北京地铁富水砂层中盾构区间联络通道水平冻结施工技术

万小飞 高振

1.北京市轨道交通建设管理有限公司 100068

2.中铁大桥勘测设计院有限公司 武汉430050

引言

设置于地铁区间隧道中间的联络通道，起到连通两条隧道间的人员疏散作用，有时根据工程情况兼顾设置排水泵房。联络通道施工不仅要考虑自身结构及地面环境安全，同时要考虑盾构隧道的安全与稳定。所以城市地铁联络通道开挖前必须对其周围土体进行加固，常见的土体加固方法有：地面旋喷桩加固、搅拌桩加固或隧道内水平旋喷桩加固等［1］。在地层复杂、地下水丰富的情况下，冻结法在施工安全、地下水保护等方面不失为一种行之有效的土体加固方法。在北京地区某地铁联络通道施工过程中，由于联络通道所在砂层地质的复杂性，旋喷桩加固有时不能达到预期的加固效果，故采用冻结法加固的方法进行联络通道的施工。

1 工程概况

北京地铁七号线某联络通道兼泵房，矿山法施工，冻结法加固土体。联络通道为与上、下行隧道相交的水平通道。按联络通道线路设计，联络通道与上、下行线隧道中心相交的隧道中心标高均为1.625m，隧道中心距为17.000m。联络通道覆土厚度16.23m，净空尺寸2.8m×2.8m，外轮廓开挖尺寸3.9m×4.87m（非废水泵房部分），废水泵房部分净空长3m，宽2.1m，深3.8m。联络通道结构如图1所示。

图1 联络通道结构示意Fig.1 Schematic diagram of the communication channel

2 工程地质

联络通道兼泵房地层从上至下依次为⑥粉质黏土、⑦细砂、⑧粉质黏土层。地层中存在承压水（二）位于隧道上方，距离联络通道结构顶部垂直距离约4.6m；承压水（三）位于隧道上方，距离联络通道结构顶部垂直距离约2.9m，承压水（四）位于隧道上方，距离联络通道结构顶部垂直距离约2m，具体地质特征如图2所示。

图2 工程地质特征Fig.2 Engineering geological features

3 冻结设计

根据北京市《旁通道冻结法技术规程》（DG/TJ08-902—2006）要求，冻结壁的力学计算模型按均质线弹性体简化，其力学特性参数取设计冻结壁平均温度下的冻土力学特性指标。将通道侧墙冻结壁底部做为固定支座［2］，取模型长度1m，冻结壁厚度2.0m，上覆土体范围从埋深17.425m～22.295m。联络通道标准断面冻结壁计算模型如图3所示。

图3 联络通道冻结壁计算模型Fig.3 Calculationmodel of connected aislefrozen wall

泵房开挖时，上部通道部分已经施工完毕，将房侧墙冻结壁上端与通道连接视为固定支座，取模型长度1m，冻结壁厚度2.25m，泵房上覆土体范围从埋深22.295m～24.945m。模型如图4所示。

图4 泵房冻结壁计算模型Fig.4 Calculation model of pump house frozen wall

根据地层条件，冻土强度的设计指标取为：单轴抗压不小于3.6MPa，弯折抗拉不小于1.8MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃）。为保证冻土平均温度达到设计时计算值，冻土验收时平均温度应不高于-10℃［3］。

冻结壁承载力计算采用许用应力法，根据《旁通道冻结技术规程》（DG/TJ 08-902—2006）中的Ⅲ类冻结壁强度检验，安全系数取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。联络通道标准段冻结壁厚度2m，泵房位置局部达到2.25m时，冻结壁的应力计算结果见表1。

表1 联络通道冻结壁计算结果（单位：MPa）Tab.1 Calculation result table of frozen wall of connecting channel（unit：MPa）

根据冻结壁设计计算结果，为了达到设计的冻结壁效果，设计联络通道兼泵房主要冻结技术参数见表2。

表2 联络通道冻结技术参数Tab.2 Contact channel freezing technical parameter table

4 冻结施工

冷冻法联络通道施工可分为冻结孔施工、冻结施工和开挖构筑施工三个主要部分，其主要施工顺序为：施工准备→冻结孔施工→进行隧道支撑→积极冻结→安装安全门→探孔试挖→拆钢管片→联络通道掘进与初期支护→联络通道永久支护→泵房开挖与初期支护→泵房永久支护（含泵房）→结构充填注浆→进行自然解冻融沉注浆充填→撤场［4］。

4.1 冻结孔施工

联络通道共布置冻结孔85个（右线17排，左线4排），造孔工程量789.57m。实际施工完成冻结孔85个，布置测温孔10个，造孔工程量39.17m；卸压孔4个，4m/个，共计16m，右线铺设冷冻排管，排管长度140m。联络通道冻结孔布置如图5所示。

图5 联络通道冻结孔布置Fig.5 Layout of the freezing hole of the communication channel

冻结孔采用φ89无缝钢管的冻结管钻进到设计深度后，进行终孔测斜，当冻结管长度和偏斜验收合格后在进行打压试漏，冻结孔试漏压力保持在0.8MPa，半小时内压力下降不超过0.05MPa为试验合格。验收合格后，用水泥浆对空口管与管片之间的缝隙进行封堵。

4.2 冷冻站安装

该项工程冻结站放在车站地面，选用CWZ-290（标准制冷量115kW）型4台，标准制冷量为39.56万kcal/h，其中区间联络通道配机2台。在积极冻结期，冷冻机组达到满负荷运转，确保联络通道尽快达到冻结开挖条件，及时进行结构施工。

4.3 积极冻结与维护冻结

本工程积极冻结期间，开机7d盐水温度降至-21℃，10d盐水温度降至-25℃以下，到13d去路盐水温度稳定在-30℃，去回路温度差稳定在1℃左右，冻结系统运转正常，供冷量充分。

维护冻结期间，盐水温度稳定在-28℃以下，满足设计要求。

4.4 联络通道开挖

本工程联络通道所处地层属于稳定性较差的细砂和粉质黏土层，且承压水丰富，开挖时容易发生坍塌、涌水涌砂的风险。

联络通道开挖时采用台阶法施工，短段掘砌，开挖步距设置为0.5m，鉴于冻土强度高，且距离冻土帷幕越近开挖越困难，因此采用风镐人工掘进，在开挖的过程中，及时对暴露的冻土进行保温，保温板采用50mm的泡沫塑料板。

联络通道开挖后地层应力重分布，当冻土帷幕所受应力较大时，会发生较大的蠕变变形，为了控制这种变形的发展，开挖后要及时进行支护。联络通道初次支护型钢支架喷射混凝土，支架间距为0.5m，二次衬砌时采用模筑钢筋混凝土结构，采用组合钢模板，支撑体系采用工字钢龙骨配合扣件式脚手架。

本工程在开挖和衬砌过程中，并未出现坍塌和涌水涌砂，工程质量良好。

4.5 融沉注浆

联络通道施工完成后解冻过程中，富水砂层极易发生沉降，因此需要通过结构施工时预留的注浆管进行融沉注浆，预埋的注浆管长度以深至初期支护后部且端部深处结构层40cm为宜，每个断面都在通道拱顶、侧壁和底板埋设7根注浆管。

注浆管采用φ32的花管，注浆前，孔口处塞入黑心棉等防止返浆材料，分3～4层进行注浆，每个孔位注浆结束后，为防止水泥浆硬化后阻塞注浆管，每次停注前均需将注浆管注满水玻璃液，以便后期复注。

注浆时从最底层注浆孔进行注浆，注浆压力过大时会导致地面隆起，因此注浆压力控制在0.3MPa～0.5MPa之间，注浆流量控制在25L/min～30L/min，直至上一层预埋的注浆管留出浆液时暂停注浆，关闭底层注浆管阀门；继续对上一层注浆管注浆，依次直至顶部注浆孔完成注浆。

5 信息化监测技术

在整个冻结施工过程中，冻结加固土体的物理性质发生了很大的变化。因此在整个施工过程中，要通过信息化自动监测技术对盐水温度、冻结壁温度、泄压孔压力等进行全面监测，为实时掌握和控制施工参数提供依据。

5.1 盐水温度

冻结13d盐水温度降至-28℃，满足设计要求。冻结14d盐水温度保持在-31℃左右。盐水温度变化曲线如图6所示。

图6 盐水温度变化曲线Fig.6 Brine temperature change curve

5.2 测温孔温度

为了准确掌握冻结温度场变化情况，联络通道兼泵房共布置了10个测温孔。现通过4个测温孔测量典型位置、不同深度的温度变化趋势，如图7所示。

图7 测温孔温度变化曲线Fig.7 Temperature change curve of temperature measuring hole

从图7可以看出，整个冻结区域内温度呈现良好的线性降低趋势，临近冻结管附近的土体温度在冻结第6d便降低至冰点以下，截止到积极冻结第21d，所有测温孔温度均降至冰点以下。根据测温孔温度数据以及测温孔与冻结管距离计算分析可得：冻结平均发展速度外侧平均为32mm/d，内侧为40mm/d，冻土平均发展速度为36mm/d，由此推断出冻结帷幕内最小冻结壁厚度为2333mm，可以判断联络通道四周土体冻结加固效果良好。

5.3 泄压孔压力变化

联络通道4个泄压孔的压力随时间变化曲线如图8所示。

图8 泄压孔压力变化曲线Fig.8 Pressure change curve of pressure relief hole

联络通道4个泄压孔初始压力为0.02MPa～0.04MPa，冻结19d时，开始逐步上涨，最高上涨至0.23MPa；冻结至38d时，卸压孔开始泄压；冻结第39d时，进行放水放压实验；冻结第41d，4个泄压孔压力全部降为0，且无水流出，证明冻结壁已交圈。

6 结语

在北京地区富水砂层中施工联络通道可以采用冻结法进行加固，加固效果良好；整个冻结过程中，对盐水温度、冻结壁温度、泄压孔压力做好全方位的监控，是判断冻结效果的关键；积极冻结期间，冻结帷幕与管片交界处属于冻结薄弱位置，应该加强此处的监测；同时，联络通道施工完成后，需根据测温点温度的变化速率来确定冻土的融化程度和融化速率，从而进行融沉注浆，继而有效控制地面沉降。