超長聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)加固技術(shù)探討

何 偉 翟永亮

(1.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000； 2.鄭州市第一建筑工程集團有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

人工凍結(jié)技術(shù)在地鐵聯(lián)絡(luò)通道加固中得到越來越多的應(yīng)用[1]。聯(lián)絡(luò)通道工程是地鐵隧道中的一個重要組成部分，兼顧區(qū)間隧道的安全疏散和排水功能，同時聯(lián)絡(luò)通道施工也具有較高的安全風(fēng)險[2]。目前國內(nèi)主要地鐵區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道多采用地層加固+礦山法構(gòu)筑的設(shè)計方案，當(dāng)?shù)罔F隧道所處的地層為軟土含水地層，且地面不具備良好的加固條件時，往往采用洞內(nèi)水平凍結(jié)加固的方法[3,4]；如上海、杭州、南京、天津等多地均有較多應(yīng)用，且安全可靠，具有無法取代的優(yōu)越性。常規(guī)聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)加固設(shè)計和施工技術(shù)均已較為成熟，但是超長、超埋深、地質(zhì)情況復(fù)雜條件下的聯(lián)絡(luò)通道施工工程，仍面臨著亟待解決的困難和問題[5]。本文就針對鄭州市地鐵5號線某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程為例，對地質(zhì)條件復(fù)雜、超長不對稱聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)計和施工作一介紹。

2 項目概況

鄭州市軌道交通5號線金水東路站—鄭州東站區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道2座，本項目為2號聯(lián)絡(luò)通道，左右線間距32.79 m，聯(lián)絡(luò)通道中心埋深26.5 m，聯(lián)絡(luò)通道所在位置左右線隧道均為圓曲線段。采用“洞內(nèi)凍結(jié)法+礦山法施工”。聯(lián)絡(luò)通道開孔位置均采用鋼管片拼裝。盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)徑5.5 m，管片厚度350 mm。2號聯(lián)絡(luò)通道由與隧道鋼管片相連的喇叭口、水平通道和泵站構(gòu)成。通道主體結(jié)構(gòu)為直墻拱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體開挖尺寸為：通道開挖尺寸為：26.937 m(長)×4.3 m(寬)×4.55 m(高)。

該聯(lián)絡(luò)通道上方為綠地，周邊主要構(gòu)筑物為市政道路和高架橋，其中地面上部距離匝道橋墩水平距離僅為18 m，風(fēng)險等級為一級。聯(lián)絡(luò)通道及泵房處的土層自上而下依次為②36C粉砂、②51細(xì)砂、②51B粘質(zhì)粉土、②51A粘質(zhì)粉土、②52細(xì)砂、③23粉質(zhì)黏土。聯(lián)絡(luò)通道所處位置地下水共分兩層，第一層地下水呈局部分布，主要位于區(qū)間北端，靠近金水東路站，其穩(wěn)定水位埋深為9.8 m，高程為77.70 m，主要賦存于②34粘質(zhì)粉土中，預(yù)計水量不大；第二層地下水穩(wěn)定水位埋深為15.8 m～18.5 m，高程為69 m～71.11 m，主要賦存于②36C層粉砂和②51層細(xì)砂和②52層細(xì)砂層中。

3 施工風(fēng)險評估與分析

這種超長聯(lián)絡(luò)通道的水平凍結(jié)，在國內(nèi)少見，缺少類似經(jīng)驗，存在以下風(fēng)險因素：

1)超長隧道不宜凍結(jié)。一般聯(lián)絡(luò)通道處的主隧道間距12 m～15 m，凈距6 m～9 m，而本聯(lián)絡(luò)通道長度達(dá)到凈間距26 m，屬于超長旁通道，鉆孔和開挖中小量的誤差會累積成超標(biāo)的誤差，凍結(jié)就很難交圈；同時凍結(jié)孔成孔難度較大，如果凍結(jié)壁存在薄弱處，開挖時就可能涌水涌砂造成通道坍塌等安全事故。

2)左右線隧道不是平行隧道。該聯(lián)絡(luò)通道位于盾構(gòu)主隧道的平面圓曲線處，兩側(cè)隧道不平行，右線鉆孔需打斜孔，鉆孔容易出現(xiàn)偏差；結(jié)構(gòu)也不是垂直于隧道管片，管片與凍結(jié)帷幕相交處不易膠結(jié)。

3)聯(lián)絡(luò)通道位于細(xì)砂層和粉土層交界處，埋深大，鉆孔過程中易發(fā)生涌水涌砂，如不安裝有效密封裝置，將引起大量冒砂，危及區(qū)間隧道安全。

4)凍結(jié)過程中，突發(fā)機械故障或停電，造成凍結(jié)站停機，凍結(jié)壁融化。旁通道較長，相應(yīng)工程量和工期較長，必須保障冷凍設(shè)備的正常運行。

4 超長聯(lián)絡(luò)通道水平凍結(jié)加固設(shè)計

4.1 凍結(jié)孔布置原則及設(shè)置

針對本聯(lián)絡(luò)通道特點，隧道長度大，如想滿足凍結(jié)帷幕厚度和管片交界面封水的效果，采用常規(guī)在隧道一側(cè)為主布孔的方案是不可行的。因此為保證有效凍結(jié)，凍結(jié)孔采用左右線隧道對稱布置的形式，分上仰、水平、下俯三種角度布置，共布置凍結(jié)孔132個，左線布置57個，右線布置55個，總長度1 525.918 m；測溫孔布置12個，長度2 m～14 m；卸壓孔布置在凍結(jié)帷幕封閉區(qū)域內(nèi)，左線、右線各2個，長度13 m，均對稱布置。凍結(jié)孔采用φ89×8 mm無縫鋼管。

4.2 凍結(jié)壁設(shè)計

考慮聯(lián)絡(luò)通道開挖構(gòu)筑時間長，將本通道及泵房處凍結(jié)厚度定為2.3 m。同時將凍土平均溫度設(shè)定為不大于-10 ℃；凍結(jié)壁交圈后的溫度分布可簡化為穩(wěn)態(tài)溫度場計算。積極凍結(jié)期間，在凍結(jié)區(qū)附近200 m范圍內(nèi)不得采取降水措施。同時在凍結(jié)壁附近隧道的管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)50 mm厚泡沫板保溫層，敷設(shè)范圍不得小于凍結(jié)壁邊界外1 m。凍結(jié)時間貫穿聯(lián)絡(luò)通道、泵房開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始末。停機時間以混凝土強度達(dá)到設(shè)計值、凍結(jié)帷幕平均溫度達(dá)到-10 ℃且計算厚度達(dá)到要求為準(zhǔn)。開挖前凍土強度的設(shè)計指標(biāo)為：單軸抗壓4.0 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa(-10 ℃)。

4.3 需冷量計算和設(shè)備選型

1)需冷量計算。

凍結(jié)管的散熱系數(shù)取250 kcal/(m2·h)，冷量損失系數(shù)取1.4，采用Q=1.4πdHK，計算得凍結(jié)需冷量為：14.939×104kcal/h。其中左線57個凍結(jié)孔，凍結(jié)管長度812.872 m，需冷量為：Q=1.4πdHK=7.95×104kcal/h。右線55個凍結(jié)孔，凍結(jié)管長度713.086 m，需冷量為：Q=1.4πdHK=6.97×104kcal/h。

其中，Q為泵房凍結(jié)孔需冷量；H為單個泵房凍結(jié)管總長度；d為凍結(jié)管直徑；K為凍結(jié)管散熱系數(shù)。

2)凍結(jié)制冷設(shè)備選型及布置。

冷凍機組選用W-YSLGF300型，單臺冷凍機實際工況制冷量8.5萬kcal/h，為滿足本項目凍結(jié)所需計算制冷量，需要選用2臺冷凍機同時運行。為保障設(shè)備突發(fā)故障下能連續(xù)凍結(jié)，采取“一用一備”的方案，配備4臺冷凍機組，總裝機功率440 kW。為提高凍結(jié)站效率，減少因鹽水干管線路太長而帶來的熱量損失，將凍結(jié)站設(shè)置在左右線的隧道內(nèi)，制冷效果好，節(jié)約用電。

3)其他管路及設(shè)備選擇。

鹽水干管和集配液管均選用φ159×5 mm無縫鋼管，冷卻水管選用φ127×5 mm鋼管。供液管選用φ38×4 mm白色硬塑料管。冷凍排管及泄壓管均選用φ45×3 mm無縫鋼管，測溫孔淺孔采用φ32×3 mm，超過3 m的采用φ89×8 mm鋼管。

每個凍結(jié)站配備鹽水箱1個，容積4.5 m3；冷卻水箱1個，容積8 m3。制冷劑選用氟立昂R22制冷劑。冷媒劑用氯化鈣溶液作為冷凍循環(huán)鹽水。鹽水比重為1.26。凍結(jié)制冷施工冷卻水補充量為15 m3/h。

5 水平凍結(jié)施工及效果分析

5.1 積極凍結(jié)

凍結(jié)系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試和試運轉(zhuǎn)正常后即可進(jìn)入積極凍結(jié)階段，此階段為凍結(jié)帷幕的形成階段，積極凍結(jié)期鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃，設(shè)計凍結(jié)時間45 d～50 d，凍結(jié)孔單孔流量不應(yīng)小于5 m3/h，積極凍結(jié)7 d鹽水溫度下降至-18 ℃以下；積極凍結(jié)15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下；開挖時鹽水溫度降至-28 ℃以下，去、回路鹽水溫度不大于2 ℃以上。

在積極凍結(jié)過程中，要根據(jù)實測鹽水、測溫孔溫度及泄壓孔壓力數(shù)據(jù)判斷凍土帷幕是否交圈,并推算凍土平均發(fā)展速度，計算凍結(jié)壁是否達(dá)到設(shè)計厚度，正式開挖前要在凍結(jié)區(qū)域內(nèi)開探孔驗證凍土溫度及凍結(jié)壁厚度，確認(rèn)凍土帷幕達(dá)到設(shè)計要求且凍結(jié)帷幕內(nèi)的土層基本無壓力后再進(jìn)行正式開挖。凍土發(fā)展半徑(mm)=最慢發(fā)展速度(mm/d)×凍結(jié)天數(shù)(d)，發(fā)展速度=距最近凍結(jié)孔距離/降到0 ℃天數(shù)。

5.2 維護凍結(jié)

在積極凍結(jié)過程中，測溫判斷凍結(jié)帷幕交圈并達(dá)到設(shè)計厚度且與隧道完全膠結(jié)后，可進(jìn)入維護凍結(jié)階段。維護凍結(jié)期溫度低于-25 ℃，凍結(jié)時間貫穿泵房開挖和主體結(jié)構(gòu)施工始終。

5.3 凍結(jié)效果

該聯(lián)絡(luò)通道開始正式凍結(jié)后，冷凍機組運行6 d后鹽水溫度降至-28 ℃，之后冷凍鹽水溫度持續(xù)在-28 ℃～-32 ℃，凍結(jié)孔單孔流量5.6 m3/h，凍結(jié)34 d后凍結(jié)帷幕交圈，凍結(jié)45 d后凍結(jié)帷幕最小厚度2.35 m，左線喇叭口處凍結(jié)帷幕厚度2.28 m，右線喇叭口處凍結(jié)帷幕厚度2.46 m，凍結(jié)帷幕平均溫度-11.8 ℃，帷幕與盾構(gòu)管片相接處膠結(jié)情況良好。聯(lián)絡(luò)通道開挖后，歷時52 d完成超長聯(lián)絡(luò)通道和泵房的開挖支護及二次襯砌施工，凍結(jié)效果良好，整個維護凍結(jié)期間未發(fā)生任何安全事故，凍結(jié)效果達(dá)到設(shè)計預(yù)期。

1)凍結(jié)帷幕溫度變化速率。

為了更好地監(jiān)控凍結(jié)加固區(qū)域不同時期不同深度土體溫度變化，在左右隧道各布置6個測溫度，其中左線C1～C4測孔深度2 m，C5,C6測孔深度13.5 m；右線C7,C8測孔深度14 m，C9～C12測孔深度14 m。測孔平均溫度監(jiān)測結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可知，在積極凍結(jié)初期，凍結(jié)區(qū)土體溫度下降趨勢成線性，當(dāng)土體溫度低于冰點后，下降速率放緩，分析為土體內(nèi)液態(tài)水發(fā)生相變吸收大量能量所致，凍結(jié)壁交圈后帷幕區(qū)溫度繼續(xù)下降，下降梯度減??；聯(lián)絡(luò)通道開挖構(gòu)筑期間，土體溫度變化不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)凍結(jié)和開挖施工期間的地表沉降。

凍結(jié)期間必須對已建成的隧道和地表及周邊環(huán)境進(jìn)行變形監(jiān)測，凍結(jié)和融化勢必會造成土體的凍漲和沉降，本項目在整個施工過程中，對聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工影響范圍內(nèi)的地表進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測，積極凍結(jié)期間地表隆起不明顯，礦山法開挖及融沉階段，采取了分階段注漿的方式，地表最大沉降量12 mm，滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

6 結(jié)語

本文針對鄭州地鐵5號線某區(qū)間超長不平行聯(lián)絡(luò)通道為工程案例，對凍結(jié)孔布置、冷凍機組選擇、凍結(jié)帷幕強度和凍結(jié)時間、鹽水溫度要求等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并通過實施取得了很好的效果，通道開挖構(gòu)筑期間未發(fā)生任何滲漏水現(xiàn)象。主要得出如下結(jié)論：

1)對于超長聯(lián)絡(luò)通道的水平凍結(jié)加固，凍結(jié)孔宜從隧道兩側(cè)對稱布置，以保證凍結(jié)帷幕交圈時間和凍結(jié)壁形成效果；冷凍站在有條件的情況下宜布置在隧道內(nèi)，減少凍結(jié)干管長度，減少冷量損失；

2)凍結(jié)期間應(yīng)對凍結(jié)區(qū)凍土溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，凍結(jié)孔設(shè)置的位置應(yīng)具有代表性，能夠監(jiān)測距離凍結(jié)管最遠(yuǎn)處的區(qū)域，測溫孔內(nèi)每隔0.5 m～1.0 m設(shè)置一個測量點，減少測溫盲點；

3)從測量孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，凍結(jié)前期加固土體溫度下降速率較快，在接近冰點后會有一個小幅度減緩期，然后繼續(xù)下降，達(dá)到設(shè)置凍結(jié)溫度后，在不改變冷媒介質(zhì)的狀況下，凍結(jié)壁溫度趨于穩(wěn)定；

4)由于凍脹力和凍土融沉的作用，影響周圍土層的力系平衡，使隧道產(chǎn)生水平位移和沉降，故在整個施工過程中，須加強隧道變形的監(jiān)測，做好融沉控制，確保隧道和管線安全。