公路隧道间长距离联络通道冻结施工技术研究

方 卫

(上海沪申高速公路建设发展有限公司，上海 200063)

当两条单线隧道连贯长度超过600 m时，需要在两条隧道之间设置联络通道，以满足消防和疏散要求[1]。在富含水软弱地层中施工时，一般需要先对施工区域地层进行改良，保证通道结构的顺利施工[2]。人工冻结技术作为软弱地层的有效加固方法，不仅可以有效隔绝地下水，而且改良后地层均匀、形成冻结壁强度高，在上海、北京等城市的地铁建设中得到广泛应用[3,4]，有时人工冻结技术几乎是联络通道暗挖法施工唯一有效加固方法[5]，通过国内学者和工程技术人员的应用和研究，积累了大量的工程经验和研究成果。目前已完成施工的联络通道长度较短，一般隧道中心距离都不超过15 m，而上海沿江通道的越江隧道工程直径15 m，两条隧道之间的距离达到43.48 m，所以联络通道的冻结加固设计和施工与常规联络通道差别较大。本文依托该工程，对冻结加固的设计和施工中的关键技术进行研究。

1 工程概况

上海市越江隧道工程西起浦西牡丹江路，东至浦东外环线，长约6.49 km，盾构隧道外径15.0 m，内径13.7 m，共设6座联络通道，其中5号联络通道位置隧道中心距离43.48 m，中间通道内径2 740 mm，喇叭口内径3 340 mm。通道的初期支护采用HW200 mm×200 mm×12 mm型钢支架加250 mm厚C20喷射混凝土，永久衬砌为300 mm的钢筋混凝土结构。

根据勘察资料，5号联络通道所处地层主要为⑤2粘质粉土夹粉质粘土层(顶部少量位于⑤2t粘质粉土层)，下卧⑤3-1粉质粘土层，联络通道上方为长江大堤围堰，隧道中心埋深约41 m。

2 联络通道的冻结设计

2.1 整体施工方案

联络通道位于长江下，地层中的水力联系复杂，施工风险大，采用水平冻结法加固地层、矿山法暗挖构筑的总体施工方案，即在联络通道周围施工双圈水平冻结孔，采用低温盐水冻结加固地层，使联络通道外侧土体冻结形成强度高、封闭性好的冻结壁，然后采用矿山法进行联络通道的开挖和衬砌结构施工。

2.2 联络通道冻结加固设计

设计中间通道冻结壁厚度为3.0 m，喇叭口处2.7 m，布置内、外两圈共72个冻结孔(含4个对穿孔)、14个测温孔和4个卸压孔。两圈冻结孔从隧道上、下行线对打施工，在通道中部进行搭接，搭接长度1 m，内外圈搭接位置错开1 m。通过减小冻结孔长度有利于提高冻结孔成孔精度，在施工冻结孔时可显著降低发生喷涌的风险，并有利于控制施工过程中的冻结管变形与受力，防止冻结管接头裂漏。联络通道设计积极冻结时间55 d～60 d，设计冻结壁平均温度不高于-13 ℃，冻结壁与隧道管片交界面温度不高于-8 ℃。

3 联络通道的施工方案

3.1 联络通道的冻结施工难度

5号联络通道长度大，所处⑤2粘质粉土夹粉质粘土层为透水地层，且埋深大，施工中面临如下困难：

1)施工区域处于透水地层，冻结孔位置水压0.45 MPa，成孔过程中面临出水、喷砂的风险。

2)联络通道长度大，冻结孔造孔、开挖、支护与结构施工难度大，钻进法施工冻结孔防喷要求高，尤其是透孔施工在钻进对侧管片时，容易发生断管，而且在钻透对侧隧道钢管片时，钻头与管片间隙难以封堵。

3)钻孔施工时容易偏斜，钻孔施工质量较难控制。

4)联络通道两端设有变形缝，衬砌结构施工时需分段浇筑，结构防水施工难度较大。

3.2 联络通道冻结施工的关键技术

针对5号联络通道施工所面临的困难，施工中主要采取了以下关键技术：

1)采取了灌浆法安装钢管片上的孔口管。由于冻结孔布置在钢管片上，在钢管片上安装孔口管时，需先在孔口管头部焊接3根～4根用直径20 mm高强螺纹钢加工的“L”锚筋，并用硫铝酸盐双快水泥封堵孔口管头部。然后将孔口管插入钢格腔，并用12 mm钢板焊接固定孔口管，密封钢格腔。固定好孔口管后再从钢格腔上方筋板开孔灌入硫铝酸盐双快水泥浆填充钢格腔。在开透钢管片前，需焊接封堵筋板上的灌浆孔，安装过程如图1所示，这样安装钢管片上的孔口管牢固，避免钢格腔之间接缝串水问题。

2)首次研发了前顶进式冻结管钻孔方法。前顶进式冻结管钻进方法的基本原理是在冻结管内插入强度、刚度均大的顶杆，并在顶杆尾端连接液压缸，顶力通过顶杆直接作用在冻结管前端，从而实现冻结管的前顶进施工。顶进式钻孔的施工结构如图2所示，该装置的允许顶进力为30 t，最大冻结管顶深不小于30 m，顶进速度约100 mm/min。

采用高强顶杆与冻结管组合刚度大，可以有效抵抗冻结管弯曲和失稳，顶进精度高，而且施工过程中冻结管处于受拉状态，在冻结管尾端几乎不受力，所以冻结管不易在隧道管片开孔处被卡，相对于传统后顶进方法可以大幅提高顶进深度。

3)采用套管法施工管片对穿孔。对于管片上的对穿孔施工，先用跟管钻进法施工套管，套管前端抵到对侧隧道管片后，在套管中用钻机钻透对侧隧道管片，套管采用φ152 mm无缝钢管，对穿孔冻结管采用φ127 mm无缝钢管。冻结管前部连接直接稍大于取芯钻头的止水环，可解决单一钻孔法施工透孔时容易漏水喷砂和冻结管易疲劳断裂的难题，而且通过在套管与冻结管间隙内充填注浆，可防止对穿孔冻结管发生接头开裂的风险。

4)多种措施提高冻结壁的形成质量。为了提高形成冻结壁的质量，施工过程中采取综合措施，精细控制冻结施工过程，主要包括对上、下行线隧道与冻结壁界面管片表面均敷设冷冻排管进行辅助冻结，确保冻结壁不存在薄弱区；实时监测总管路冻结盐水温度和盐水流量、每组冻结器及冷冻排管的盐水温度，确保冻结系统运转满足设计要求；全方位监测地层温度变化，并结合冻结温度场有限元数值模拟，随时分析和评估冻结壁的发展情况；采用开放的盐水循环系统，盐水从冻结器循环回来后直接进入盐水箱，这样可以控制冻结器内盐水压力最大不超过0.2 MPa，要远小于地层水压，一旦冻结管接头发生断裂也不会发生盐水渗入地层融化冻结壁的严重后果。

5)综合控制混凝土衬砌结构的浇筑质量。针对长距离联络通道的施工特点，混凝土浇筑施工过程中采用和易性好的细石子混凝土，大块高强度钢模，地泵高压灌注，多点附着式振捣器振捣的施工过程，混凝土的浇筑顺序为通道底拱，通道上部(分两段)，喇叭口，同时在施工缝处铺设钢边止水带并加密预埋注浆管。另外，停冻3 d～7 d后对衬砌与初支、冻结壁间隙进行充填注浆，使初支与衬砌结合成整体，弥补衬砌的浇筑缺陷。冻结壁解冻过程中，根据沉降监测进行融沉跟踪注浆，避免联络通道与隧道发生不均匀沉降。

3.3 联络通道的施工过程

5号联络通道于2018年4月25日开始施工第一个透孔，4月30日四个透孔施工完毕，5月1日起开始施工其他冻结孔，至5月28日完成全部冻结孔施工。2018年6月13日，冻结系统正式运行，至8月15日，冻结系统积极冻结64 d后开始开挖施工。采用上、下台阶法进行冻土开挖，开挖步距不超过700 mm，每隔600 mm设型钢支架做临时支护，待联络通道开挖完成之后，进行结构的混凝土浇筑施工。施工结束后，停止冻结，并割除管片上的孔口管和冻结管，冻结管内部采用水泥砂浆充填。

4 结语

依托上海沿江通道越江隧道建设工程，介绍了联络通道冻结加固中的冻结孔布置参数等冻结加固设计过程和主要参数，并针对长距离联络通道的施工特点，着重研究了施工过程中的关键技术，形成了新的施工体系。联络通道顺利施工完成，说明冻结设计的参数和关键技术可以解决江底长距离联络通道施工的技术难题，研究成果可以供类似地层中的联络通道建设时参考。