凍結(jié)法在常州地鐵聯(lián)絡(luò)通道工程中的應(yīng)用研究*

代國忠 劉德順 朱加 施維成

（1.常州工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院 213032；2.常州市軌道交通發(fā)展有限公司 213022）

引言

近年來，隨著城市地下空間工程的不斷發(fā)展，凍結(jié)法施工技術(shù)被廣泛應(yīng)用于上海、北京、深圳、南京、常州等城市地鐵工程施工中［1－3］。凍土帷幕是一種臨時支護結(jié)構(gòu)，待永久支護形成后，停止凍結(jié)，凍結(jié)壁融化。采用凍結(jié)法施工，可有效隔絕地下水，凍土帷幕的形狀和強度可視施工場地條件靈活布置和調(diào)整，凍土強度可達5MPa～10MPa，能有效提高工效；凍結(jié)法施工對周圍環(huán)境無污染，無異物進入土壤，噪音小，凍結(jié)結(jié)束后，凍土墻融化，不影響建筑物周圍地下結(jié)構(gòu)使用安全［4－7］。

常州市軌道交通1號線一期工程北起北海路站－南端南夏墅站，全長約33.837km，其中地下線長約31.673km，高架線約2.61km。全線共設(shè)有28座盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，因聯(lián)絡(luò)通道施工區(qū)域狹小，大型開挖機械無法施工，只能采用人工開挖，開挖的土層主要是富含大量承壓水的粉砂層及粉土層。為了規(guī)避聯(lián)絡(luò)通道開挖中出現(xiàn)涌水、漏沙等風(fēng)險，經(jīng)過方案優(yōu)選與論證，常州市地鐵1號線聯(lián)絡(luò)通道主要采用凍結(jié)法施工。

1 工程及地質(zhì)條件概況

常州地鐵1號線某聯(lián)絡(luò)通道由與隧道管片相連的喇叭口、水平通道構(gòu)成，其中心距為11.6m。聯(lián)絡(luò)通道的水平通道為直墻圓弧拱結(jié)構(gòu)，通道采用的初次襯砌（木背板＋型鋼支架＋噴射C25混凝土）厚度不小于150mm，二次襯砌厚度為450mm的C35P10模筑防水鋼筋混凝土。聯(lián)絡(luò)通道開挖輪廓高為4.24m，寬為3.30m（喇叭口部分高為4.54m，寬為3.90m）。

根據(jù)地質(zhì)資料，聯(lián)絡(luò)通道位于⑤2層粉砂層、⑤3層砂質(zhì)粉土夾粉砂層。地層地下水主要為潛水及承壓水，主要為大運河和長江水的側(cè)向補給，水量較豐富。⑤層承壓水水位埋深3.00m～6.10m，含水層滲透系數(shù)為2.9×10－3～3.0×10－3（cm／s）。聯(lián)絡(luò)通道緊鄰污水處理站及工業(yè)廠房，周邊管線眾多。

2 凍結(jié)帷幕設(shè)計

2.1 凍結(jié)帷幕設(shè)計參數(shù)

（1）凍結(jié)帷幕厚度

① 凍結(jié)圓柱半徑計算［8］：

式中：t1為回路鹽水溫度（t1＝－30.5℃）；r為測溫孔離凍結(jié)管的距離（r＝0.85m）；r1為凍結(jié)管內(nèi)半徑（r1＝0.0365m）；t為測溫孔溫度（t＝－4.8℃）。計算得凍土交圈的凍結(jié)圓柱半徑r2＝1.53m，實取r2＝1.5m。

② 凍結(jié)帷幕厚度計算［8］：

式中：l為凍結(jié)管最大間距（l＝1.1m），計算所得凍結(jié)帷幕厚度E＝2.79m。凍結(jié)帷幕厚度在喇叭口處取1.5m，通道處取1.8m，可滿足設(shè)計要求。

（2）凍結(jié)帷幕平均溫度

① 邊界凍結(jié)壁平均溫度計算［8］：

② 凍結(jié)壁平均溫度計算［8］：

計算得：toc＝－9.96℃，tc＝－11.16℃。

（3）凍土強度的設(shè)計指標(biāo)

凍土單軸抗壓強度不小于3.5MPa，抗折強度不小于2.0MPa，抗剪強度不小于1.5MPa。

聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕設(shè)計如圖1所示。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕設(shè)計Fig.1 Frozen curtain design of the connected aisle

2.2 凍結(jié)孔、測溫孔及泄壓孔設(shè)計

聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置凍結(jié)孔54個（冷凍站側(cè)隧道內(nèi)布置40個凍結(jié)孔，冷凍站對側(cè)布置14個凍結(jié)孔），兩側(cè)墻凍結(jié)孔最大允許間距為1.1m，拱頂和底板則為1.0m。設(shè)置透孔4個，對冷凍站對側(cè)凍結(jié)孔和冷凍排管供冷。凍結(jié)管采用20＃（Q235B）鋼材的φ89×8mm的低碳無縫鋼管。凍結(jié)管耐壓不低于0.8MPa，且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5倍。施工凍結(jié)孔時的土體流失量不得大于凍結(jié)孔體積，否則應(yīng)及時進行注漿控制地層沉降［9］。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)站對側(cè)隧道上沿通道外圍凍結(jié)壁敷設(shè)6排冷凍排管（45×3mm無縫鋼管），間距不大于400mm，冷凍排管敷設(shè)應(yīng)密貼隧道管片。

聯(lián)絡(luò)通道設(shè)測溫孔12個，分別布置在通道內(nèi)外和兩側(cè)隧道內(nèi)，其中冷凍站側(cè)布置4個，冷凍站對側(cè)隧道布置8個，深度2m～3.8m；布置泄壓孔4個，布置在凍結(jié)帷幕中間，左、右線各2個，深度均為3m。

2.3 冷凍機的選擇

凍結(jié)需冷量的計算公式為［8］：

式中：d為凍結(jié)管直徑，d＝0.089m；H為凍結(jié)管總長度，H＝302.3m；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)，K＝323.3kcal／h／m2。經(jīng)計算 Q＝35520kcal／h。

選用JYSLGF300型冷凍機，制冷劑選用氟立昂R22，冷媒劑選用比重為1.26kg／L的氯化鈣溶液。冷凍站設(shè)置在區(qū)間隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)通道的一側(cè)附近，凍結(jié)孔單孔流量不小于3m3／h，每米凍結(jié)管設(shè)計散熱量不應(yīng)小于100kcal／h。

3 施工工藝及技術(shù)措施

3.1 凍結(jié)孔施工

使用MD－60鉆機進行凍結(jié)孔施工。先施工透孔，然后根據(jù)聯(lián)絡(luò)通道施工的孔位，采用由上向下的順序進行施工，可防止因下層凍結(jié)孔的施工引起上部地層擾動，減小鉆孔施工時的事故發(fā)生率［10］。凍結(jié)孔施工工序為：定位、開孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗。凍結(jié)孔施工之后，安裝凍結(jié)管，并用堵漏材料密封凍結(jié)管與管片之間的間隙，在凍結(jié)管內(nèi)安裝供液管。工程鉆孔及冷凍裝置安裝時間為30d。

3.2 積極凍結(jié)

工程設(shè)計要求積極凍結(jié)7d鹽水溫度降至－18℃ 以下，15d鹽水溫度降至 －24℃以下，13d鹽水溫度降至－28℃以下，開挖時鹽水溫度降至－28℃以下，總?cè)?、總回路鹽水溫差不大于2℃。

實際積極凍結(jié)4d鹽水溫度降至－18℃以下，7d鹽水溫度降至－24℃以下，13d鹽水溫度降至－28℃以下。凍結(jié)42d時，總?cè)?、總回路鹽水溫度分別為－31.3℃和－30.5℃，其溫差為0.8℃，凍結(jié)帷幕厚度最薄為2.5m，凍結(jié)帷幕平均溫度為－11℃，滿足設(shè)計要求。工程積極凍結(jié)時間確定為45d。

3.3 維護凍結(jié)

從開挖到結(jié)構(gòu)層施工完之前，鹽水溫度要保持不高于－28℃，去回路溫差不大于2℃。維護凍結(jié)過程中，加強凍結(jié)施工監(jiān)測，確保凍結(jié)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常，及時分析凍土帷幕的溫度變化。開挖期間，不允許提高鹽水溫度和減小鹽水流量［11］。工程維護凍結(jié)時間為30d。

3.4 停止凍結(jié)

澆筑完聯(lián)絡(luò)通道二襯混凝土，完善停機前流程，停止凍結(jié)，對凍結(jié)管進行充填防滲處理。

3.5 施工技術(shù)措施

為減小地層凍脹和融沉，根據(jù)有關(guān)工程經(jīng)驗，制定以下凍脹和融沉防治措施。

（1）采用局部凍結(jié)方案，減少凍土體積，從而有效減少凍土的凍脹量。

（2）在凍土帷幕內(nèi)未凍土中設(shè)置4個泄壓孔，通過泄壓消散作用在管片上的凍結(jié)附加力。積極凍結(jié)時，如果孔內(nèi)水壓增加，打開孔口閥門泄壓。

（3）通過監(jiān)測凍結(jié)過程中隧道管片的變形，預(yù)計凍結(jié)施工對隧道結(jié)構(gòu)的最終影響，為調(diào)整、確定凍結(jié)施工參數(shù)提供可靠依據(jù)。通過調(diào)整鹽水流量和鹽水溫度，控制凍土帷幕厚度。

（4）凍土帷幕解凍時有少量收縮，從而使地層產(chǎn)生融沉。為了消除地層融沉可能對聯(lián)絡(luò)通道產(chǎn)生的不良影響，在結(jié)構(gòu)襯砌上預(yù)留注漿管注漿，以補償凍土帷幕融沉。

（5）停止凍結(jié)后，采取強制解凍融沉注漿，控制地面及隧道不均勻沉降。

4 結(jié)語

1.聯(lián)絡(luò)通道采用水平凍結(jié)法施工，凍結(jié)效果符合預(yù)期，隧道開挖及構(gòu)筑工程進展順利，總工期為110d，實現(xiàn)了進度目標(biāo)。

2.工程一次驗收合格率達到100%，全部達到工程質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了質(zhì)量目標(biāo)。

3.經(jīng)工程監(jiān)測，聯(lián)絡(luò)通道施工地面沉降和周邊管線沉降均小于10mm，沒有發(fā)生明顯的凍脹融沉，也沒有對周圍環(huán)境造成影響，實現(xiàn)了環(huán)境目標(biāo)。

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