长距离隧道冻结冻胀控制措施研究及应用

李孔刚

(1.北京中煤矿山工程有限公司，北京 100013； 2.煤炭科学研究院建井研究分院，北京 100013)

1 概述

从20世纪50年代末开始到现在，冻结法的应用已有近百年的历史，从开始的矿山建设领域，逐步向其他工程领域扩展，主要包含有地下管道施工、地铁工程施工、围堰工程施工等领域。

20世纪80年代中期，在国内市政建设工程中，黑龙江东海拉尔水泥厂卸矿室及皮带走廊基坑围护冻结工程、上海地铁一号线宁海西路联络通道地面冻结加固工程等工程首次引入冻结法。之后，北京中煤矿山工程有限公司开发了水平冻结技术，1997年完成了北京地铁复八线大北窑段隧道拱顶局部水平冻结工程，1998年完成了国内第1个全断面地铁联络通道水平冻结工程，2000年完成国内第1个全断面隧道——广州地铁二号线过清泉街破碎带隧道水平冻结工程[1]。进入21世纪，冻结法在我国很多城市地铁建设中得到推广应用，涉及地铁区间联络通道、盾构进出洞地基加固等[2]。2006年，上海申通地铁集团公司联合北京中煤矿山工程有限公司编制并发布《旁通道冻结法技术规程》后，地铁冻结设计、施工管理得到逐步完善，冻结法施工也逐步成为软土地铁联络通道施工的主要工法。目前，适合采用冻结法施工的地铁隧道交叉穿越段、地铁车站(出入口)、区间隧道等地下工程逐步采用此法施工，且效果良好[3-5]。

2 冻结法在隧道施工中的应用

1999年广州地铁二号线海公区间左线隧道施工中出现渗水事故，通过对地址条件分析后，采用冻结法施工将土层保护，保证掘进施工安全[6]。

2003年深圳地铁4A标段暗挖隧道施工中，首次成功采用常规冻结法在铁路桥下大流速地层中开挖，解决了复杂地址地质条件下冻结法施工的技术难题，为特殊地层条件下的隧道冻结法施工提供了借鉴[7]。

2003年南京地铁一号线张府园至三山街区间地铁联络通道位于流砂层，地下水丰富，开挖支护难度大，结合现场条件，采用冻结法施工，获得较好的效果[8]。

2013年常熟发电厂江底盾构取水隧道施工中，发生的突水涌砂事故，采用冻结法形成临时封堵墙，排出隧道内积水，构筑永久封堵墙，为隧道工程下一步施工提供了安全保障[9]。

3 冻胀控制措施研究

分段冻结与全线冻结法、错峰冻结、调高盐水温度、泄压孔泄压、设置温控孔。

分段冻结与全线冻结法：主要是对冻结距离进行分段，依次冻结的方法，主要适用于冻结距离较长的隧道冻结。

错峰冻结法：主要是针对双向隧道同时冻结来讲，为避免同时冻结时产生较大的抬升量，而采取的一条隧道先行冻结，另一条隧道在一定时间过后开始冻结的方法。

调节盐水温度法：此方法主要针对于在冻结壁已交圈，且冻结天数已达到设计需要的天数情况下，根据现场情况，在保证冻结壁安全可靠，再继续冻结能够产生较大的危险性冻胀现象，且需要长时间维持冻结时，所采取的一种控制冻胀的措施。

泄压孔泄压：是指通过工程设计中预先设计好的专门用于控制冻胀的泄压孔来卸掉冻土中应力的一种方法，此方法是应用最广泛，且是最重要的一种方法。

设置温控孔：是在设计预算冻结壁达到最大状态时的外围打孔，为防止冻结壁无限扩大产生冻胀影响的一种方法。

4 冻胀控制措施在工程实际中的应用

4.1 工程概况

上海轨道交通18号线一期工程从北至南纵贯宝山区、杨浦区、浦东新区三个行政区，共设26座车站。其中在国权路站与既有运行10号线相交，且为换乘车站，18号线上下行线隧道采用冻结法加固后矿山暗挖法开挖，下行线隧道与车站方向竖直相交，上行线与车站方向斜交，初期支护完成后，盾构推进穿越，拼装管片作为永久结构，上下行隧道管片顶部距离车站底板仅2.209 m。新建18号线上下行线隧道自东向西依次穿越新建18号线国权路车站西侧主体结构(称A墙)、10号线国权路车站东侧主体围护结构(称B墙)、10号线国权路车站西侧主体围护结构(称C墙)、10号线国权路车站4号出入口围护结构(称D墙)。

该工程施工影响范围内，主要有电力、信息、燃气、上水、雨水等管线。施工区域所处地层自上而下为①1杂填土、②3-1灰色砂质土夹粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉质黏土、⑤3色淤泥质土夹砂、⑤4灰绿色粉质黏土等，施工影响范围土层主要有④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土及⑤1-2灰色粉质黏土层[10]。对本工程设计及施工有影响的是潜水。本工程钻孔距离长，车站底部障碍物较多，冻结孔长度达42 m，冻结孔穿墙，部分冻结孔穿墙及穿桩，冻结体量大，冻结周期长，单条隧道冻结时间近8个月，冻胀控制难度大。

4.2 泄压孔及温控孔布置

泄压孔分别由上行线与下行线的内圈孔与外圈孔组成，内圈孔分布在待开挖主隧道中，即位于冻结壁内部区域，外圈孔分布在三角区域及上层顶板上部。上行线内圈孔由Xs1～Xs8组成；下行线内圈孔由Xx1～Xx8组成；外圈孔由Xw1～Xw13孔与J1～J18孔组成，其中孔Xw0，J1，Xw1，J2，Xw4，Xw9，J8，J15及Xw12位于上层顶板上部。内圈孔起冻结壁内部泄压作用，外圈孔Xw1～Xw13作用为冻结壁外部泄压作用；J1～J18为温控孔，主要作用是当上层顶板抬升较大时，通入热盐水，通过提高冻结壁外围温度降低冻结壁的发展速率，防止冻胀持续上升，避免对上层顶板甚至上方运营车站产生较大的影响。

泄压孔布置如图1所示。

4.3 冻胀控制措施应用

为了将双线隧道冻结对10号线运营车站的影响控制在允许范围内，避免对10号线车站的安全造成不良影响，结合该冻结加固工程的施工难点，采取了相应的措施，减弱冻胀对车站的不良影响。

1)打开泄压孔阀门自行泄压。

此种泄压方式简单直接，直接打开泄压孔阀门，使其泄压孔内的水、污泥等自行流出的泄压方式。此种方式适用于冻结前期，即泄压孔内的水、污泥等还未凝结阶段，当压力表数值高于0.25 MPa时，打开阀门泄压，在泄压孔孔口压力较高的水、污泥流出后，关闭阀门。泄压时，须专人盯控，防止泄压孔内的水、污泥流出较多造成沉降或者断管的危险情况发生，此泄压方式可使用于全部泄压孔。

现场泄压如图2所示。

2)冲水及冲气结合泄压。

随着冻结的持续进行，泄压孔内的泥浆较黏稠，泄压孔内的水及泥浆不能顺利的流出泄压孔，但还未发生凝固时，此时可以用冲水和冲气相结合的方式泄压。首先采用水管冲洗泄压孔，使泄压孔里面的泥浆顺水流出，为防止多余的水通过泄压孔的花管部位进入地层，则在花管段减少冲水时间，且水管来回抽送，使得泥浆随水快速流出泄压孔。当水管较难推进时，停止冲水，接上气管，用气冲出泄压孔里的水及泥浆。此泄压方式应用于除冻结壁周边泄压孔之外的泄压孔较为安全可靠，水管具有一定刚度的软管较为好用；此种方式操作简单易行，效果明显。其现场泄压图如图3所示。

3)取土泄压。

此种方式为螺旋钻杆取土泄压，当冻结到一定程度，泄压孔中的水泥浆已凝固，无法采用水气结合的泄压方式时，采用此种方式泄压效果较为明显。由于此工程冻结周期长，持续冻胀对10号线运营车站、车站底板、周边建筑物及各种管线产生较大的影响，故在上下行线与底板的左上角、右上角及中间三角区域布设泄压孔，用于控制冻胀所产生的影响，此种方式采用螺旋钻杆钻进缓慢来回取土，达到泄压的目的。其泄压图如图4所示。

此种泄压方式，也可实现定位泄压，且效果较明显。根据沉降数据报表，既有车站立柱LZ02，LZ03抬升较为明显，立柱LZ02位于上行线隧道上部，立柱LZ03位于上下行线隧道中间区域的上部，根据立柱与A墙的距离控制螺旋钻杆的钻进深度，进行取土泄压时须按照少量多次的原则，防止一次性取土量过大造成冻结壁变形或者造成冻结管损伤。立柱位置如图5所示。

4)错峰冻结与分段冻结。

上、下行线隧道(简称上行线、下行线)冻结时，为尽量避免三角区域冻胀产生的叠加效应，故采用错峰冻结的方式，减少同时冻结的时间。在下行线冻结第111天时，上行线开始开机，进行冻结，但此时下行线BC段尚未进行开挖，所以上下行线的冻胀在三角区域产生了叠加，此时车站立柱有较明显的抬升，随之上行线关机停止冻结；在下行线隧道冻结第156天时，下行线隧道BC段开挖工作结束，上行线隧道再次开机冻结，下行线冻结对车站影响减小，采用错峰冻结的方式，可避免上下行线同时冻结产生的冻胀叠加效应。

为了控制上、下行线隧道同时冻结对10号线运营车站结构的冻胀叠加作用，同时满足施工工期要求，故上行线采取分段冻结方式，即AB段内圈孔先行冻结，然后进行全长冻结。

5)温控孔循环盐水泄压与调整盐水温度。

为了控制三角区的冻胀发展，利用温控孔循环常温盐水，温控孔的盐水循环采用单独的盐水管路循环，单独设置盐水泵和盐水箱，常温盐水比重与低温盐水比重相同。此种方式在满足冻结壁设计厚度后方可使用，能有效的控制车站立柱的抬升速率，效果较明显。

本工程上、下行线隧道冻结施工分别采用单独的冻结系统进行冻结施工，设计低温循环盐水温度为-30 ℃，下行线采取的全长冻结，车站立柱抬升量较大，在冻结46 d时将循环盐水温度调整为-28 ℃，温度调整后，立柱抬升量增速减缓[11]。

5 结论

主要介绍了几种长距离隧道冻结冻胀控制措施及在实际工程中的应用情况。根据工程实际，对于长距离隧道冻结冻胀控制措施的应用，根据应用时间及土层冻结情况大致可以参照以下顺序进行：一是在冻结初始阶段采用打开泄压孔阀门自动泄压；二是泄压孔中的水泥浆较黏稠，但未凝固时可采用水和气相互结合的方式；三是土层已凝固时可采用取土泄压的方式；四是冻结壁已达到设计的厚度且比较稳固时可采用温控孔循环盐水或者调整盐水温度的方式。根据工程设计及实际情况实时的采取错峰冻结与分段冻结的方式。从控制冻胀效果方面来讲，根据冻结区域和结构型式，在保证安全的情况下，可以采用多种控制冻胀措施并行的方法，均能达到控制冻胀的效果。