復(fù)雜條件下地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)研究

摘" 要：凍結(jié)法利用凍結(jié)管將低溫傳遞到地下巖土體中對(duì)天然巖土體進(jìn)行凍結(jié)，可提高開挖區(qū)域的圍巖強(qiáng)度和防水性能，并提高圍巖的自穩(wěn)能力，保證施工的安全性。該工法憑借強(qiáng)度高、隔水性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)目前在地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道的施工中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，尤其是在軟弱地層中。該文以武漢軌道交通5號(hào)線某區(qū)間隧道的聯(lián)絡(luò)通道為例，介紹凍結(jié)法加固方案，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)該區(qū)間凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施，以期為類似工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)法；區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道；凍結(jié)加固；施工風(fēng)險(xiǎn)；地鐵隧道

中圖分類號(hào)：U231.3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）16-0158-04

Abstract： The freezing method uses the frozen pipe to transfer the low temperature to the underground rock and soil to freeze the natural rock and soil， which can improve the strength and waterproof performance of the surrounding rock in the excavation area， improve the self-stability of the surrounding rock， and ensure the safety of construction. With the advantages of high strength， good water insulation and strong adaptability， this method has been widely used in the construction of connecting passage of subway tunnel， especially in soft stratum. Taking the connecting passage of an interval tunnel of Wuhan Rail Transit Line 5 as an example， this paper introduces the reinforcement scheme of freezing method， analyzes the construction risk of freezing method combined with practical engineering experience， and puts forward risk control measures， in order to provide reference for similar projects.

Keywords： freezing method; interval connection passage; freezing reinforcement; construction risk; subway tunnel

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城鎮(zhèn)人口不斷增加，導(dǎo)致地面空間緊缺。為緩解城市地面空間緊缺帶來的交通擁堵問題，地鐵建設(shè)正迅猛發(fā)展[1]。聯(lián)絡(luò)通道在地鐵規(guī)劃設(shè)計(jì)中起到連接上下行隧道的作用[2]。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道位于富水軟弱地層中時(shí)，其施工可能帶來地表沉降、管線變形等問題。為解決此問題，需要對(duì)軟弱地層進(jìn)行加固處理，以滿足施工安全要求[3]。凍結(jié)法是一種將凍結(jié)管中的低溫傳遞給地下巖土體，從而將天然巖土體變成凍土的方法。該方法具有強(qiáng)度高、隔水性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可提高軟土地層中開挖區(qū)域的圍巖強(qiáng)度和防水性能，提高圍巖的自穩(wěn)能力，保證施工的安全性，因此在礦山工程和地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中被廣泛使用[4-10]。仇培云等[11]介紹了我國(guó)首個(gè)使用水平凍結(jié)法進(jìn)行大斷面長(zhǎng)距離聯(lián)絡(luò)通道施工的成功范例——上海大連路越江隧道聯(lián)絡(luò)通道，并基于監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)凍脹壓力、凍土壓力、隧道變形的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。孫成偉等[12]基于廣州地鐵某盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工的成功案例，介紹了凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)及信息化監(jiān)測(cè)等施工技術(shù)。楊平等[13]基于軟土地層中隧道聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工案例，對(duì)凍結(jié)溫度場(chǎng)、解凍溫度場(chǎng)、地表變形、深層土體凍脹融沉及溫度變化規(guī)律等進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)凍結(jié)壁的形成及解凍全過程進(jìn)行了分析。

本文以武漢軌道交通5號(hào)線和平公園站—紅鋼城站區(qū)間隧道的聯(lián)絡(luò)通道為例，介紹了凍結(jié)法加固方案，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)該區(qū)間凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，可為類似工程提供參考。

1" 工程概況

武漢市軌道交通5號(hào)線工程第七標(biāo)段和平公園站—紅鋼城站區(qū)間沿和平大道地下敷設(shè)，采用盾構(gòu)法施工，為了滿足區(qū)間緊急疏散和給排水的要求，區(qū)間設(shè)2處聯(lián)絡(luò)通道。本文主要介紹2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）施工技術(shù)。

和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）位于粉砂層中，頂覆土厚度約18.6 m，處地面標(biāo)高22.0 m，聯(lián)絡(luò)通道與左、右線隧道中心相交的里程分別為DK25+630.454、DK25+628.000，隧道中心距為24.49 m。該場(chǎng)地工程地質(zhì)條件較差，含承壓水，Ⅰ級(jí)階地全新統(tǒng)孔隙水的承壓性與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，長(zhǎng)江水位高于地下水位時(shí)，補(bǔ)給地下水；長(zhǎng)江水位低于地下水位時(shí)，地下水補(bǔ)給江水，季節(jié)變化明顯，承壓水位年變幅為3～4 m。場(chǎng)地周圍存在大量地下管線，臨近磚混結(jié)構(gòu)住宅和高架橋墩，施工條件復(fù)雜。經(jīng)論證，決定采用凍結(jié)法對(duì)其進(jìn)行施工。

2" 凍結(jié)加固方案

2.1" 凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)

和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕厚度大于等于2.2 m。凍結(jié)壁與隧道管片交界面平均溫度小于等于-5 ℃，其他部位凍結(jié)壁平均溫度小于等于-10 ℃。具體要求如下。

1）凍結(jié)帷幕需要有足夠的強(qiáng)度來保證通道施工過程中不會(huì)出現(xiàn)破壞。凍結(jié)帷幕凍土強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

2）由于凍結(jié)帷幕周圍水流的存在會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)帷幕出現(xiàn)薄弱點(diǎn)，凍結(jié)施工時(shí)，需要保證凍結(jié)范圍內(nèi)土層中無(wú)集中水流，且凍結(jié)區(qū)周圍200 m范圍不可降水，以免凍結(jié)帷幕出現(xiàn)薄弱點(diǎn)影響施工質(zhì)量。

3）為使冷卻鹽水的冷凍溫度集中在凍結(jié)帷幕附近，需要將厚度不小于30 mm的阻燃塑料泡沫保溫層敷設(shè)在凍結(jié)帷幕附近的隧道管片內(nèi)側(cè)，從而增強(qiáng)保溫效果。

2.2" 孔位布置

2.2.1" 凍結(jié)孔布置

和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）凍結(jié)孔采取從左、右線隧道兩側(cè)打孔的方式，按上仰、水平、下俯3種角度進(jìn)行布置。此外，在對(duì)側(cè)隧道敷設(shè)5排冷凍排管以加強(qiáng)管片處的保溫效果，提高凍結(jié)效率。聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）一共設(shè)置凍結(jié)孔73個(gè)，其中主孔面57個(gè)，輔孔面16個(gè)。凍結(jié)管詳見表2。

2.2.2" 測(cè)溫孔布置

凍結(jié)帷幕范圍內(nèi)的溫度發(fā)展不一致會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)凍結(jié)薄弱點(diǎn)。為避免凍結(jié)薄弱點(diǎn)的出現(xiàn)，對(duì)凍結(jié)帷幕的溫度進(jìn)行測(cè)量，通過不同部位的溫度情況指導(dǎo)施工決策，在發(fā)現(xiàn)異常后及時(shí)采取控制措施。和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）布置有10個(gè)測(cè)溫孔，其中主孔面2個(gè)，輔孔面8個(gè)，每個(gè)測(cè)溫孔布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)溫孔布置在凍結(jié)薄弱環(huán)節(jié)，為防止地層中的水流入測(cè)溫孔中，選用Φ50×4 mm無(wú)縫鋼管，管前端密實(shí)焊接，測(cè)溫管詳見表3。

2.2.3" 卸壓孔布置

為了直觀監(jiān)測(cè)凍結(jié)帷幕內(nèi)的壓力變化情況，在和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）相應(yīng)土層的中下部布置4個(gè)卸壓孔，左右線各2個(gè)。通過壓力表讀數(shù)，可及時(shí)判斷凍結(jié)帷幕的形成[14]，并且可釋放凍脹壓力。為了確保凍結(jié)帷幕內(nèi)壓力的有效傳遞，在土體段管壁上鉆若干孔，呈梅花狀分布。

2.3" 凍結(jié)參數(shù)

和平公園站—紅鋼城站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）的凍結(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)見表4。

3" 施工風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

3.1" 凍結(jié)法施工風(fēng)險(xiǎn)

3.1.1" 凍結(jié)孔施工風(fēng)險(xiǎn)分析

由于工法本身特點(diǎn)和軟弱地層的原因，導(dǎo)致凍結(jié)法施工過程中具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)凍結(jié)孔施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)有以下5點(diǎn)。

1）凍結(jié)孔施工質(zhì)量會(huì)對(duì)后續(xù)工作產(chǎn)生影響。若凍結(jié)帷幕周圍地層中存在水流，鉆孔施工時(shí)孔口處涌水導(dǎo)致水土流失過多，會(huì)破壞周圍地層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，對(duì)周圍土層造成擾動(dòng)，降低鉆孔施工質(zhì)量。

2）保證凍結(jié)管的完整和接縫密實(shí)對(duì)凍結(jié)帷幕的形成十分重要。若凍結(jié)管接縫的密實(shí)程度不夠，或者凍結(jié)管因?yàn)橥獠吭虬l(fā)生損壞，凍結(jié)過程中鹽水會(huì)泄漏進(jìn)入周圍地層，會(huì)影響凍結(jié)效果，導(dǎo)致凍結(jié)帷幕難以形成。

3）凍結(jié)孔未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)材料施工而出現(xiàn)偏移，導(dǎo)致某些部位地層凍結(jié)效果不達(dá)標(biāo)，從而使凍結(jié)帷幕中存在凍結(jié)薄弱的區(qū)域。

4）凍結(jié)孔施工過程中，若周圍地層水土流失過多，會(huì)破壞地層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致施工區(qū)域地表沉降過大。

5）聯(lián)絡(luò)通道及泵房埋深較深的情況下，開孔時(shí)易出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，對(duì)施工造成一定的困難。

3.1.2" 開挖與構(gòu)筑施工風(fēng)險(xiǎn)分析

凍結(jié)工作完成后，即可進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道開挖和構(gòu)筑物施工。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)開挖與構(gòu)筑施工風(fēng)險(xiǎn)有如下2點(diǎn)。

1）聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）開挖導(dǎo)致凍結(jié)帷幕變形甚至破壞。開挖后，地層結(jié)構(gòu)被破壞，周圍地層中的應(yīng)力分布情況發(fā)生變化。地層中應(yīng)力的重分布會(huì)使上部地層發(fā)生一定范圍內(nèi)的位移，還會(huì)將新的荷載附加到已經(jīng)形成的凍結(jié)帷幕上，致使凍結(jié)帷幕發(fā)生蠕變。當(dāng)凍結(jié)帷幕的蠕變變形量過大，對(duì)凍結(jié)管的擠壓作用超出了凍結(jié)管的承受極限時(shí)，凍結(jié)管發(fā)生斷裂，鹽水泄漏導(dǎo)致凍結(jié)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

2）凍結(jié)帷幕存在薄弱點(diǎn)而引發(fā)流水、流泥甚至坍塌。若凍結(jié)帷幕各凍結(jié)部分增長(zhǎng)速度不一致、凍結(jié)土體周圍有暗流、凍結(jié)管未密封或破裂導(dǎo)致鹽水進(jìn)入凍結(jié)土體范圍內(nèi)、凍結(jié)帷幕存在大量超挖凍土或凍結(jié)帷幕與管片后方存在空腔，都會(huì)產(chǎn)生凍結(jié)薄弱點(diǎn)，引起泥、水流出，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致通道坍塌。

3.2" 施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

3.2.1" 凍結(jié)孔施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)凍結(jié)孔施工過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下4條應(yīng)對(duì)措施。

1）若凍結(jié)孔周圍地層不穩(wěn)定，會(huì)對(duì)凍結(jié)施工造成困難。因此，凍結(jié)孔施工前，需要在凍結(jié)孔施工范圍內(nèi)先打探孔（Φ38 mm）來判斷周圍地層是否穩(wěn)定及是否有可能出現(xiàn)涌水、涌沙現(xiàn)象。

2）凍結(jié)孔施工過程中，若有大量泥漿涌出，會(huì)破壞周圍地層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起地表沉降。為控制凍結(jié)孔施工過程中泥漿涌出，將凍結(jié)孔開孔分2次進(jìn)行。第一次用金剛石取芯鉆頭，鉆頭進(jìn)入管片300 mm后安裝孔口管及密封裝置。第二次在密封裝置的保護(hù)下鉆頭穿透管片后，及時(shí)密封孔口。必要時(shí)可封閉涌水涌砂的鉆孔，使用孔口旁通閥注漿。

3）在鉆孔過程中，若水土流失過于嚴(yán)重，會(huì)破壞周圍地層結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致地表發(fā)生沉降。因此，需要將鉆孔過程中的水土流失體積控制在不大于所有凍結(jié)管的體積總和范圍內(nèi)。若水土流失體積過大，可在成孔后及時(shí)向土體充填單液水泥漿，防止地層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

4）鉆孔實(shí)際施工情況與設(shè)計(jì)情況不符或鉆孔質(zhì)量低，會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)帷幕質(zhì)量降低，造成不必要的損失。因此，為保證鉆孔實(shí)際施工情況不偏離設(shè)計(jì)材料，在施工前，需要對(duì)凍結(jié)孔的長(zhǎng)度、角度進(jìn)行校核并記錄。施工過程中，要保證凍結(jié)管的焊接質(zhì)量合格才可繼續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)結(jié)束后，及時(shí)對(duì)凍結(jié)孔進(jìn)行測(cè)斜、打壓檢漏試驗(yàn)來復(fù)測(cè)鉆孔深度，保證鉆孔質(zhì)量。

3.2.2" 開挖與構(gòu)筑施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了如下開挖與構(gòu)筑施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。

1）凍結(jié)帷幕出現(xiàn)薄弱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)管破裂甚至凍結(jié)帷幕破壞。對(duì)于因地層或施工因素導(dǎo)致的凍結(jié)帷幕薄弱點(diǎn)，在凍結(jié)孔施工期間和凍結(jié)期間要及時(shí)采取措施對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行控制，以避免造成進(jìn)一步的破壞。為確保凍結(jié)帷幕的有效厚度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，開挖過程中不得超挖。

2）凍結(jié)孔位置出現(xiàn)偏離會(huì)導(dǎo)致部分區(qū)域溫度難以達(dá)到凍結(jié)溫度，形成凍結(jié)帷幕薄弱區(qū)。為避免形成薄弱區(qū)，可通過在可能的凍結(jié)最薄弱部位打探孔來確定凍土強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，再進(jìn)行下一步施工。

3）在聯(lián)絡(luò)通道（兼泵房）開挖過程中，若凍結(jié)帷幕因?yàn)榇嬖诒∪鯀^(qū)或周圍地層應(yīng)力重分布而發(fā)生變形，會(huì)造成不必要的損失。因此，需要按照監(jiān)測(cè)要求及時(shí)檢測(cè)凍結(jié)帷幕的變形，根據(jù)變形情況及時(shí)調(diào)整初期支護(hù)方式。

4）初支和凍結(jié)壁之間的空隙也會(huì)導(dǎo)致凍結(jié)壁的變形。因此，加強(qiáng)初期支護(hù)壁后方的充填密實(shí)度，保證凍結(jié)壁與初期支護(hù)層之間無(wú)間隙，可在一定程度上控制凍結(jié)帷幕的變形。

5）施工過程中若發(fā)現(xiàn)凍結(jié)帷幕變形量過大，則需要在減少聯(lián)絡(luò)通道開挖步距的同時(shí)，進(jìn)一步加強(qiáng)凍結(jié)強(qiáng)度，并縮短初期支護(hù)間距。若施工過程中發(fā)現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象，則采用棉絮、雙快水泥等及時(shí)充填，防止其擴(kuò)大導(dǎo)致通道周圍土體坍塌。

4" 結(jié)束語(yǔ)

武漢軌道交通5號(hào)線和平公園站—紅鋼城站區(qū)間工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，周圍分布民用建筑、高架橋墩和大量地下管線，施工條件復(fù)雜。凍結(jié)法被成功應(yīng)用于此聯(lián)絡(luò)通道施工中，施工風(fēng)險(xiǎn)得到有效控制，工程順利完工。說明凍結(jié)法在復(fù)雜條件下的地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工中具有一定的優(yōu)越性，可為類似條件下的聯(lián)絡(luò)通道施工提供一定的參考。

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