运营地铁隧道旁通道排水管的修复实施分析

盛伟俊

（上海地铁维护保障有限公司，上海 200233）

1 工程概况

上海地铁某区间隧道上行旁通道排水管处发生渗漏水情况，漏水比较浑浊、含有泥沙（水量约200mL/s），同时旁通道集水井内也有泥沙堆积，情况十分危急。后续赶来的抢修人员先采用双快水泥封堵漏水部位并引流，然后在集水井内开孔安装球阀，打穿井壁进行壁后注浆（聚氨酯）共计550kg，最终将险情控制。根据现场情况分析，渗漏水路径是通过排水管与钢管片预留孔之间渗水至隧道内。考虑到该旁通道所在范围为⑤2土层，性质属砂质土层，为确保此区间隧道结构的长期安全，经相关管理者、专家、设计单位和原施工单位对多种方案的反复讨论、比较、分析，最终决定在液氮冻结条件下进行排水管的修复工作。

在区间旁通道内沿着排水管的方向，在其两侧各布置一根冻结器，冻结器开孔倾角（向下与水平线夹角）为32°。冻结器穿透旁通道底板至设计深度后接入液氮，采用液氮冻结施工法，冻结排水管靠近隧道位置的土体，确保开挖阶段这部分土体具有相当的强度。之后在隧道内对排水管的第5、6隔仓进行开挖，在原排水管内套入一根直径108mm的不锈钢管作为新的排水管，套管间隙和开挖的隔仓用弹性环氧材料填充封闭，达到永久修复的目的[1]。

2 地质条件和客观限制

根据地勘资料，该区间所在范围为⑤2土层，性质属砂质土层，⑤2层为微承压含水层，含水量高、孔隙比大、灵敏度高、颗粒较细，具较高的触、流变特征，易产生流沙、涌沙等突发情况。工程性质差，在动力作用下，易破坏土体结构，易造成开挖面的失稳。所以在冻结孔开孔阶段、隔仓开挖阶段，必须做好技术措施和安全预案，以应对突发险情。

同时，在不中断运营的前提下进行修复工作，面临以下客观条件的限制：

（1）施工时间紧。随着上海地铁延长运营，该区间施工点最早下达时间为0：30，每天凌晨4：00必须施工销点。除去进场、撤场时间，每天实际施工时间不足2.5h。

（2）施工空间小。该区间旁通道排水管位置较偏（靠近侧墙），现场排水管一侧无法平行布置冻结器。旁通道内的污水管、隔断防火门、集水井内污水泵在空间上对施工设备进场、布置都有一定的影响。施工前，须对污水管进行改排、拆除污水泵和隔断防火门。

（3）隧道通风性差。此次施工区间全长1560m，通风相对较差。而液氮冻结时，区间必须确保良好通风，防止施工人员缺氧。

（4）区间排水、用电问题。液氮冻结及开挖阶段，排水管处于封闭状态，而项目施工正值台风季节，区间应急排水需要事先考虑。同时区间配电箱无法满足大功率电器启用，须接入长约1000m的电缆提前供电至旁通道施工场地附近，以解决大功率电器用电问题。

3 液氮冻结施工

3.1 冻结孔开孔

根据现场旁通道排水管的冻结加固范围和排水管位置的空间尺寸，在排水管两侧各布置1根冻结器，受钻孔施工空间限制，其中一根冻结器与排水管在水平方向上以一定角度打设。冻结器长度为4.4m，开孔倾角（向下与水平线夹角）为32°。实际开孔定位时，在满足冻土设计要求的前提下可根据现场排水管位置对冻结器与排水管投影夹角做适当调整[2]。

在旁通道内冻结孔开孔，分两次开孔进行。首先根据冻结孔设计方位安装开孔钻机，开孔深度35cm，安装φ121mm×5mm孔口管，再用φ91mm水钻钻进旁通道底板，未穿透底板前20cm用φ89mm×8mm冻结管实现跟管钻进，同时安装压紧装置，继续钻进至设计深度。φ121mm×5mm的孔口管放入底板钻孔内后，在孔口管周边采用化学锚固的方法布置4根直径为16mm、锚固深度为150mm的螺丝杆，螺丝杆外露长度为100mm，并与孔口管外壁焊接。冻结孔施工如图1所示。

图1 冻结孔施工

在此次冻结孔开孔过程中，上行线靠墙侧冻结管SD1孔口管于2018年8月13日凌晨3：00安装，靠近通道中心侧冻结管SD2孔口管于2018年8月14日凌晨2：30安装，两个冻结孔底板二次取芯分别于2018年8月15日、16日凌晨完成，取芯长度分别为2m、2.07m。SD1钻孔施工采用水平钻机跟管钻进工艺，施工于2018年8月21日凌晨1：10开始，1：50穿透混凝土底板层，钻进到3.25m时遇到原旁通道施工冻结管，钻机钻进缓慢，至2：50只钻进2cm，退钻有泥沙流出，跟进压钻无泥沙，判断钻头断在土层中。现场对孔口管实施紧固等措施确保无泥水流出，并安排人员24h值班。

根据SD1钻孔情况，钻孔深3.25m，混凝土部分是2.83m，岩芯管、钻头、逆止阀长度为1.45m，岩芯管在混凝土内的长度为1.03m，判断岩芯管脱落处（岩芯管与逆止阀连接处）在原开孔取芯段底部。为满足冻结壁设计要求，将该冻结孔内采用混凝土充填密实，在原冻结孔向通道进深移动378mm处补打冻结孔(SD1′)，该孔在SD1遇到老冻结管处外偏100mm以避孔，具体补孔竖直角度由32°调整为28.8°、水平角度由6.2°调整为7.3°、孔深由4218mm调整为4512mm。

3.2 液氮冻结

冻结管采用φ89mm×8mm不锈钢管，冻结管的连接采用丝扣外加焊接的连接方式。供液管则采用φ32mm×2.8mm铜管制作，为了能够增加液氮冻结的均匀程度，供液管采用五分十字花结构。另外考虑到控制冷量损失和低温对底板混凝土的影响，现场用保温材料包裹位于混凝土内部的冻结器。

由于施工场地空间限制，区间旁通道内仅能储存6瓶液氮。这也意味着在保证连续冻结的前提条件下，在24h内要求均匀释放6瓶液氮。2根冻结管采用并联方式连接，在每根冻结管氮气去、回路出口处设测温装置。输入和输出口安装DN25低温截止阀，用来控制液氮的流量。冻结时，采用容积为170L的小液氮罐，液氮通过输送干管送到工作面，通过液氮分配器后进入冻结器，最后通过回路干管将氮气排入隧道内。当液氮罐用完后，关闭液氮进出液阀门，将液氮软管取下，接入另一液氮罐进出液阀门，调节进出液阀门，将冻结系统出口温度维持在-80±5℃，继续冻结。

4 开挖和修复

4.1 方案调整

上行线于2018年9月8日开始液氮冻结，经过三周的冻结，现场测温孔最低温度为6℃，冻结效果未到预期。施工单位通过现场检查并更换测温装置、检查冻结器（内部无渗水）、调节冻结有效长度等手段排除了冻结系统出现故障的可能性，现场液氮冻结系统进出气口的温度处于正常范围内。同时排查地面，也未发现有在建工地实施抽水作业。综合各方面情况，判断冻结管外包裹大量聚氨酯（聚氨酯的保温系数为0.024，一般保温材料的系数为0.12），聚氨酯为当时该处抢修实施壁后注浆所形成。

鉴于冻结效果未达到预期，故对开挖方案进行调整：保留原排水管法兰，避免对钢管片预制套管和原排水管进行切割作业，确保现场多一道防水屏障，提高开挖的安全系数。新排水管连接弯头引出位置则由原来的第5隔仓改为第4、5隔仓中间。

4.2 开挖

道床开挖区域为列车轨枕一侧至钢管片隔仓。道床凿除过程中，凿除冲击力导致的附加应力以及裂缝延伸可能影响到轨道及轨枕下方的道床混凝土，进而造成列车轨道的沉降、断裂，为了防止这种影响，须在开挖区域的边界用切割机切一道缝或者用钻孔设备钻出一排孔，以释放道床凿除过程中产生的应力[3]。

隔仓开挖前，在钢管片上焊接螺栓，安装临时应急盖板。临时应急盖板与钢管片接触面应事先找平，接触面上设置φ16mm止水橡胶条，保证临时应急盖板的止水密封效果。应急盖板起到应急密封作用，当后续开挖过程中发生漏泥、漏水等情况，或者开挖不能在一个工作日完成的，必须盖好临时应急盖板并紧固螺栓，确保开挖后形成的空仓完全封闭，等次日施工时再拆除应急盖板，继续进行开挖施工。

4.3 修复

开挖完成后，将新排水管从集水井中套入原排水管内。先将新排水管与集水井一端连接固定，新排水管与集水井井壁连接处设置钢封板，钢封板将止水材料紧紧地压在新排水管的挡条上，实现新排水管与原排水管以及集水井井壁之间的防水密封。在集水井内对新排水管与原排水管之间灌注弹性环氧材料，使接头保持一定的柔性，可以一定程度上控制联络通道与隧道差异沉降的影响。

在隧道内第4、5隔仓位置，将新排水管与事先加工好的弯头连接，并从钢管片内弧面的永久盖板预留孔中伸出。新排水管与永久盖板通过法兰盘连接，确保防水密封性，同时永久盖板与钢管片四周做满焊处理。施焊后对永久盖板与钢管片隔仓之间的空隙通过永久盖板上的预留注浆孔进行注浆密封处理，注浆材料选用弹性环氧注浆材料。

5 结语

综上所述，目前上海地铁隧道旁通道位置的排水管均采用不锈钢，同时排水管在隧道外的部分埋于底板结构层内。相比于原来设计较早的排水管（铁质），隧道外的部分直接埋于土体中，这样设计更加合理、安全。但需要指出的是，排水管与隧道管片交界面处设计混凝土结构层比较薄弱，受长期运营期间车辆震动、隧道沉降等因素影响，导致该处可能形成裂缝进而引起渗漏水情况。另外，排水管与钢管片预留孔周边的焊接质量尤为关键，一旦这个环节处理不好，后果就会相当严重。液氮冰冻条件下的施工体现了快速和小巧，适合在空间狭小、困难和复杂条件下的施工，工程实践证明可在不停运条件下对存在缺陷的局部隧道进行修复，是隧道维护修复的一种可靠方法，值得进行推广。需要注意的是，隧道结构的安全性具有较大隐蔽性，一些结构修复工作受各种客观因素影响和制约，这就需要在建设期就做好相关的风险质量防控。