人工凍結法在軟弱富水砂層地鐵聯(lián)絡通道施工中的應用

李宏飛

(中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030032)

在城市軌道建設中，據(jù)規(guī)范要求，兩條單線區(qū)間隧道需設置聯(lián)絡通道[1]，成為兩條隧道之間的通道，起到連通、排水、消防疏散、防火的作用。目前常見的橫通道施工前的加固方法有管棚法、深層攪拌樁法、人工凍結法等，其中人工凍結法是使用人工制冷技術，使地層中的水凍結，把天然巖土變成凍土以加強其強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系以便在凍結壁保護下進行施工。人工凍結法具有安全可靠、適應面廣、靈活性好的特點從而得到廣泛應用。

國內外學者對人工凍結法聯(lián)絡通道的施工進行了廣泛研究：20 世紀中葉，波蘭、德國等國家開始開展人工凍結法技術研究并運用于實際工程，1955 年我國首次采用凍結法在開灤林西風鑿井并取得成功，隨著我國地下空間迅速發(fā)展，2000 年以來人工凍結法在我國發(fā)展迅速。岳豐田[2]針對黃浦江底砂質粉土地層大斷面隧道聯(lián)絡通道施工的難題，采用凍結法進行施工，形成可靠凍結帷幕，有效保障施工安全；喬衛(wèi)國[3]以南京地鐵淤泥質粉質粘土地層聯(lián)絡通道冷凍法施工，對鹽水溫度等進行長期監(jiān)測，提出可靠施工建議；覃偉[4]采用雙隧道打孔凍結方案進行隧道冷凍施工，保障了南京地鐵2 號線砂土地層聯(lián)絡施工順利進行。

蘇州地鐵3 號線17 標方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡通道所處的地層主要為軟弱富水砂層，地層穩(wěn)定性差，易發(fā)生涌水冒砂、地層擾動過大影響施工安全，為保障施工進度及安全，連接通道施工采用人工凍結法。本文依托方青區(qū)間聯(lián)絡通道施工，確定了凍結孔的布置和凍結參數(shù)的選擇，通過現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析，對鹽水溫度、凍脹壓力、地表沉降等進行監(jiān)測分析，總結人工冷凍法凍結發(fā)展規(guī)律，為類似工程提高參考。

1 工程概況

蘇州市軌道交通3 號線包括兩座相鄰車站，為方灣街站和青劍路站，在3 號線工程方青盾構區(qū)間內，為了滿足區(qū)間緊急疏散和排水的要求，設置一處聯(lián)絡通道。聯(lián)絡通道所在土層主要為⑤1 粉質粘土及⑤1a 粉土夾粉砂層，隧底土層主要為⑤1 粉質粘土。工程范圍內涉及地下水主要為潛水。聯(lián)絡通道地層位置圖如圖1 所示。

聯(lián)絡通道地面南邊為某廠房，距離聯(lián)絡通道42m，北邊為某公司地面停車場，距離聯(lián)絡通道28m。聯(lián)絡通道及泵房對應地面南、北兩側均有有燃氣管道及自來水管道等且聯(lián)絡通道附近供水、燃氣管線較多，距離較近，施工時需注意對地下管線的保護，周邊情況具體分布如表1所示。

表1 聯(lián)絡通道附近構筑物及管線匯總表

2 工程主要風險分析及對策

1）開挖后軟弱富水砂層難以自穩(wěn)，地層穩(wěn)定性差，含水率大，易發(fā)生涌水、涌砂、地層擾動過大等問題，影響施工安全，必須對施工周邊土體進行加固以保障施工安全。經比選選擇冷凍法施工，并確定了“凍結法加固土體，礦山法開挖通道”的施工方案。人工冷凍法安全可靠，靈活性較好，可靈活繞開障礙物。

2）聯(lián)絡通道附近有供水、燃氣管線，施工時尤其是后期融沉注漿時需注意對管線的保護。

3）影響聯(lián)絡通道凍結帷幕穩(wěn)定性的因素較多，以土層凍結情況最為明顯[5]。本工程富水地層的特殊地質條件會加劇土層凍脹的情況，不利于隧道的穩(wěn)定性，故增設泄壓孔，加強對凍脹壓力的監(jiān)測，及時了解凍脹壓力的變化情況以做出相應對策。

3 凍結施工設計

3.1 凍結孔的布置

凍結孔按照上仰、近水平、下俯3 種角度布置在通道的四周，布設77 個凍結孔。其中凍結孔數(shù)左線隧道內58 個，右線隧道內19 個。設計測溫孔9個，其中左線2個，右線7個。卸壓孔4個，每側隧道各布置2 個。凍結孔、測溫孔布置如圖2 所示。

圖2 凍結孔、測溫孔布置圖

3.2 凍結參數(shù)

為更好選擇冷凍設備，提高冷凍效率，計算凍結站需冷量，凍結孔需冷量計算公式為

Q＝1.2πdHK

式中Q——凍結孔需冷量；

H——凍結總長度（含冷排管長度）；

d——凍結管直徑；

K——凍結管散熱系數(shù)，取250kcal/hm2。

計算得出，方青區(qū)間聯(lián)絡通道及泵房需冷量為7.08×104kcal/h。

據(jù)計算結果單個聯(lián)絡通道冷凍機房選用170WDEDD 型螺桿機組（標況制冷量11.7×104kcal/h）2 臺，其中1 臺備用。選用ISW150-315 型鹽水循環(huán)泵，單臺流量200m3/h，電機功率30kW。冷卻水循環(huán)選用IRG125-125 型清水泵2 臺，流量160m3/h，電機功率15kW。為提高冷卻效率，補充選用SLB-80 型冷卻塔2 臺。結合本區(qū)間軟弱富水砂層的特殊地質條件，積極凍結45d。

3.3 凍結開挖方式

聯(lián)絡通道采用礦山法施工，結構為復合式襯砌。聯(lián)絡通道設計凈寬為2.5m，凈高為2.75m，采用二次支護方式。采用C35 高性能防水混凝土，抗?jié)B等級為P10。襯砌采用二次襯砌方式，所有初期支護層厚度均為250mm。

4 凍結施工技術措施

凍結孔施工工序依次為：定位、開孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→封閉孔底部→測量→打壓試驗，具體如下。

1）定位開孔及孔口管安裝 按設計要求確定隧道段上各凍結孔的位置，然后用開孔器（配備金剛石鉆頭取心）按設計角度開孔。開口直徑為130mm，開孔深度為250mm 時，停止取芯，安裝孔口管。

2）孔口裝置安裝 用螺絲將孔口裝置安裝在閘閥上，同時安裝好密封墊片。

3）鉆孔 用1 臺MD-80 型鉆機鉆孔，按要求調整好鉆機位置并固定，將鉆頭裝入孔口裝置，將盤根輕壓入盤根盒內，采用干式鉆進，同時打開小閥門，隨時注意觀察出砂、出水情況，保證地面安全。

4）封閉孔底部 用絲堵封閉好孔底部。

5）測量 凍結管安裝完畢后，對凍結管長度進行復測，用燈光測斜儀進行測量。凍結孔允許偏斜率應不超過1%。

6）打壓試驗 把孔口進行封閉，用手壓泵打水到孔內，當壓力達到0.8MPa，并且不低于凍結工作面鹽水壓力的1.5 倍時，打壓結束，關閉閥門，觀測壓力的變化，30min 可減少0.05MPa，穩(wěn)定15min 壓力無變化者為試壓合格。

凍結孔施工完成后，采用跟管法鉆進技術鉆進凍結管，既減少了地層流出物的數(shù)量，也有利于控制地面沉降。

5 冷凍過程監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

5.1 鹽水溫度監(jiān)測分析

由熱力學基本定律可知：熱量是由高溫物體自發(fā)的傳遞到低溫物體。當?shù)蜏佧}水注入凍結孔后，土體中的熱量自發(fā)的源源不斷的傳遞至鹽水中，使得鹽水回路的溫度高于去路溫度。隨著鹽水的注入，土體凍結程度不斷發(fā)展，凍結壁厚度增加，土體溫度不斷降低。土體與鹽水之間熱量交換的頻率隨著土體和鹽水之間的溫差變小而緩慢降低（圖3）。

圖3 鹽水溫度監(jiān)測分析圖

蘇州市軌道交通3 號線工程17 標段方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡通道工程積極凍結15d后，鹽水回路溫度-29.9℃，去回路溫差穩(wěn)定在1.5℃以下，熱量交換速率明顯降低，凍結后去回路溫差總體上明顯呈降低趨勢，體現(xiàn)土體凍結程度迅速發(fā)展，凍結施工作用顯著。積極凍結45d 后鹽水溫度去路為-31.9℃，回路溫度-31.1℃，去回路溫差為0.8℃，溫差低于1.2℃，鹽水回路溫度降至-28℃以下，滿足設計要求，說明土層的熱負荷減少，凍土帷幕形成良好。

5.2 土體溫度監(jiān)測分析

1）測溫孔溫度分析 共設9 個測溫孔，其中左線布置2 個，右線布置7 個，采用C1-C9 表示。測溫孔內設有3～5 個測溫點。C9 用來測量上部喇叭口凍結帷幕發(fā)展情況，C3 用來測量右線底部喇叭口凍結帷幕發(fā)展情況，C1、C2、C4、C5、C6、C7 與凍結孔平行打設，用來測量凍結帷幕剖面發(fā)展情況。測溫孔凍結發(fā)展速度分析如表2 所示。

表2 測溫孔凍結發(fā)展速度一覽表

由表2可知：凍土最慢發(fā)展速度為30mm/d，以最慢發(fā)展速度凍結46d 凍土發(fā)展半徑r＝30×46＝1380mm。按最不利情況（半徑為1 380mm）計算的凍結帷幕發(fā)展半徑作凍結帷幕交圈圖可知，通道部位凍結帷幕最薄有效厚度為2 400mm，通道口凍結帷幕最薄有效厚度為2 363mm，凍結帷幕有效厚度大于設計要求，凍結帷幕厚度滿足設計要求，滿足開挖要求。

2）計算凍結帷幕平均溫度 依據(jù)《建井工程手冊》凍結施工成冰公式，對凍結帷幕的平均溫度計算如下

式中toc——按零度邊界線計算的凍結壁平均溫度；

tc——凍結壁平均溫度；

tb——鹽水溫度；

l——凍結孔間距；

E——凍結壁厚度；

tn——測點溫度。

計算得凍結帷幕有效厚度平均溫度為-12.02℃，低于設計-10℃，符合設計要求。

5.3 凍脹壓力監(jiān)測

陳肖柏[6]等認為形成凍土與土層性質、含水量、滲透性、凍結溫度和周圍壓力等因素有關。凍脹形成一般先是土層中孔隙水結冰產生基本凍脹，水變成冰其體積約增9%，而土體凍脹量約為3%，富水砂層中水體變形大，凍脹壓力更值得關注。在制冷劑作用下，聯(lián)絡通道土體產生變形，土層密封空間內凍脹變形會產生向外的凍脹壓力，各凍結孔之間的凍脹壓力交互使得凍脹壓力逐漸增大（圖4）。根據(jù)規(guī)范，泄壓孔壓力穩(wěn)定且泄壓孔中12h 無泥水流出，可以判定通道凍結壁開始交圈，滿足凍結施工條件。

圖4 凍脹壓力監(jiān)測圖

為明確軟弱富水砂層中聯(lián)絡通道的凍脹規(guī)律，在隧道旁通道共布設4 個泄壓孔，其中右線為X1 和X2，左線為X3 和X4。開始凍結時泄壓孔的初始壓力全部為0，22d 后泄壓孔X2 壓力發(fā)生突變，迅速上漲到0.15MPa；泄壓孔X4 變化增大較慢，31d 時壓力上漲到0.15MPa。30d 后，各泄壓孔壓力均達到0.15MPa。

通過對泄壓孔的觀察，22d 后泄壓孔中無泥水流出，泄壓孔壓力保持穩(wěn)定。通過對測溫孔和卸壓孔的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，得出凍土帷幕交圈前后的溫度發(fā)展規(guī)律，滿足凍結施工條件。

6 結論

1）蘇州市軌道交通3 號線工程17 標段方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡通道工程，鉆孔數(shù)量和質量符合要求，凍結過程良好，與工程同步進行了凍結溫度、凍土壓力、隧道變形的監(jiān)測，得到了土體凍結的一些規(guī)律，指導了工程施工。

2）凍結46d 后，凍結壁厚度滿足設計要求，凍結壁平均溫度滿足設計要求，鹽水去回路溫差滿足設計要求，泄壓孔壓力穩(wěn)定，凍結壁開始交圈，已具備開挖條件。

本工程成功使用人工凍結法在軟弱富水粉砂層中完成凍結施工，為類似軟弱富水地層中人工凍結法施工提供經驗參考。