冻结法施工的地铁旁通道施工工艺研究

高玉宝

1 概述

在城市地铁建设中，地面建筑异常拥挤，地表浅层管网复杂，地铁隧道所处地层松软，富含水、稳定性差，且常常遇到松软含水地层。在这种地层中施工，冻结法是行之有效的[1-4]。用冻结法加固土体具有强度高、封水性好、安全可靠等优点。然而，传统的垂直钻孔冻结方法在城市的许多地方没有打钻空间，因此采用水平冻结是最好的方法。目前，我国上海、南京、天津等地用冻结法施工的地铁隧道旁通道(或联络通道)工程已占大多数，冻结法已成为软土中地铁旁通道施工的主要工法。

2 旁通道施工的工艺流程

地铁旁通道施工大多采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案，即:在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使旁通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕。在冻土中采用矿山法进行旁通道及泵站的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其主要施工顺序见图1。

3 旁通道施工主要施工工艺

3.1 冻结孔布置及制冷设计

1)冻结孔的布置。根据冻结帷幕设计及旁通道的结构，通常采用两侧隧道打孔方式，冻结孔按上仰、近水平、下俯三种角度布置，以形成一个全封闭冻结加固区域。开孔间距一般取为0.5 m～1.0 m。可根据钻机情况、管片配筋情况和旁通道拟开管片的实际位置，对钻孔孔位作少量调整。2)测温孔与卸压孔布置。为了测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全，在隧道的两侧要布设一定数量(一般隧道两侧各布设6个)的测温孔。测温孔管材通常选用φ 32×3.5 mm 20号低碳钢无缝钢管。上下行隧道通常还要布设一定数量的卸压孔(一般设置4个～6个)。卸压孔是判断冻土壁是否交圈的重要指标，另外还可起到释放压力的作用。3)制冷设计。a.冻结参数确定:积极冻结期盐水温度为-30℃～-28℃;维护冻结期温度为-28℃～-25℃;冻结孔终孔间距 L≤1 200 mm，冻结帷幕交圈时间为25 d，达到设计厚度时间为45 d;积极冻结时间为45 d，维护冻结时间为30 d。b.需冷量:冻结需冷量计算:Q=1.2πdHK。其中，H为冻结总长度;d为冻结管直径;K为冻结管散热系数。

3.2 冻结施工

3.2.1 冻结孔施工顺序

根据旁通道施工的孔位，采用由上向下的顺序进行施工:即先施工穿透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关的钻进参数，再按由上向下的顺序施工，这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。

3.2.2 冻结孔钻进与冻结管设置

1)钻具利用φ 89×8 mm冻结管作钻杆;冻结管之间采用套管丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心度和焊接强度。2)正常情况下，钻进时安装简易钻头，如果钻进困难遇到砂层，为防止钻进中返砂，在钻头部位安装一个特制单向阀门。3)冻结管到达设计深度后冲洗单向阀，并密封冻结管端部。4)钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在0.8 MPa，稳定30 min压力无变化者为试压合格。5)在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

3.3 冷冻站安装

管路用法兰连接，隧道内的盐水管用管架敷设在隧道管片斜坡上，以免影响隧道通行。在盐水管路和冷却水循环管路上要设置阀门和测温仪、压力表等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，保温厚度为50 mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每组冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。旁通道主排冻结孔每2个～3个一串联，其他冻结孔3个～4个一串联。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50 mm厚的保温板或棉絮保温。

旁通道两侧管片保温:由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，为加强冻土墙与管片胶结，旁通道两侧管片内表面采取保温措施，以减少冷量损失。

主冻结孔施工，首先将钢管片格栅内用素混凝土填充密实，然后采用PEF保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。

盐水(氯化钙溶液)比重为1.26，先在盐水箱内充满清水，溶解氯化钙，再送入盐水干管内，直至盐水系统充满为止，溶解氯化钙时要除去杂质。

机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

3.4 积极冻结与维护冻结

在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可适当提高盐水温度，进入维护冻结，但盐水温度控制在-28℃～-25℃之间。

3.5 开挖与构筑施工

1)开管片。加固土体强度达到设计要求及准备工作就绪后开挖构筑工作就可正式开始，探孔后即可开管片。2)土方开挖。经探孔确认可以进行正式开挖后，打开钢管片，然后采用矿山法进行暗挖施工。根据工程结构特点，旁通道开挖掘进采取分区分层方式进行。由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时(除喇叭口处侧墙和拱顶外)可以采用全断面一次开挖，开挖步距为0.3 m～0.5 m，通道、集水井开挖步距为0.5 m。两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制为0.3 m。在掘进施工中根据揭露土体的加固效果，以及监控监测信息，及时调整开挖步距和支护强度。在开挖过程中，还要及时对暴露的冻土墙进行保温。3)支护方式。采用两次支护方式。第一次支护(临时支护)采用预应力钢支架加木背板。第二次支护(永久支护)采用C30现浇钢筋混凝土。

3.6 地层跟踪注浆

注浆材料:为增加压浆的可注性，开始时可注水泥粉煤灰浆液;二次补浆选用1∶1水泥—水玻璃浆液。注浆时间:结构层施工完毕强度达到80%时即可进行冻结壁外围融沉注浆。注浆压力:为防止隧道管片及旁通道结构受到影响，拟选用小压力、多注次的方式，注浆压力一般为0.2 MPa～0.5 MPa。

注浆顺序:管片底部→喇叭口处→通道及集水井。每一注浆段中遵循先下部、后上部的原则，使加固的浆液逐渐向上扩展，避免死角，改善隧道和旁通道底部土体，提高充填效果。

注浆量:根据以往经验，融沉注浆总量一般为冻土体积的15%左右，经计算该工程注浆量约为80 m3。

注浆结束标准:注浆是否结束根据沉降监测反馈的信息和最大注浆压力控制，注浆结束后，要再注入双液浆封堵注浆管，并由人工修整管口与砌筑面平齐，既保证结构强度，又美观、整齐。

4 结语

冻结法施工工艺在我国城市地铁工程旁通道建设上已取得了广泛的应用。虽然冻结法施工工艺在理论方面还存在许多不完善的地方，在许多领域尚待系统、深入地研究，但冻结法仍以其特有的优势在市政工程，特别是在松软含水地层施工中具有不可替代性。由于旁通道结构的复杂性和冻结法施工技术的特殊性，在施工中常常会遇到一些意外险情。因此，制订一套完善的施工应急预案是极其必要的。

[1] 张景钰，方江华，汪仁和.水平冻结法在上海地铁隧道旁通道工程的应用[J].淮南职业技术学院学报，2005(1):25-27.

[2] 刘艳滨.地铁盾构隧道旁通道冻结法施工技术[J].铁道建筑技术，2004(3):6-10.

[3] 栾德崇，刘忠宝，王志良.上海地铁旁通道冻结法施工技术[J].中国市政工程，2008(6):61-63.

[4] 杨志萍，李长忠，胡灿辉.天津地铁1号线旁通道地层冻结施工技术[J].天津建设科技，2006(sup):241-244.