谈盐水冰冻法施工在过海隧道抢险中的应用

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摘要：华能汕头电厂二期工程高压出线跨海段采用海底隧道结构形式，该隧道盾构推进到123米处，由于盾构网格故障，发生涌水、涌砂险情，大量水、砂进入隧道。文章介绍了我国首例海上使用盐水冻结法施工的工程实例，解决了隧道盾构机机头处涌砂、涌水的难题，同时对该工程中盐水冻结法的应用效果进行了分析与研究，认为其抗渗性和整体封堵效果要优于其他方法。

关键词：盐水冰冻法；过海隧道抢险；盐水冻结；涌水涌砂

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0174-02

盐水冻结法是在地层中钻铺垂直孔或水平冻结孔并安装冻结器，利用低温盐水循环来降低地层温度，将天然岩土变成冻土，形成强度高、不透水的临时冻结加固体。

一、盐水冻结应用原理

由于该工程为抢险工程，工程性质有别于一般的盾构机进、出洞，故需要在海上搭建冷冻平台，在平台上施工冷冻孔并安装冻结器，采用盐水冻结技术对盾构机前的土层进行封闭加固，即：在盾构机切口前30cm、隧道圆形设计断面范围内，设置垂直冻结器，在冻结器内循环低温盐水，逐渐降低地层温度，使地层中的水变成冰，冰和土、砂颗粒逐渐形成冻结连续体，使冻结帷幕形成瓶塞状包围盾构切口位置，防止盾构机前的海水渗透及泥沙的涌入，保障隧道内的清理和盾构机的维修顺利进行。

二、工程应用及效果分析

（一）工程简介

华能汕头电厂二期工程高压出线跨海段采用海底隧道结构形式，该过海电缆隧道位于该市海湾大桥的西侧、该市拟建第二过海水管的旁边。海底隧道南端接收井位于电厂灰场的灰堤内侧，北端工作井位于该市港务集团第三公司的码头后方区域。由于盾构网格故障，发生涌砂、涌水险情，大量水、砂进入隧道，现采用钢封门在隧道口封堵隧道，并已控制地面沉降。经过方案比较，选用盐水冻结法对盾构切口前方土体进行加固。

（二）冻结帷幕设计

为了盾构机头内土仓开挖处理时的安全，以及现场施工条件的限制，采用在盾构机切口前打设两排冻结孔的方案，将切口前端漏水通道冻结封闭，冻结帷幕为瓶塞形包围盾构切口位置。根据切口的结构和水文地质资料，及委托同济大学现场取土实验，设计切口处砂土的冻土墙平均温度为-15℃，有关试验数据该土层含盐冻土各参数取值为抗压强度σ压=2.2MPa，抗拉强度σ拉=1.3MPa，抗剪强度τ剪=1MPa。砂土的冻土墙平均温度为-21℃，有关试验数据该土层含盐冻土各参数取值为抗压强度σ压=3.5MPa，抗拉强度σ拉=2MPa，抗剪强度τ剪=1.6MPa。为保证盾构机头抽水、清泥时盾构机的稳定，在切口向后4.5m处盾构机两边各布置一个冻结孔，用来稳定盾构机身不均匀沉降现象。根据盾构机切口结构等确定冻结帷幕有效厚度为1.5m，即：冻土进入盾构网格20cm，以满足隧道内抽水、清理要求即可。

1．冻结孔布设。为了封好水，并根据甲方的要求，对已知道的漏水点进行布孔冻结，设计冻结孔的布置见图1，图2。采用局部冻结双排冻结孔，冻结孔数17个，冻结孔间距为0.7m，排间距0.8m，距盾构切口间距0.3m，冻结孔深度以施工用海上钢平台标高+4.0M进行计算为34.71m。两个固定盾构机的冻结管冻结深度为7.55m，选用局部冻结方案，采用双供液管；上部8m不冻结部位采用10mm厚PEF保温板包裹，其他15个冻结管选用局部冻结方案，即上部采用双供液管，冻结深度为下部7.55m，上部25.96m不冻。冻结管外套管选用直径219*4.5钢管。

2．冻结时间。积极冻结达到开挖时间为35天；维护处理、抽水、清泥冻结时间为20天。

3．冻结完成后冻结管的处理方式。待隧道内部全部处理好，通过强制解冻后将冻结管拔出地面。每拔完一根冻结管要及时进行充填，在隧道顶板以下充填黄砂，隧道顶板以上充填水泥砂浆，并添加适量速凝剂，使其快速凝固。为防止融沉过大，要保证充填质量，必要时采取注浆充填。

根据温度监测结果，经过35天积极冻结，预测已形成深度8.0m，宽度5m，厚度1.6m的冻结加固体。打开钢封门后，盾构切口处冻结土体自立性良好，未见渗水现象，封水效果也较理想，已达到设计要求。

（三）应用效果分析

1．砂性地层冻土墙的隔水、抗渗性好。由于该处地层较为复杂，主要是砂性地层，含水量高，透水性大，扰动易产生液化、流动而形成流砂，给采用其他地层加固工法带来极大困难。采用盐水冻结法，将地层中的水变成冰，冰与土颗粒共同形成冻结连续体，冻结加固区是个完整、均匀、连续的区域，冻结体内不会存在任何缝隙，起到了良好的隔水效果。

2．盐水冻结法在该地层中冻土扩展速度较快，速度可达到28～33mm/d，而且冻结后的冻土强度高。

3．可控制冻结加固区范围。通过调整冻结孔的孔位或调整冻结盐水的温度，可有效控制冻结体的形状和扩展范围。

（四）问题与探讨

1．由于该工程是海上冻结工程，要充分考虑海水和海风对工程的影响，特别要注意台风期间的安全。在冷冻土体即将交圈时正逢海水涨、退潮高峰期，海水涨、退潮时会带走一部分冷量，冻土温度变化情况在测温数据中反映较为明显，前后可以相差近0.8℃。

2．海上平台钻孔应考虑海风对钻机的影响，开钻前做好充分的准备将钻机固定牢固，以防海风将钻机机架吹倾斜而造成冷冻孔成孔的倾斜。

3．钻机钻进中可能会遇到乱石层，在钻机钻进过程中要特别注意，防止卡钻。

三、结论

1．首次在海上使用盐水冻结法，成功地解决了隧道盾构切口处漏水的难题。使冻结帷幕形成瓶塞状包围盾构切口位置，防止了盾构机前的海水渗透及泥沙的涌入，保障了隧道内的清理和盾构机的维修顺利进行。

2．冻结帷幕形成整体防水体系，抗渗性和整体封闭效果要优于其他地层封水加固方法。

3．盐水冻结法是隧道盾构施工中，盾构切面处漏水处理的一种有效方法。

作者简介：孔祥伟（1970－），男，中煤五公司上海分公司项目经理，国家一级建造师，注册安全工程师，研究方向：煤田勘探。