
-19.10 |
2.00 |
軟塑—可塑，尚均勻，含點狀氧化鐵斑點，中壓縮性 |
|
⑥ |
暗綠色—草黃色粘土 |
14.00 |
-23.60 |
4.50 |
可塑—硬塑，尚均勻，含點狀氧化鐵斑點，中壓縮性 |
|
⑦1—1 |
草黃色砂質粉土 |
24.00 |
-33.60 |
10.00 |
濕、中密，尚均勻，含鐵錳質及氧化鐵斑點，含云母碎片，中壓縮性 |
|
⑦1—2 |
草黃色粉細砂 |
未鉆穿 |
未鉆穿 |
未鉆穿 |
濕、密實，均勻，含云母碎片，中壓縮性 |
1.2.2 水文地質
地表水：鉆孔穿越地表水體為黃浦江。主要受降水補給，并受潮汐影響，具一定潮汐動態特征。
地下水：受氣候、地形、地勢、地表水及土層結構影響，地下水豐富，按其埋藏條件可分為潛水和承壓水。
（1） 潛水：⑥層以上粘性土中的地下水，水位埋深0.50～1.00m，主要受降水及地表水補給，水位動態為氣象型。
（2） 承壓水：⑦1-1、⑦1-2層中的地下水，為上海地區第一區域承壓含水層，動態較穩定，壓力水頭一般距地表5～10 m，大約為0.15 MPa。
受沉積作用控制，地層滲透性具有水平向大于垂直向的特征。
1.2.3 地質條件評價
從柱狀圖可以看出：聯絡通道1施工范圍內土層主要為⑥暗綠色—草黃色粘土和⑦1-1草黃色砂質粉土。聯絡通道2主要為⑦1-1草黃色砂質粉土。而⑦1-1草黃色砂質粉土富含飽和承壓水，水壓大，滲透性好，容易引起水、砂突出。因此，在施工聯絡通道時，必須對施工影響范圍內的土體進行穩妥、可靠的冰凍法加固處理措施。
1.3 施工方案
根據工程及水文地質條件，經技術、經濟比較，確定采用“隧道內水平凍結加固土體，礦山法暗挖構筑施工”的施工方案。根據煤炭行業長期的施工經驗，凍結法尤其適合流沙地層的封水與加固，具有凍結速度快、凍土強度高、帷幕均勻性好、施工安全可靠的優點。
2 水平凍結方案設計
2.1 技術要點
（1）凍土帷幕厚度的確定。因聯絡通道和喇叭口斷面相差較大，理論上喇叭口的凍土帷幕厚度比聯絡通道要大300mm以上，因此在設計凍結孔時，凍土帷幕厚度既要滿足聯絡通道的要求，又要滿足喇叭口的要求。
（2）凍土帷幕擴展區域的確定。凍土為流變體，其承載能力與承載時間成反比。隨著凍土帷幕暴露時間的延長，將產生較大的塑性變形和位移，其蠕變或位移量足以使凍結管斷裂而給施工帶來困難，同時造成地面較大沉降。因此開挖掘進時，凍土務必要擴展到施工毛斷面內并具有足夠的強度后，方可進行施工開挖。
（3）凍結孔設計。水平凍結方案設計的重點在于凍結孔的設計，凍結孔的布置位置及形狀決定了凍土帷幕的形狀及凍土進入開挖區的時間，并直接影響施工速度、經濟效益及施工安全。
（4）從以往的施工情況看，水平凍結鉆孔偏斜較難控制，偏斜率一般為不超過1%，因此凍結孔末端形成的凍土帷幕很不規則，存在很多薄弱環節，設計必須采取彌補措施，保證薄弱處凍土帷幕的厚度和強度。
2.2 凍結施工技術設計
2.2.1 主要技術指標
（1）凍結鹽水溫度：積極期：-28℃；維護期：-25℃；
（2）凍土墻平均溫度：-10℃；
（3）凍土強度：δ壓=4.5MPa，δ拉=2.3MPa，δ剪=1.8MPa；
2.2.2 其他技術指標
（1）凍結孔單孔鹽水流量≥6m3/h；
（2）開機凍結要求7d內鹽水溫度下降到-20℃；
（3）砂質粉土散熱系數取260應換算成法定計量單位（1kcal=4.186kJ），冷量損耗取20%；
（4）測溫孔6個，泄壓孔2個（位置根據鉆孔測斜資料確定）；
（5）凍結管采用φ108×8mm無縫鋼管；
（6）鉆孔偏斜率≤1%。
2.3 凍結帷幕設計
2.3.1 設計原則
（1）按彈性理論設計凍結壁；
（2）按砂質粉土作凍結壁設計控制層；
（3）開挖施工以不破壞凍土帷幕有效厚度為原則；
（4）凍土帷幕厚度：聯絡通道：1.70m；喇叭口：2.00m；
（5）強度安全系數：K≥1.5。
2.3.2 凍結帷幕厚度設計
（1）凍土帷幕設計
凍土帷幕頂面受力按上覆土體和水體重量計算，側壓力系數K0取0.8，江水水深h水按潮汐時最高水位9.6m計算，覆土厚度取16.5 m，土的平均重度γ取18.5kN/m3，海水平均重度γw取10kN/m3，則：
a）聯絡通道凍土帷幕頂部的土壓力
pV=0.401MPa
b）聯絡通道凍土帷幕側面的土壓力
pS1=0.340MPa
pS2=0.430MPa
c）聯絡通道凍土帷幕底部反力
pd=0.438MPa
(2) 凍土帷幕各截面的軸力及彎矩（各截面編號見圖1 A-A剖面圖）見表4。
表4 凍土帷幕截面的軸力及彎矩參數
|
截面 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 | |
|
M( Mpa) |
-394.4 |
-370.92 |
285.5 |
-1109 |
182.3 | |
|
N(KN) |
1139 |
1103.56 |
1032.2 |
1110.2 |
123.7 | |
|
Q(KN) |
剪1 |
0 |
-133 |
-147.6 |
1123.7 |
143.4 |
|
剪2 |
1110.2 | |||||
（3）凍土帷幕各截面強度校核見表5。
表5 凍土帷幕截面強度參數
|
截面 |
實際應力(Mpa) |
-10℃凍土
強度(Mpa) |
允許安全
系數 |
實際安全
系數 | |
|
1 |
壓應力 |
1.489 |
4.5 |
1.5 |
3.02 |
|
拉應力 |
0.149 |
2.3 |
1.5 |
15.44 | |
|
2 |
壓應力 |
1.149 |
4.5 |
1.5 |
3.92 |
|
拉應力 |
0.121 |
2.3 |
1.5 |
19.00 | |
|
剪應力 |
0.078 |
1.8 |
1.5 |
23.08 | |
|
3 |
壓應力 |
1.199 |
4.5 |
1.5 |
3.75 |
|
4 |
壓應力 |
2.955 |
4.5 |
1.5 |
1.52 |
|
拉應力 |
1.649 |
2.3 |
1.5 |
1.39 | |
|
剪應力（1） |
0.661 |
1.8 |
1.5 |
2.95 | |
|
剪應力（2） |
0.653 |
1.8 |
1.5 |
2.83 | |
|
5 |
壓應力 |
1.039 |
4.5 |
1.5 |
4.33 |
|
剪應力 |
0.084 |
1.8 |
1.5 |
21.43 | |
2.4 凍結站設計
2.4.1 制冷系統設計
（1）凍結站布置位置
因聯絡通道距工作井400m以上，如果凍結站布置在工作井內，冷量損失將超過50%，1臺300Ⅱ型螺桿機組制冷量不能滿足要求，大大增加了制冷成本。因此確定凍結站布置在標高相對較高的一側隧道——東線隧道內。
（2）凍結站布置數量
雖然聯絡通道兩端布置凍結孔凍結，但只要在一側隧道內布置一個凍結站，凍結站內的低溫鹽水可以通過4個透孔中的供液管輸送到對面的凍結孔中，而回水可以通過透孔的環形空間流回到凍結站重新降溫，這樣既不影響透孔的正常凍結，又解決了對面外圈孔的凍結問題。
（3）制冷設備選型
選1臺300型螺桿機組，制冷工質為氟利昂。帶經濟器的螺桿機組，在-35℃/+32℃的工況條件下，其制冷能力可達9.5×104kca/h-1＞8.15×104kca/h-1，滿足要求。
（4）氟利昂（R-22）需用量：1 000kg
（5）N46冷凍機油需用量：2 000kg
3 凍結施工
3.1 鉆孔施工技術要點
鉆孔施工在⑦1砂質粉土中，該土層雖然具有一定的強度，但為-承壓含水層，水頭壓力較大，故對施工鉆孔造成較大的難度，需采取如下措施：
3.1.1 鉆孔施工
通過檢查鉆孔確認承壓含水層壓力降低后，方可正式施工凍結孔。為以防萬一，在施工每個凍結孔前，在管片上用φ130mm的金剛石取芯鉆頭在管片上鉆深達300mm后，安裝帶有密封裝置的孔口管，并在孔口管上安裝Dg125閥門或球閥，一旦出現突水涌砂現象，立即拔出凍結管，關閉球閥，采取注漿加固等措施并重新鉆孔。
3.1.2 凍結、測溫孔施工
因鋼管上帶有花管而與地下水連通，為以防萬一，在管片上用130mm的金剛石取芯鉆頭鉆進300mm后，安裝帶有密封裝置的孔口管，并在孔口管上安裝Dg125閥門或球閥，一旦出現突水涌砂現象，立即拔出凍結管，關閉球閥，采取注漿加固等措施并重新鉆孔。
3.1.3 鉆孔時泥漿壓力控制
在排漿管上安裝球閥，避免承壓水壓力過大而使土層過分流失。
3.1.4 偏斜控制
長距離水平鉆進，初期應嚴格跟蹤監控鉆頭鉆進軌跡，掌握鉆桿自重在本土層中鉆進而產生的偏斜，以利于其他鉆孔的施工。
3.2 鉆孔質量要求
（1） 為防止鉆孔期間及以后地層下沉，鉆頭直徑不得大于凍結管外徑15mm。
（2） 鉆孔偏斜率不得超過1%。
（3） 內圈孔深度以碰到對面管片為宜，外圈孔不得低于設計深度。
（4） 鉆孔開孔位置誤差為±10mm。
（5） 鉆孔成孔后，與管片的連接部位不得有滲漏。
3.3 鉆孔鉆進要求
（1） 開孔是整個鉆孔鉆進的關鍵，必須準確安裝鉆機的角度。
（2） 采用慢速、輕壓的鉆進措施，尤其是碰到對面管片后，以較小的給進壓力鉆進。
（3） 通過排漿管閥門設定壓力要適中，以保證鉆孔排渣適宜而避免水土過分流失。
（4） 發現鉆孔超過規定值時，應采取糾偏措施，當糾偏確實困難時，則應補孔。
3.4 鉆孔測斜
（1） 采用經緯儀燈光測斜或激光測斜。
（2） 測斜間距10m一次，嚴防盲目追求進尺而延誤測斜時間，造成鉆孔偏斜過大而難以糾偏的情況。
（3） 測斜數據要準確可靠。
4 開挖與構筑設計施工
4.1 探挖
在開挖前，應進行探挖，在確保安全的前提下，方可正式開挖。
（1）當具備探挖條件后，用煤電鉆在開挖的毛斷面的四周及中心打鉆孔，檢查凍土是否進入施工區域、中心是否有無流動的壓力水。
（2）探孔深度為2m，鉆孔直徑為φ48mm。打探孔前，應安裝帶止水閥的孔口管。
（3）連接通道兩端均打探孔。
4.2 開挖
4.2.1 開挖條件
（1）經探挖，開挖輪廓線內已降至0℃以下，凍土部分進入施工毛斷面內，中心泄壓孔內無明顯出水。
（2）根據測溫資料分析計算，聯絡通道凍土帷幕均已達到設計厚度和強度，而喇叭口則應根據施工進度推算在刷大斷面時能達到設計厚度和強度。
（3）管片按要求進行加固，經驗收完全符合要求。
（4）其他準備工作均已就緒。因施工距離較長，凍結壓力及凍土流變都很大，各種材料準備需滿足快速施工的要求，開挖時間一般不得超過8d。
4.2.2 開挖掘進
（1）開挖尺寸。因施工距離較長，凍土產生塑性變形和位移難以避免，故開挖寬度兩邊各加大50mm，弧頂增高100mm，防止因塑性變形而永久支護厚度達不到設計要求。
（2）開挖順序。采取先通道后同時刷大兩端喇叭口的施工順序。
（3）開挖工具。選用4臺G-11型風鎬挖掘凍土，其中2臺備用，未凍土的開挖及裝土采用鐵鏟。因工作面溫度較低，風鎬經常被凍住，可采取向風管內注入酒精或備用風鎬的方法而避免停工。
（4）開挖步距。凍土帷幕為彈塑性體，具有流變特性，在施工中易產生塑性變形，并對臨時支護產生較大的凍結壓力（凍結壓力與凍結深度成正比，估計在0.5MPa左右）。因此，臨時支護既要能抵抗凍結壓力，又要防止長距離的凍土帷幕的變形。對此，開挖步距確定為500mm，兩端喇叭口因有內圈凍結管作臨時支護，開挖步距可適當放大，為方便鋼筋混凝土背板的加工，開挖步距仍確定為500mm。
（5）泥土運輸。挖掘的泥土用鐵鏟裝入0.3m3手推車中經溜槽卸入隧道內平板車上的容器中，并由電機車拉至工作井排至地面。溜槽另出加工圖。也可采用膠帶輸送機運輸。
4.3 聯絡通道支護
采用兩次支護方式，即第一次為臨時支護，第二次為永久支護。
4.3.1 臨時支護
（1）臨時支護結構
臨時支護采用［18金屬支架或∪25可塑性金屬支架。支架安裝間距與開挖步距一致即為500mm，支架外側滿鋪鋼筋混凝土背板，背板尺寸為長×寬×厚=500mm×100mm×50mm。
（2）臨時支護要求
背板要緊貼凍土，不能留有空隙，安裝好的背板不得松動，否則要在背板和支架間用木楔或鐵楔楔緊，防止凍土帷幕產生變形。
4.3.2 永久支護
（1）永久支護結構
采用500mm厚單層鋼筋混凝土結構，混凝土強度為C30，抗滲標號為S8。
（2）永久支護順序
①從一側向另一側施工，包括喇叭口。
②先墻體后拱部。
（3）鋼筋綁扎
模板安裝前，按要求綁扎鋼筋，拱部鋼筋吊掛固定在臨時支架上。因施工的特殊性，要確保鋼筋的保護層厚度。
（4）模板
直墻采用金屬模板，拱部因曲率半徑較小則采用木模板，其單塊長度不得超過1.5m，隨澆隨接。
（5）澆注混凝土
①先澆注直墻，兩端同時對稱澆注，直至墻頂。后連續澆注弧頂并封頂。
②振搗采用插入式振搗器。
③混凝土由地面經專門的底卸式漏斗吊至工作井，并由電機車送往施工地點。
④因弧頂澆注混凝土較困難，為了保證充填密實，故采用PZ—9型噴漿機充填弧頂縫隙，其高壓噴射混凝土可以達到充填密實的效果。噴射混凝土的強度不得低于C20，粗骨料直徑應小于20mm，其主要成分為水、水泥、黃砂、石子及早強劑，配比待定。
（6）混凝土養護
由于聯絡通道四周凍土帷幕溫度較低，可能在-5℃以下，澆注混凝土時因其水化熱作用，外側凍土帷幕部分發生融化，并在較短的時間內重新回凍，將產生較大的回凍力。因此混凝土在低溫條件下養護并在回凍力的作用下，產生較多裂隙，導致解凍后聯絡通道發生漏水。為此，采取如下措施：
①在臨時支護時，在背板與凍土帷幕之間滿鋪一層20mm厚PVC板，一方面可以作隔熱層，另一方面可以緩沖較大的回凍力。
②混凝土入模溫度不得低于18℃，否則要采取熱水攪拌混凝土措施。
③加入NC-H負溫早強劑，提高混凝土的早期強度，避免因氣溫低、混凝土凝固速度慢而產生較多的裂隙。負溫早強劑的摻入量為水泥重量的3.5%。
