凍結(jié)法加固技術(shù)在北京地鐵聯(lián)絡通道施工應用

李素霞LI Su-xia

（中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，濟南250000）

0 引言

為更好地保護北京市的水資源，減少水資源的浪費，保證土方開挖和結(jié)構(gòu)施工過程中的安全性，實現(xiàn)入水聯(lián)絡通道暗挖無水作業(yè)，對地下水超過聯(lián)絡通道開挖上半斷面時，采用凍結(jié)法止水加固方案。

1 工程概況

北京地鐵19 號線某區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，設(shè)獨立聯(lián)絡通道3 座，其中2 號聯(lián)絡通道兼泵房初支結(jié)構(gòu)高4.67m、寬3.7m，二襯結(jié)構(gòu)頂板、側(cè)墻厚度均為0.3m，底板厚度0.85m；2 號聯(lián)絡通道兼泵房主要穿越的土層為卵石圓礫⑦層、卵石圓礫⑨層；局部地段受相對隔水層粉質(zhì)黏土⑧層影響，卵石圓礫⑨層和粉細砂⑨2 層中水具有承壓性，承壓水頭最大2.50m，主要接受側(cè)向徑流補給，以側(cè)向徑流和向下越流為主要排泄方式。本層水位穩(wěn)定深度為24.8～28.5m，絕對標高為15.32～18.40m。

2 工藝選擇與設(shè)計參數(shù)

2.1 工藝選擇

由于北京地下水位逐年上漲，勘察時水位已不能作為參考依據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場實測，2 號聯(lián)絡通道兼泵房水位線位于頂板頂面以上0.311m。由于盾構(gòu)區(qū)間正線進入聯(lián)絡通道，施工作業(yè)面受管片影響較大，導致難以避免仰挖作業(yè)且凍結(jié)或注漿布管作業(yè)條件差，當?shù)叵滤^聯(lián)絡通道開挖上半斷面時，采用凍結(jié)法止水方案，所以2 聯(lián)絡通道兼泵房采用凍結(jié)法進行土體加固。

2.2 設(shè)計參數(shù)

凍結(jié)法主要涉及參數(shù)見表1。

3 土體冷凍加固施工

3.1 土體加固范圍

聯(lián)絡通道采用冷凍法進行加固，土體加固范圍如圖1所示。

表1 凍結(jié)法主要設(shè)計參數(shù)表

加固后的土體應具有良好的均勻性和自立性，加固體強度應達到0.5～0.8MPa，滲透系數(shù)≦1.0×10-8cm/s，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

3.2 凍結(jié)孔施工

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[1]。

3.2.1 凍結(jié)孔和測溫孔位置

凍結(jié)孔設(shè)計70 個，實際施工74 個，所有鉆孔深度均達到設(shè)計要求。測溫孔10 個，在右線線布置8 個，左線2個，深度2.0m，其中C8-C10 深度6.51m；卸壓孔布置4個，左右線各2 個。

3.2.2 凍結(jié)孔打壓試漏

所有凍結(jié)孔按設(shè)計及規(guī)范要求進行打壓試漏試驗，經(jīng)檢測74 個孔全部合格。

3.2.3 凍結(jié)孔測斜

圖1 土體凍結(jié)加固范圍

根據(jù)實際測斜情況，凍結(jié)孔開孔位置誤差小于100mm，達到設(shè)計要求，滿足施工需要。

3.3 管路連接、保溫與測試儀表

為確保隧道內(nèi)車輛及人員通行方便，隧道內(nèi)的鹽水管用管架敷設(shè)在隧道管片側(cè)面上并在聯(lián)絡通道位置搭設(shè)平臺?？紤]兩側(cè)隧道內(nèi)管片的散熱對凍結(jié)效果的影響，在左、右線隧道管片內(nèi)側(cè)安裝冷凍板，加強凍結(jié)。在凍結(jié)壁附近隧道管片內(nèi)側(cè)敷設(shè)保溫層，敷設(shè)范圍至設(shè)計凍結(jié)壁邊界外2m。保溫層采用導熱系數(shù)不大于0.04W/mk 的塑料保溫材料。

3.4 防腐、鉆孔補強

凍結(jié)孔管補強：凍結(jié)站拆除，回收供液管，放出CaCl2鹽水后，割去露出隧道管片的孔口管和凍結(jié)管，混凝土隧道管片上割除孔口管或凍結(jié)管深度要求進入管片大于60mm[2]。混凝土管片上割除孔口管或凍結(jié)管后留下的孔口立即用速凝堵漏劑封堵，并預埋注漿管進行注漿堵漏[3]。

4 凍結(jié)效果分析

4.1 凍結(jié)站運轉(zhuǎn)狀況

從2019年11月01日開機至12月05日已經(jīng)凍結(jié)35 天。運轉(zhuǎn)期間各設(shè)備運轉(zhuǎn)良好，沒有出現(xiàn)停電現(xiàn)象，沒有出現(xiàn)停機現(xiàn)象。

4.2 鹽水系統(tǒng)

4.2.1 凍結(jié)孔單孔流量

鹽水泵去路壓力0.4MPa，回路壓力0.22MPa，去回路壓差0.18MPa。鹽水管單孔平均流量最小可達6.5m3/h，滿足設(shè)計要求。

4.2.2 鹽水降溫情況

正式開機后，鹽水溫度去路12.0℃，回路14℃；開機7天后（11月08日）去路-26.7℃，回路-25.1℃；開機15 天后（11月16日）去路：-28.5℃，回路-27.5℃；從2019年11月14日至今，凍結(jié)系統(tǒng)已在-28.5℃以下運行，滿足設(shè)計對鹽水溫度的要求，且降溫趨線正常，圖2 為鹽水去回路溫度變化趨勢圖。

圖2 鹽水去回路溫度變化趨勢圖

4.3 凍結(jié)壁發(fā)展情況

4.3.1 各測溫孔溫度情況

對土體溫度監(jiān)測自冷凍開始之日起，測溫系統(tǒng)自動實時監(jiān)測，業(yè)主及監(jiān)理單位可以清晰直觀地看到實時溫度數(shù)據(jù)，圖3 為測溫孔內(nèi)測點溫度變化曲線。

通過測點溫度到達0℃的時間，推算凍土平均發(fā)展速度，獲得凍土帷幕擴展范圍[4]。目前所有測溫孔的測點均達到0℃以下。凍土外側(cè)發(fā)展速度（最小64.2mm/d，最大69.2mm/d），內(nèi)側(cè)發(fā)展速度（最小60mm/d，最大69.2mm/d）；現(xiàn)取最小最不利發(fā)展速度60mm/d，計算凍結(jié)35 天發(fā)展半徑達到2100mm。

4.3.2 凍土發(fā)展狀況

分別在通道的兩端和中部位置選取斷面進行凍結(jié)壁厚度的分析。凍結(jié)壁厚度達到設(shè)計及規(guī)范要求，滿足開挖需要。其中35 天時側(cè)墻最小凍土厚度達到1972mm，拱頂結(jié)構(gòu)開挖完后最小凍土保護層厚度達到2376mm[5]。

圖3 測溫孔溫度走勢圖

圖4 泄壓孔壓力變化曲線示意圖

4.3.3 凍土平均溫度計算

根據(jù)現(xiàn)場實測土體溫度，利用成冰公式推算特征截面凍結(jié)壁有效厚度和平均溫度列于表2。成冰公式：

式中，對于凍土帷幕，取tb=-28.5℃，L=0.9m，tn=-7.0℃，E=2.2m，計算得Tc=-10.72℃。根據(jù)成冰公式計算，凍結(jié)壁平均溫度為-10.66℃，低于設(shè)計-10℃的要求。

同理：式中，對于與管片交界面凍土帷幕溫度，取tb=-28.5℃，L=1.0m，tn=-5.0℃，E=2.2m，計算得Tc=-9.97℃。根據(jù)成冰公式計算，求得其管片壁后凍土帷幕平均溫度為-9.97℃＜-5℃（設(shè)計管片交界面凍土平均溫度），滿足設(shè)計要求。

表2 作圖法和成冰公式分析凍結(jié)壁有效壁厚和平均溫度匯總表

根據(jù)以上分析，凍結(jié)壁有效厚度大于2.2m，凍土平均溫度低于-10℃，符合設(shè)計要求，滿足施工需要。

4.4 卸壓孔左右線

4 個卸壓孔的原始地層壓力為0-0.1MPa，特別微弱。如圖4 所示，從11月18日前后開始泄壓孔壓力增長，11月29日壓力增長到0.21MPa 左右；為了防止凍脹力過大對管片造成損傷，開始對其進行卸壓，開閥后先是有泥沙流出，隨后變?yōu)榍逅?，流量逐漸變小，關(guān)閥后短時間內(nèi)未升壓，一段時間后壓力升至0.15MPa，圖4 為泄壓孔壓力變化曲線示意圖。 11月30日泄壓孔壓力漲至0.2MPa，對泄壓孔進行泄壓，開閥后有清水流出，流量逐漸變小，關(guān)閥后壓力短時間內(nèi)漲為0.1MPa。在12月02日開始將泄壓孔保持半敞開狀態(tài)，使其慢慢將凍結(jié)范圍內(nèi)的未凍水流出，截至目前泄壓孔已無流水。

從卸壓孔的壓力變化分析，該項目凍結(jié)交圈的時間為開機后18 天，由于水位位于上部兩排孔下，造成凍結(jié)膠圈后壓力沒有及時上漲，待凍結(jié)范圍內(nèi)水位凍漲至上部兩排孔后，泄壓孔才出現(xiàn)漲壓，在13-15 天左右交圈，凍結(jié)效果良好。凍結(jié)圍幕里土體有了一定的自立性。

4.5 探孔情況

開探孔，觀察地層情況，用鉆頭打入X2 孔內(nèi)1.0m 深，壁后地層穩(wěn)定，沒有涌水涌沙現(xiàn)象，地層穩(wěn)定性較好，孔內(nèi)無水流出，凍結(jié)效果良好。

5 開挖與構(gòu)筑

2 號聯(lián)絡通道兼泵房在施工過程中占用左線隧道，在開口處搭設(shè)型鋼操作平臺，利用左線隧道作為出渣和材料運輸?shù)耐ǖ?。根?jù)探孔情況確認達到設(shè)計凍結(jié)厚度后進行聯(lián)絡通道的開挖，自左線向右線進行施作。出渣及材料運輸過程中要注意對隧道內(nèi)鹽水管路的保護。

主要施工步驟：①開挖通道部分，采用全斷面開挖土方，嚴格按照開挖步距要求及初期支護要求，及時進行初期支護；②完成噴射混凝土后，鋪設(shè)防水層，施作正常段斷面的二次襯砌；③開挖泵房，架設(shè)鋼架支撐，施作初期襯砌；④完成噴射混凝土后，鋪設(shè)防水層，施作泵房二襯。

6 結(jié)論

凍結(jié)效果的成敗關(guān)鍵取決于凍結(jié)孔的施工，施工過程中必須控制凍結(jié)孔的施工精度，尤其本工程在砂卵石地層成孔較困難，對孔位偏差較大及打設(shè)困難無法鉆進的孔位需要及時糾偏或重新補打，以滿足凍結(jié)設(shè)計要求。

通過本項目聯(lián)絡通道凍結(jié)法施工完成情況，證明了對于入水深度較深的聯(lián)絡通道在砂卵石地層土體凍結(jié)法加固止水效果良好。開挖過程中掌子面土體凍結(jié)及凍結(jié)期間監(jiān)測數(shù)據(jù)情況良好，未發(fā)生任何質(zhì)量及安全事故。凍結(jié)法施工對環(huán)境無污染，符合目前不降水少降水及綠色環(huán)保要求的政策形勢。