富水砂層聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計與施工

摘 要：隨著地鐵建設(shè)，凍結(jié)法已在富水區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道中得到較為廣泛的應(yīng)用。該文以太原市軌道交通1號線一期工程首次下穿汾河的迎澤橋西站—桃園站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道為例，分析和總結(jié)富水砂層聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)，包括地層凍結(jié)加固、開挖與構(gòu)筑施工、凍脹與融沉控制措施等。結(jié)論表明，凍結(jié)法在富水砂層聯(lián)絡(luò)通道中施工安全可靠，凍脹和融沉可控，降低對周邊建（構(gòu)）筑物的影響，可為類似的地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道建設(shè)提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：凍結(jié)法；富水砂層；地鐵區(qū)間；聯(lián)絡(luò)通道；施工技術(shù)

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0145-05

Abstract： With the subway construction， the freezing method has been widely used in the water-rich section. This paper takes the Yingze Bridge West Station-Taoyuan Station in the first phase of Taiyuan Rail Transit Line 1 project as an example， analyzes and summarizes the key technologies of the design and construction of the connection channel of water-rich sand layer， including stratum freezing reinforcement， excavation and construction construction， frost heave and thaw settlement control measures， etc. The conclusion shows that the construction of the freezing method in the contact passage of water-rich sand layer is safe and reliable， and the frost heave and thaw settlement can be controlled， which reduces the influence on the surrounding structures， and can provide reference for similar subway section connection channel construction.

Keywords： freezing method; water-rich sand layer; subway section; contact passage; construction technology

聯(lián)絡(luò)通道是設(shè)置在隧道之間的橫向通道，它是隧道工程的重要組成部分，具有緊急疏散和匯集、排放積水的雙重功能[1]。聯(lián)絡(luò)通道施工方法主要有攪拌樁加固暗挖法、機械法以及凍結(jié)法，其中凍結(jié)法是在聯(lián)絡(luò)通道施工前，利用人工制冷技術(shù)，使地層中的水結(jié)冰，把天然巖土變成凍土，形成凍結(jié)壁，增強土體的強度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與聯(lián)絡(luò)通道的聯(lián)系，在凍結(jié)壁的保護下進行開挖的特殊施工技術(shù)[2]。凍結(jié)法的最大優(yōu)點為適應(yīng)性強、無污染、有效隔絕地下水、安全性高，能明顯降低富水和不穩(wěn)定特征的地層帶來的危害[3]。本文以太原市軌道交通1號線一期工程某區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道為例，分析和總結(jié)了富水砂層聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計與施工關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

1.1 聯(lián)絡(luò)通道工程概況

迎澤橋西站—桃園路站區(qū)間，起點里程為Z（Y）DK10+222.888，終點里程為Z（Y）DK11+501.444。左線短鏈0.511 m，左線區(qū)間長度為1 278.045 m，右線區(qū)間長度為1 278.556 m，區(qū)間設(shè)置兩處聯(lián)絡(luò)通道。2#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房中心里程為ZDK10+931.853，YDK10+933.930，地面標高785.43 m，拱頂標高約775.327 m，拱頂埋深約27.72 m，常水位標高783.62 m，抗浮水位標高783.93 m，所處地層主要為2-1-22粉質(zhì)黏土、2-5-2中砂、2-5-3中砂，采用凍結(jié)法加固，暗挖法施工。通道段內(nèi)部凈寬2.8 m，側(cè)墻、拱頂厚度400 mm，底板厚度850 mm，集水井側(cè)墻厚度400 mm，底板厚度500 mm。聯(lián)絡(luò)通道地質(zhì)剖面如圖1所示。

聯(lián)絡(luò)通道所處位置區(qū)間管片采用鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)徑為Φ5.5 m，外徑為Φ6.2 m，管片厚度0.35 m。聯(lián)絡(luò)通道初期支護采用格柵拱架+C25早強噴混，初支厚度為0.3 m，二砌采用標號為C45P12模筑鋼筋混凝土，厚度為0.4 m，初支和二砌之間設(shè)防水層。

1.2 地質(zhì)及水文概況

1.2.1 地質(zhì)概況

本工程所處地貌類型為汾河漫灘及汾河河床，陸上地面標高約784.2～788.4 m，汾河河底標高約781.0～782.4 m。聯(lián)絡(luò)通道處地層巖性特征如下。

2-1-22粉質(zhì)黏土：灰黃～褐灰色，呈硬可塑狀態(tài)為主，具中壓縮性；土質(zhì)不均，局部相變?yōu)轲べ|(zhì)粉土；切面較光滑，干強度中等，有光澤。

2-5-2中砂：黃褐色～灰褐色，呈中密狀態(tài)為主，具中壓縮性；土質(zhì)不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

2-5-3中砂：黃褐色～灰褐色，呈密實狀態(tài)，具中～低壓縮性；土質(zhì)不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

3-3-12黏質(zhì)粉土：黃褐～灰黃色，呈中密狀態(tài)為主，具中壓縮性；土質(zhì)不均，夾薄層黏性土；切面粗糙，干強度低，無光澤，搖震反應(yīng)迅速。

1.2.2 水文概況

1）地表水。汾河主槽寬約310 m，堤距寬450 m。河床較為平坦，河床底部以粉（砂）性土為主，其與地下水聯(lián)系密切。

2）地下水。本工程地下水為松散層孔隙潛水，潛水主要賦存于沖、洪積相砂類土、粉土中。聯(lián)絡(luò)通道處實測潛水穩(wěn)定水位埋深1.30～5.30 m（對應(yīng)標高781.52～784.23 m）。枯水期為每年十二月至次年一月，豐水期為七月至九月，地下水位年變幅為0.8～1.4 m。

2 凍結(jié)法加固設(shè)計

2.1 凍結(jié)壁設(shè)計

凍結(jié)壁的設(shè)計不僅關(guān)乎聯(lián)絡(luò)通道開挖安全風險控制，而且關(guān)系到凍脹與融沉控制，合理的凍結(jié)壁指標是凍結(jié)法設(shè)計的關(guān)鍵。2#聯(lián)絡(luò)通道由于位于汾河河岸下方，過大的凍脹、融沉變形不僅對土層穩(wěn)定極為不利，隨之可能引發(fā)的地下滲流環(huán)境改變更是對整個工程的安全構(gòu)成極大威脅，鄭立夫等[4]針對地表凍脹融沉變形控制，對凍結(jié)壁厚度進行了研究，當凍結(jié)壁厚度為2.5 m及以下時變形基本滿足規(guī)程要求。結(jié)合本工程實際，綜合考慮聯(lián)絡(luò)通道開挖支護及區(qū)間管片附加應(yīng)力和變形的控制，本工程凍結(jié)壁有效厚度采用2 m，凍土強度的設(shè)計指標為：單軸抗壓強度大于等于4.0 MPa，抗折強度大于等于1.8 MPa，抗剪強度大于等于1.5 MPa（-10 ℃）；區(qū)間管片與凍結(jié)壁最外側(cè)交界處平均溫度小于-5 ℃，凍結(jié)壁其他部位設(shè)計平均溫度為-10 ℃[5]。聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁剖面圖如圖2所示。

2.2 凍結(jié)孔的布置

1）凍結(jié)孔的布置根據(jù)凍結(jié)壁及結(jié)構(gòu)輪廓，按照上仰、水平、下俯3種角度設(shè)置。

2）為了保證聯(lián)絡(luò)通道開挖時的安全，采用在2條隧道分別鉆孔的方案，即在另一條隧道底部打2排孔插花兜底，將聯(lián)絡(luò)通道封閉。

3）為避免在施工下方泵房凍結(jié)孔時從兩側(cè)區(qū)間打設(shè)至中間時發(fā)生碰撞，調(diào)整一側(cè)隧道凍結(jié)孔的方位角0.1～0.2°，避開對側(cè)鉆孔。鉆孔前仔細核查管片鋼筋位置，在避開其位置的前提下可對鉆孔角度進行微調(diào)。

4）2#聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)孔數(shù)設(shè)計74個，聯(lián)絡(luò)通道對側(cè)沿通道外圍凍結(jié)壁敷設(shè)5排冷凍排管，排管間距為450 mm。

2.3 測溫孔和泄壓孔布置

為了實時監(jiān)測凍結(jié)溫度場的變化情況，2#聯(lián)絡(luò)通道共設(shè)置10個測溫孔，在區(qū)間左線設(shè)置2個測溫孔，區(qū)間右線設(shè)置8個測溫孔，以監(jiān)測凍結(jié)壁平均溫度和厚度、區(qū)間管片與凍結(jié)壁交界處溫度以及聯(lián)絡(luò)通道周圍土體凍結(jié)情況。

為釋放土體凍脹壓力及檢測凍結(jié)壁交圈情況，在聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)非凍結(jié)處的管片處設(shè)置泄壓孔，在區(qū)間左線和右線各布置2個泄壓孔。

2.4 凍結(jié)主要參數(shù)

聯(lián)絡(luò)通道主要凍結(jié)技術(shù)參數(shù)見表1。

3 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)、開挖及構(gòu)筑施工

3.1 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工

3.1.1 凍結(jié)施工流程

凍結(jié)工藝施工流程如圖3所示。

3.1.2 凍結(jié)鉆孔施工

鉆孔施工前應(yīng)準備好應(yīng)急物資，凍結(jié)鉆孔施工流程為：開孔定位及安裝孔口管→安裝孔口裝置→開始鉆孔→進行測量→鉆孔底部封閉→打壓試漏。

鉆孔施工風險大，為保證施工安全，凍結(jié)管連接方式使用絲扣對接后再用焊條進行焊接。鉆孔時使用高壓力、高性能的逆止閥，防止逆止閥失效造成凍結(jié)管內(nèi)涌水涌沙。聯(lián)絡(luò)通道所處地層鉆孔時可能出現(xiàn)凍結(jié)管抱鉆，鉆進困難等情況，可使用膨潤土改良土體，減小鉆進阻力。膨潤土提前攪拌均勻，鉆進過程中使用泥漿泵壓漿。

每個凍結(jié)孔鉆孔完成后要進行注漿封孔，如果鉆孔過程中出沙量較大還應(yīng)進行補償注漿，因聯(lián)絡(luò)通道上方有管線，鉆孔施工時應(yīng)密切關(guān)注地面沉降情況，補償注漿量要根據(jù)鉆孔時出沙情況及沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

3.1.3 凍結(jié)制冷系統(tǒng)安裝

根據(jù)現(xiàn)場出土及運輸?shù)跹b口的安排將凍結(jié)站布設(shè)在隧道內(nèi)，凍結(jié)站凍結(jié)制冷設(shè)備選型：選用TBS510.JF型冷凍機組3臺，每臺冷凍機組工況制冷量12.9萬Kcal/h，電機功率90 kW，2臺運行，一臺備用。備用機組完成管路連接并調(diào)試，確保備用冷凍機隨時能開機運轉(zhuǎn)。鹽水循環(huán)泵采用4臺，其中2臺為備用，揚程為32 m，單組流量200 m3/h，電機總功率30 kW。冷卻水循環(huán)泵采用2臺，其中1臺為備用，揚程為20 m，單組流量160 m3/h，電機總功率22 kW。

冷凍站的設(shè)備主要由鹽水箱、鹽水循環(huán)泵、配電箱、冷凍機組、冷卻池和冷卻水循環(huán)泵等組成。凍結(jié)站系統(tǒng)包括冷卻水系統(tǒng)、鹽水系統(tǒng)及氟系統(tǒng)，安裝時應(yīng)先安裝設(shè)備后敷設(shè)管路，三大循環(huán)系統(tǒng)安裝完成后進行測試。

3.1.4 管片保溫、凍結(jié)施工及維護凍結(jié)

聯(lián)絡(luò)通道周圍區(qū)間管片設(shè)置保溫層，設(shè)置范圍為聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁外邊界2 m。保溫層材料采用厚度3 cm阻燃保溫板鋪設(shè)，保溫板刷膠黏貼在隧道管片上，每塊保溫板之間使用鐵絲綁扎，連接緊密，不留縫隙。

根據(jù)太原其他聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工規(guī)律，開始凍結(jié)后，鹽水溫度降至-18 ℃以下需積極凍結(jié)7 d左右，鹽水溫度降到-24 ℃以下需積極凍結(jié)15 d左右。凍結(jié)施工開始后，每天要對三大系統(tǒng)進行檢查，觀測是否存在滲漏現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏情況，立即關(guān)閉系統(tǒng)閥門，同時根據(jù)滲漏情況采取相應(yīng)補救措施[6]。

從聯(lián)絡(luò)通道開挖到澆筑結(jié)構(gòu)前，鹽水溫度要保持低于-28 ℃。在維護凍結(jié)過程中，監(jiān)測頻率要與積極凍結(jié)時保持一致，確保凍結(jié)系統(tǒng)正常運行。

3.2 開挖及構(gòu)筑施工

在凍結(jié)交圈前隧道預應(yīng)力支撐需安裝完成，聯(lián)絡(luò)通道應(yīng)先開挖、施工通道結(jié)構(gòu)；待通道結(jié)構(gòu)、洞門環(huán)梁施工完成且達到設(shè)計強度后，向下開挖泵房，施作泵房結(jié)構(gòu)。聯(lián)絡(luò)通道施工工藝流程如圖4所示。

防護門耐壓設(shè)計值大于0.357 MPa，安裝后需對其進行耐壓試驗，在空壓機保持運行時試驗氣壓需保持不小于0.275 MPa。開挖采用短段掘砌技術(shù)，開挖步距為0.5 m，與初支格柵鋼拱架間距保持一致。每開挖一榀，要及時安裝初支拱架，掛鋼筋網(wǎng)以及預埋注漿管，聯(lián)絡(luò)通道支架全部立好后噴混。開挖過程中將有部分凍結(jié)管被暴露，為確保施工安全，保證凍結(jié)效果，把暴露的凍結(jié)孔串為一循環(huán)系統(tǒng)，每組去回路循環(huán)系統(tǒng)由單獨閥門控制，開挖施工時發(fā)現(xiàn)異常情況及時關(guān)閉閥門，防止鹽水外泄。

4 凍脹與融沉控制措施

4.1 地層凍脹與融沉防治

在凍結(jié)過程中，水凍結(jié)成冰，其體積相較原來增大約9%。當體積增大，土體顆粒產(chǎn)生相對位移，進而形成地層凍脹；在解凍過程中，溫度逐漸升高，土體中冰消融成水，其體積將原位減小約8.3%[7]，溶脹和融沉由此產(chǎn)生。對于凍脹和融沉規(guī)律及控制，梅源等[8]、洪榮寶等[9]、郭偉等[10]均對其進行了研究，結(jié)合本工程實際，針對地層凍脹和融沉采取以下措施。

1）在聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)壁附近未凍土中兩側(cè)各布設(shè)2個卸壓孔，采用Φ45×3 mm鋼管制作成花管形式。根據(jù)地面沉降監(jiān)測，加強凍結(jié)過程中的監(jiān)測并及時卸壓，通過對周圍泥水進行釋放來有效地減小凍脹壓力。卸壓孔的最大壓力需控制在0.4 MPa以下。

2）為減小土體凍脹量，采取快速凍結(jié)的方法，同時也可降低凍融時的土體收縮。

3）凍結(jié)壁解凍時會產(chǎn)生少量收縮，從而使地層發(fā)生融沉現(xiàn)象。為了減小地層融沉引發(fā)的地面沉降，采用自然解凍，跟蹤注漿遵循“多點、少量、多次、均勻”的原則[11]。

4）在施工過程中，要對地表、管線、建筑物和隧道結(jié)構(gòu)的變形進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，及時調(diào)整施工措施。

4.2 充填注漿和融沉注漿

注漿以單液水泥漿為主，輔助使用C-S雙液漿，單液漿的水泥等級強度采用P.0 42.5級，水灰比根據(jù)地層情況一般為0.8～1；雙液漿的水泥等級強度采用P.0 42.5級，水玻璃為35～42°Be，水泥漿液和水玻璃漿液按照1∶1的比例混合注入。充填注漿采用水泥單液注漿。

充填注漿主要填充聯(lián)絡(luò)通道拱頂初支與二襯之間的空隙以及初支和凍結(jié)壁之間的空隙。停止凍結(jié)后一周之內(nèi)且混凝土結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計強度60%以上開始充填注漿，到停止凍結(jié)后30 d結(jié)束。注漿流量宜控制在15 L/min左右。

融沉注漿在停止冷凍后根據(jù)地表沉降監(jiān)測及凍結(jié)壁溫度場變化情況選擇注漿時機，但不得超過停止冷凍后半個月，注漿持續(xù)時間為3～4個月，此融沉注漿采用單液漿為主，雙液注漿為輔。注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿流量宜控制在15～20 L/min。融沉注漿順序為：聯(lián)絡(luò)通道位置左右線區(qū)間底部和內(nèi)側(cè)管片注漿→聯(lián)絡(luò)通道底部注漿→聯(lián)絡(luò)通道側(cè)墻注漿→拱頂注漿。

5 結(jié)束語

本文以太原市軌道交通1號線一期工程迎澤橋西站—桃園站區(qū)間2#聯(lián)絡(luò)通道為例，總結(jié)了凍結(jié)法在富水砂層聯(lián)絡(luò)通道工程中的應(yīng)用。凍結(jié)法可有控制富水砂層中聯(lián)絡(luò)通道開挖風險，本聯(lián)絡(luò)通道在2023年8月21日開始施工，2023年10月8日施工完畢，通過合理的凍脹與融沉控制措施，地表沉降最大值為3.91 mm，未發(fā)生地下滲流環(huán)境改變等重大風險，保障了汾河的生態(tài)環(huán)境安全，驗證了本工程施工技術(shù)的可靠性，可以為類似的聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)工程提供參考。

參考文獻：

[1] 郭森華，董濤.聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法設(shè)計關(guān)鍵要點及數(shù)值模擬[J].廣東土木與建筑，2023，30（11）：9-12.

[2] 陳亮，劉臣.地下工程聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)研究[J].隧道與軌道交通，2023（3）：22-25.

[3] 李軍，張鵬飛，王靜.地鐵區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2023，19（1）：136-143.

[4] 鄭立夫，高永濤，周喻，等.淺埋隧道凍結(jié)法施工地表凍脹融沉規(guī)律及凍結(jié)壁厚度優(yōu)化研究[J].巖土力學，2020，41（6）：2110-2121.

[5] 劉強.聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)站由隧道內(nèi)調(diào)整到站臺板凍結(jié)的可行性分析[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2021，6（5）：114-115.

[6] 朱軍武.南昌地鐵聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工技術(shù)[J].建筑機械，2017（5）：120-122，126.

[7] 魯先龍，陳湘生，陳曦.人工地層凍結(jié)法風險預控[J].巖土工程學報，2021，43（12）：2308-2314.

[8] 梅源，趙良杰，周東波，等.凍結(jié)法在富水砂層暗挖施工中的應(yīng)用[J].中國鐵道科學，2020，41（4）：1-10.

[9] 洪榮寶，蔡海兵，魯嬋瑞.地鐵隧道凍結(jié)法施工地層融沉研究進展及展望[J].建井技術(shù)，2020，41（3）：13-20，52.

[10] 郭偉.盾構(gòu)隧道長聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工技術(shù)與應(yīng)用[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2024，20（1）：215-221.

[11] 王慶禮．富水砂層凍結(jié)暗挖法C形聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計與工程實踐[J/OL]．隧道建設(shè)（中英文），1-9.https：//link.cnki.net/urlid/44.1745.U.20240202.1729.004.html.

作者簡介：田興未（1991-），男，工程師。研究方向為地下結(jié)構(gòu)與巖土。