软土地层联络通道冷冻施工技术研究与应用

张书旺

（中国铁建十六局集团有限公司，北京 101100）

1 工程概况

苏州某地铁区间隧道联络通道与泵站合建。中心里程为右DK39+355.713（左DK39+354.359），线间距13.400m，地面标高3.05m左右，联络通道处隧道中心标高-11.466m，隧道中心埋深14.516m。设计冻土帷幕1.8m厚。

根据该位置的勘察资料，联络通道处地质情况见表1。

表1 工程地质分层及特征描述

根据资料显示，工程所在地地下水分为松散浅层孔隙潜水和松散岩类孔隙（微）承压水。微承压水主要赋存于③3粉土、④1粉土、④2粉砂层，勘察期间，实测微承压水头标高为1.16m左右，近3～5年来最高潜水位为1.6m左右。

联络通道所处主要为④2粉砂层、⑤1粘土层，下部冻结孔施工进入⑤1粘土层（见图1）。

图1 联络通道兼泵站地质剖面图

2 冻结原理

采用冷冻技术冻结土体是先在相邻隧道土层中按照水平或一定倾斜角度预埋中空钢管，其后选用适宜的冷媒介质通过埋设的钢管进行循环间接制冷，使土体温度迅速降低，通过不间断反复，将土中的热量带出，促使土体中的水结冰，直至水与土体形成一定强度的冻土。该工艺使土体的强度、整体性和稳定性均有明显增强，其特殊的冻结工艺原理使冻结围护体系拥有其他工艺无法比拟的闭水效果。

3 冻结孔布置及制冷设计

冻结孔的角度设计、管位布置施工及积极冻结制冷工艺施工为本工程的关键工艺，冻结过程中冷媒进出温度检测、土体压力监测为关键环节。

3.1 冻结孔布置

根据该联络通道的结构特点，本工程在左、右线隧道均布置冻结管，右线隧道内布置59根冻结管，左线隧道内布置13根冻结管。为了加快冻结发展速度，可以在规定的时间内冻结交圈，在通道四周布置的所有冻结管均经过计算，按照水平、上仰、下俯三种角度进行布置，同时两侧隧道均设置卸压孔、测温孔，以便于观测冻结发展过程中土体内压力的变化和监测土体冻结发展情况。

3.2 制冷设定

3.2.1 通道冻结参数确定

1）冷媒介质采用盐水，冷媒剂为氟利昂。冻结期间的盐水温度保持在-28～-30℃。冻结开始后7 天冷媒介质温度降至-18℃以下，冻结开始后15天冷媒介质温度降至-24℃以下[1]。

2）冻结单孔内冷媒溶液流量控制在每小时5～7立方米。

3）联络通道位置相邻两根冻结管的终孔间距不大于1.05m，下部泵房位置相邻冻结管终孔间距不大于1.15米，土体内冻结发展速度取28mm/d，冻结帷幕交圈时间为20天，达到设计厚度时间为40天。

4）开挖前冻结帷幕土体平均温度不高于-10℃,其中冻结帷幕与管片界面温度不高于-5℃。

3.2.2 冻结工艺冷量需求计算

Q=1.3*π*d*H*K

式中：H-全部冻结管的长度总和；d-冻结管直径，本工程采用89mm无缝钢管；K-冻结管散热系数，250Kcal/h·m2。

按照公式计算，Q=64848Kcal/h。

根据冻结工艺冷量需求，本工程选用150WDEDD型螺杆冷冻机，冷冻机组制冷设计为87500Kcal/h，满足工程施工需求。同时，为确保冻结工艺时限及应急要求，防止因设备功效原因达不到预期冻结效果，本工程选用两组该型号冷冻机（一台应急备用）[2]。

4 冻结技术施工要点

4.1 冻结孔施工

见表2。

表2 冻结孔施工过程中可能的问题及对策

4.2 积极冻结

1）积极冻结期间，每天定时检查盐水液面变化、盐水比重、冻结器结霜是否存在异常融化现象，监测测温孔温度、卸压孔压力、盐水去回路温差是否存在异常变化。根据施工期间数据统计，本工程盐水7天降至-18℃以下，15天降至-24℃以下，20天降至-28℃以下。截至40天时，盐水降温曲线及测温孔降温曲线见图2、图3[5]。

图2 盐水温度变化曲线

图3 测温孔温度变化曲线

2）根据监测数据统计分析，40d时取测温点最高-3.4℃，根据冻结圆柱半径计算冻土帷幕厚度为2.18m，远大于1800mm设计冻土厚度要求。根据成冰公式计算出冻土平均温度为-10.71℃，低于设计冻土帷幕平均温度-10℃要求，管片壁厚冻土帷幕要求-7.2℃，低于设计冻土帷幕-5℃要求。开挖前在两侧隧道管片离冻结孔内外800mm处各钻取探孔取芯，取芯土体强度4.5MPa，大于设计单轴抗压3.6 MPa要求，土体稳定，探孔内无泥水流出，满足开挖条件。

图4 探孔

图5 冻土取芯

5 总结

工程实践表明，严格执行上述技术措施后，联络通道帷幕冻结施工平稳顺利，冻结土体质量良好，隧道收敛、地表及建构筑物沉降控制合格。本成果可为同类工程，特别是软土地层联络通道冻结帷幕工程提供借鉴与参考。