地铁旁通道冻结法施工常见安全

地铁旁通道冻结法施工常见安全问题的应急处理据初步统计,我国上海、南京、天津等地用冻结法施工的地铁隧道旁通道(或联络通道)工程已经超过了70项,冻结法已成为软土中地铁旁通道施工的主要工法。为此,上海市有关主管部门制订颁布了《旁通道冻结法技术规程》(J10851-2006)。该规程第1012节明确规定,“旁通道施工前必须编制施工应急预案。”并要求对钻孔喷砂、冻结管断裂、开挖过程中意外停冻和冻结壁“开窗”漏水等施工安全问题和突发事件制订应急预案。因此,有必要全面分析与总结过去在地铁旁通道冻结法施工中所遇到的安全问题和处理经验,以便制定出有效的应急预案,避免旁通道冻结施工重大安全事故的发生。1冻结钻孔漏水喷砂问题1.1引起冻结钻孔漏水喷砂的原因在上海地铁旁通道冻结施工中往往会遇到地下水压力较大的含水砂层。在这些地层施工近水平冻结孔发生钻孔漏水喷砂的情况非常频繁,严重时可以引起很大地层沉降,造成隧道管片和地面建筑变形损坏甚至酿成隧道垮塌的灾难性事故。引起钻孔漏水喷砂的原因主要有孔口管松动或脱落、冻结管接头断裂、钻头逆止阀失效和孔口止水装置损坏等。有时在冻结壁解冻后,由于冻结管与隧道管片之间的空隙不能及时有效的封堵，也有发生漏水喷砂的情况。根据过去经验开始施工冻结孔时发生孔口管松动脱落、冻结管断裂、钻头逆止阀失效和孔口止水装置损坏等情况较少也易处理。但在冻结孔施工后期,由于地层扰动加大渗透性提高很容易引起塌孔抱钻使得发生上述情况的可能性及其处理难度显著增加。112冻结钻孔漏水喷砂的应急处理如因孔口管松动或脱落引起孔口管与管片之间漏水,应立即停止钻进,在冻结管上安装管卡,用钻机推进冻结管将孔口管顶实,或者用膨胀螺栓等将孔口管固定牢固。然后用棉纱堵塞孔口管与管片之间漏水处,并通过孔口管旁通进行压浆堵漏。注浆材料以采用化学浆液为宜,也可用水泥-水玻璃浆液。在紧急情况下,可直接从冻结管中注入水泥-水玻璃浆液。当漏水涌砂点在隧道底部时,如遇紧急情况,可以用堆压法处理。采用这种方法时,先应用棉纱等堵塞出水点控制漏水速度,并及时排水。然后,在出水点周边垒一圈砂包,在出水口埋设导水管,并迅速将水泥和水玻璃撒到出水点,边撒边搅拌,使之快速凝固。在堆压体中可埋一些钢筋或型钢,以便将其与隧道管片固定以增加堆压体的稳定性。当堆压体有一定强度和体积后,可逐渐控制导水管的出水量。最后,通过导水管或从附近隧道管片开孔注浆封堵出水点。如因冻结管接头断裂和钻头逆止阀失效引起漏水喷砂,可直接通过冻结管注浆。在采用钻进法下冻结管时,可先准备一个能与冻结管连接的注浆管接头,这样,一旦发生冻结管漏水喷砂的情况,可以迅速拧上准备好的管接头,进行注浆。在用夯管法下冻结管时,可预备一个止浆塞进行堵水和注浆。如没有止浆塞,可准备一个冻结管木塞和一截带阀门的注浆管,在冻结管漏水时,可用木塞堵塞冻结管(用夯管锤将木塞夯入冻结管),然后在冻结管上焊接注浆管进行注浆处理。钻孔堵漏时需要注意以下几点:第一,要早发现,早做好应急处理的准备;第二、堵漏速度要快,要把握时机,疏堵结合;第三,要尽快进行补偿注浆控制地层沉降;第四,要加强隧道和地层沉降监测,及时对隧道和地面危险建筑采取加固措施。对于漏水的冻结管,如下入地层深度已达到设计要求,则可以在冻结管中下入直径较小的冻结管进行冻结,否则,可以移位补打冻结孔。2冻结管断裂和盐水漏失问题2.1引起冻结管断裂与盐水漏失的原因在积极冻结和开挖期间均可能发生冻结管断裂和盐水漏失的情况。引起冻结管断裂或渗漏的原因主要有三种情况。一是由于冻结管螺纹连接补焊质量或冻结管端头丝堵安装质量存在缺陷,打压试漏不够严格,从而导致供盐水时冻结管接头或冻结管端头丝堵渗漏;二是由于冻结管接头质量差,开冻后管材发生冷缩,引起冻结管接头焊缝开裂渗漏;三是开挖后冻结壁变形引起冻结管弯曲、拉伸,从而造成冻结管接头断裂。冻结管断裂还与打钻和冻结时引起的地层扰动、隧道沉降等有关。冻结管断裂和盐水漏失一方面使冻结管不能再正常工作,需要停止冻结;另一方面会融化冻结壁,或使冻土强度降低。因此,冻结管断裂会严重威胁冻结施工的安全。这两种情况在过去工程中均有发生,所幸发现早、处理及时或盐水漏失在粘土层中,从而避免了更为严重后果的发生。在积极冻结期间发生冻结管断裂和盐水漏失,不会立即对工程安全造成威胁。但是,冻结管裂漏后盐水会渗入地层,即使地层已经冻结也会逐步融化,使地层不能冻结或地层冻结后冻土强度明显降低,这样给以后旁通道开挖带来了很大的安全隐患。特别是一旦有盐水渗入地层,冻结壁的扩展厚度和冻土强度就不能通过测温孔测温来检查,给旁通道开挖带来了极大的风险。2.2冻结管断裂与盐水漏失的应急处理在积极冻结期间发现冻结管渗漏盐水,可采用以下方法进行处理。(1)立即切断冻结器盐水供给。(2)在渗漏的冻结管中下套管恢复冻结,套管与冻结管之间应灌满清水。对于向上倾斜的冻结管,下套管处理会在套管与冻结管之间存在空隙影响导热,所以,应改用液氮冻结。(3)在紧靠漏管位置打探孔检查漏盐水位置和范围。如漏水位置为透水砂层,可放水降低土层的含盐浓度。(4)取芯测定漏盐水点附近土体的含盐量或冻土强度。评估冻土强度降低可能冻结壁承载力和稳定性的影响。5)必要时采用液氮冻结降低冻结壁温度,或延长积极冻结时间和局部补孔冻结增加冻结壁厚度。在开挖期间遇到冻结管断裂和盐水漏失的情况,应立即切断盐水供给。如果地层为含水砂层,应立即施工初期支护封闭开挖工作面。并应尽快关闭防护门充压气保持开挖区土压平衡,然后在漏盐水的冻结管中用液氮进行冻结,直至取芯检查冻结壁强度达到设计要求后再恢复开挖。如果地层为粘土层,也宜将漏盐水冻结管改用液氮冻结并及时进行支护。在探明开挖面冻结壁稳定性满足施工安全需要的情况下,方可继续进行开挖.3开挖期间长时间停冻问题311开挖期间长时间停冻的原因开挖期间停冻一般是由于停电或发生严重机电事故引起的。如果在旁通道开挖期间发生长时间停冻,会使冻冻结壁温度迅速升高,使冻结壁的承载力迅速降低、变形速度加快。特别是停冻后冻结壁与隧道管片交界面很容易解冻引起透水。因此,会给工程安全带来严重威胁。在过去,旁通道开挖时因停电或机电事故停冻的时间一般在几小时内,只要尽快恢复冻结,不会对施工安全带来严重影响。但是,过去往往采用较高的盐水温度进行维护冻结,当快施工完旁通道结构时,又提前停冻或提前关闭部分冻结器,从而引发险情。312开挖期间长时间停冻的应急处理在积极冻结期间,由于停电或发生严重机电事故引起停冻的情况时有发生。此时,只要延长积极冻结时间即可。延长积极冻结工期一般取停冻时间的2倍。如果在开挖期间发生停冻,根据冻结壁的稳定情况和温度回升情况可以采取以下应对措施。(1)排除机电故障,尽快恢复冻结。(2)加强冻结壁收敛和温度变化监测,尤其是要密切监测冻结壁与隧道管片交界面温度的变化,防止冻结壁局部融化透水。(3)加强冻结壁与隧道管片交界面保温,最好沿交界面敷设管路进行液氮冻结。(4)快速开挖、及时支护。并根据冻结壁和支护层变形情况,增加初期支护的内支撑。如果停冻时间在3～5天之内,通过采取上述措施,一般是可以继续安全地进行旁通道开挖的。如果停冻时间和旁通道开挖时间需要更长,可以考虑先施工部分混凝土衬砌,并封闭开挖作业面,或者关闭防护门,充上压缩空气,待恢复正常冻结后继续开挖。4冻结壁失稳和透水问题411冻结壁失稳和透水的原因在旁通道开挖过程中,一旦发生冻结管盐水漏失、遇到长时间停冻,或者由于开挖冻结壁形成远未达到设计要求,就有可能发生冻结壁承载力不足和严重变形的情况。特别是在冻结壁与隧道管片的交界面附近,由于隧道管片散热,往往存在局部冻结壁温度过高、厚度过小的问题,导致在开挖过程中局部冻结壁严重变形,或者有软土挤出,甚至发生冻结壁透水险情。一旦冻结壁发生严重变形、失稳或透水,将严重威胁工程的安全,必须采取应急措施进行快速、有效的处理.4.2冻结壁失稳和透水的应急处理一旦发现冻结壁变形速度迅速增大,表明冻结壁承载力不足,有失稳破坏的危险。此时必须立即支护,并考虑加强内支撑。如果在开挖集水井时遇到这种情况,也可用土袋迅速进行回填。同时,要加强冻结,降低盐水温度,并检查冻结孔是否有堵塞的情况,确保每个冻结孔的盐水供给正常。然后,暂停开挖,对冻结壁和初期支护表面进行保温,并严密观测冻结壁和初期支护的变形。如检查冻结壁及支护层变形得到了有效控制,可立即施工混凝土衬砌。否则,可关闭防护门,直到冻结壁强度达到安全施工的要求后再行开挖。冻土遇水冲刷容易融化,水流速度越快,融化速度越快。因此,冻结壁一旦开窗透水,不能硬堵,尤其不能注浆,否则冻结壁“窗口”扩大速度会更快。此外,如果冻结壁透水已成线流,即使采用液氮冻结(在冻土表面喷洒低温氮气)一般也无济于事。因此,冻结壁透水的最好处理方法是立即关闭防护门并向旁通道内充压缩空气,保持开挖区水土压力平衡,使冻结壁不再漏水,这样继续冻结,冻结壁窗口很快就会弥合。在开挖区内水土压力平衡后,可灌水并注入聚氨酯浆液置换压缩空气。如果在施工完初期支护后发生冻结壁与隧道管片交界面渗水的情况,可先用液氮喷洒出水点附近,并观测渗水量是否有增大趋势。如果渗水小且没有增大趋势,可尽快浇筑混凝土衬砌。在冻结壁严重变形和漏水时,应检查隧道管片的变形情况,对隧道管片进行支撑加固。同时,应监测地面和建筑物沉降,检查水、电、燃气等管线是否安全。并对建筑物附近地层进行跟踪注浆。注浆应在地面进行,不得离冻结壁太近,以免压坏冻结壁。注浆材料宜采用水泥-水玻璃双液浆。如冻结壁透水,应立即通知相关部门,尽快疏散附近地面人员.5地层快速融沉问题511地层快速融沉的原因冻结壁融化时会发生收缩,从而引起地层沉降。在一般情况下,冻结壁融化的速度较慢,地层沉降更缓慢,因此,只要进行正常的环境监测和跟踪注浆处理,不会给周围建筑物和管线等的安全构成威胁。但是,在一些特殊情况下,如施工冻结孔时地层水土流失严重、旁通道开挖时冻结壁变形大、施工支护和衬砌时与冻结壁之间存在大的空洞且未进行有效的注浆充填等,停止冻结后地层可能发生快速沉降,从而,给周围地面建筑物和管线等造成险情。512地层快速融沉的应急处理在旁通道施工期间及停止冻结后,应按照《旁通道冻结法技术规程》的要求对施工影响范围内的隧道管片、地下管线、地面及其建(构)筑物变形等进行监测。一旦监测结果达到了警戒值或者隧道管片、地下管线和建(构)筑物有损坏迹象,地面沉降将影响车辆或行人安全通行,应立即采取以下方法进行应急处理。(1)对地下管线、地面及其建(构)筑物的安全状况进行评估,如果存在安全隐患或险情,按相关规定对地下管线、地面和建(构)筑物采取保护措施。(2)观察隧道管片和旁通道结构是否有破坏、渗漏情况,如隧道管片和旁通道结构有破坏或隧道变形超过了规定要求,立即报设计单位,制定技术方案对隧道进行加固处理。如果隧道管片接缝、冻结孔孔口和旁通道结构等有渗水,立即采用注浆方法进行堵漏,注浆材料可以采用化学浆液或水泥-水玻璃浆液。(3)采用注浆方法控制地层沉降。注浆区域应选在地层沉降较大的位置,最好是地面注浆与隧道内注浆相结合。应先注地层沉降大的位置,再注地层沉降较小的位置,先注地层深部,再注地层浅部。注浆应遵循少量、多次、均匀的原则,注浆引起的地面抬升要严格控制在规定范围之内。注浆浆液宜以水泥-水玻璃双液浆为主,单液水泥浆为辅。水泥-水玻璃双液浆配比可为:水泥浆与水玻璃溶液体积比1∶1,其中水泥浆水灰比1∶1,水玻璃溶液可采