人工冻结法在软弱富水砂层地铁联络通道施工中的应用

李宏飞

(中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032)

在城市轨道建设中，据规范要求，两条单线区间隧道需设置联络通道[1]，成为两条隧道之间的通道，起到连通、排水、消防疏散、防火的作用。目前常见的横通道施工前的加固方法有管棚法、深层搅拌桩法、人工冻结法等，其中人工冻结法是使用人工制冷技术，使地层中的水冻结，把天然岩土变成冻土以加强其强度和稳定性，隔绝地下水与地下工程的联系以便在冻结壁保护下进行施工。人工冻结法具有安全可靠、适应面广、灵活性好的特点从而得到广泛应用。

国内外学者对人工冻结法联络通道的施工进行了广泛研究：20 世纪中叶，波兰、德国等国家开始开展人工冻结法技术研究并运用于实际工程，1955 年我国首次采用冻结法在开滦林西风凿井并取得成功，随着我国地下空间迅速发展，2000 年以来人工冻结法在我国发展迅速。岳丰田[2]针对黄浦江底砂质粉土地层大断面隧道联络通道施工的难题，采用冻结法进行施工，形成可靠冻结帷幕，有效保障施工安全；乔卫国[3]以南京地铁淤泥质粉质粘土地层联络通道冷冻法施工，对盐水温度等进行长期监测，提出可靠施工建议；覃伟[4]采用双隧道打孔冻结方案进行隧道冷冻施工，保障了南京地铁2 号线砂土地层联络施工顺利进行。

苏州地铁3 号线17 标方湾街站-青剑路站区间联络通道所处的地层主要为软弱富水砂层，地层稳定性差，易发生涌水冒砂、地层扰动过大影响施工安全，为保障施工进度及安全，连接通道施工采用人工冻结法。本文依托方青区间联络通道施工，确定了冻结孔的布置和冻结参数的选择，通过现场监测及数据分析，对盐水温度、冻胀压力、地表沉降等进行监测分析，总结人工冷冻法冻结发展规律，为类似工程提高参考。

1 工程概况

苏州市轨道交通3 号线包括两座相邻车站，为方湾街站和青剑路站，在3 号线工程方青盾构区间内，为了满足区间紧急疏散和排水的要求，设置一处联络通道。联络通道所在土层主要为⑤1 粉质粘土及⑤1a 粉土夹粉砂层，隧底土层主要为⑤1 粉质粘土。工程范围内涉及地下水主要为潜水。联络通道地层位置图如图1 所示。

联络通道地面南边为某厂房，距离联络通道42m，北边为某公司地面停车场，距离联络通道28m。联络通道及泵房对应地面南、北两侧均有有燃气管道及自来水管道等且联络通道附近供水、燃气管线较多，距离较近，施工时需注意对地下管线的保护，周边情况具体分布如表1所示。

表1 联络通道附近构筑物及管线汇总表

2 工程主要风险分析及对策

1）开挖后软弱富水砂层难以自稳，地层稳定性差，含水率大，易发生涌水、涌砂、地层扰动过大等问题，影响施工安全，必须对施工周边土体进行加固以保障施工安全。经比选选择冷冻法施工，并确定了“冻结法加固土体，矿山法开挖通道”的施工方案。人工冷冻法安全可靠，灵活性较好，可灵活绕开障碍物。

2）联络通道附近有供水、燃气管线，施工时尤其是后期融沉注浆时需注意对管线的保护。

3）影响联络通道冻结帷幕稳定性的因素较多，以土层冻结情况最为明显[5]。本工程富水地层的特殊地质条件会加剧土层冻胀的情况，不利于隧道的稳定性，故增设泄压孔，加强对冻胀压力的监测，及时了解冻胀压力的变化情况以做出相应对策。

3 冻结施工设计

3.1 冻结孔的布置

冻结孔按照上仰、近水平、下俯3 种角度布置在通道的四周，布设77 个冻结孔。其中冻结孔数左线隧道内58 个，右线隧道内19 个。设计测温孔9个，其中左线2个，右线7个。卸压孔4个，每侧隧道各布置2 个。冻结孔、测温孔布置如图2 所示。

图2 冻结孔、测温孔布置图

3.2 冻结参数

为更好选择冷冻设备，提高冷冻效率，计算冻结站需冷量，冻结孔需冷量计算公式为

Q＝1.2πdHK

式中Q——冻结孔需冷量；

H——冻结总长度（含冷排管长度）；

d——冻结管直径；

K——冻结管散热系数，取250kcal/hm2。

计算得出，方青区间联络通道及泵房需冷量为7.08×104kcal/h。

据计算结果单个联络通道冷冻机房选用170WDEDD 型螺杆机组（标况制冷量11.7×104kcal/h）2 台，其中1 台备用。选用ISW150-315 型盐水循环泵，单台流量200m3/h，电机功率30kW。冷却水循环选用IRG125-125 型清水泵2 台，流量160m3/h，电机功率15kW。为提高冷却效率，补充选用SLB-80 型冷却塔2 台。结合本区间软弱富水砂层的特殊地质条件，积极冻结45d。

3.3 冻结开挖方式

联络通道采用矿山法施工，结构为复合式衬砌。联络通道设计净宽为2.5m，净高为2.75m，采用二次支护方式。采用C35 高性能防水混凝土，抗渗等级为P10。衬砌采用二次衬砌方式，所有初期支护层厚度均为250mm。

4 冻结施工技术措施

冻结孔施工工序依次为：定位、开孔→孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→封闭孔底部→测量→打压试验，具体如下。

1）定位开孔及孔口管安装 按设计要求确定隧道段上各冻结孔的位置，然后用开孔器（配备金刚石钻头取心）按设计角度开孔。开口直径为130mm，开孔深度为250mm 时，停止取芯，安装孔口管。

2）孔口装置安装 用螺丝将孔口装置安装在闸阀上，同时安装好密封垫片。

3）钻孔 用1 台MD-80 型钻机钻孔，按要求调整好钻机位置并固定，将钻头装入孔口装置，将盘根轻压入盘根盒内，采用干式钻进，同时打开小阀门，随时注意观察出砂、出水情况，保证地面安全。

4）封闭孔底部 用丝堵封闭好孔底部。

5）测量 冻结管安装完毕后，对冻结管长度进行复测，用灯光测斜仪进行测量。冻结孔允许偏斜率应不超过1%。

6）打压试验 把孔口进行封闭，用手压泵打水到孔内，当压力达到0.8MPa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.5 倍时，打压结束，关闭阀门，观测压力的变化，30min 可减少0.05MPa，稳定15min 压力无变化者为试压合格。

冻结孔施工完成后，采用跟管法钻进技术钻进冻结管，既减少了地层流出物的数量，也有利于控制地面沉降。

5 冷冻过程监测及数据分析

5.1 盐水温度监测分析

由热力学基本定律可知：热量是由高温物体自发的传递到低温物体。当低温盐水注入冻结孔后，土体中的热量自发的源源不断的传递至盐水中，使得盐水回路的温度高于去路温度。随着盐水的注入，土体冻结程度不断发展，冻结壁厚度增加，土体温度不断降低。土体与盐水之间热量交换的频率随着土体和盐水之间的温差变小而缓慢降低（图3）。

图3 盐水温度监测分析图

苏州市轨道交通3 号线工程17 标段方湾街站-青剑路站区间联络通道工程积极冻结15d后，盐水回路温度-29.9℃，去回路温差稳定在1.5℃以下，热量交换速率明显降低，冻结后去回路温差总体上明显呈降低趋势，体现土体冻结程度迅速发展，冻结施工作用显著。积极冻结45d 后盐水温度去路为-31.9℃，回路温度-31.1℃，去回路温差为0.8℃，温差低于1.2℃，盐水回路温度降至-28℃以下，满足设计要求，说明土层的热负荷减少，冻土帷幕形成良好。

5.2 土体温度监测分析

1）测温孔温度分析 共设9 个测温孔，其中左线布置2 个，右线布置7 个，采用C1-C9 表示。测温孔内设有3～5 个测温点。C9 用来测量上部喇叭口冻结帷幕发展情况，C3 用来测量右线底部喇叭口冻结帷幕发展情况，C1、C2、C4、C5、C6、C7 与冻结孔平行打设，用来测量冻结帷幕剖面发展情况。测温孔冻结发展速度分析如表2 所示。

表2 测温孔冻结发展速度一览表

由表2可知：冻土最慢发展速度为30mm/d，以最慢发展速度冻结46d 冻土发展半径r＝30×46＝1380mm。按最不利情况（半径为1 380mm）计算的冻结帷幕发展半径作冻结帷幕交圈图可知，通道部位冻结帷幕最薄有效厚度为2 400mm，通道口冻结帷幕最薄有效厚度为2 363mm，冻结帷幕有效厚度大于设计要求，冻结帷幕厚度满足设计要求，满足开挖要求。

2）计算冻结帷幕平均温度 依据《建井工程手册》冻结施工成冰公式，对冻结帷幕的平均温度计算如下

式中toc——按零度边界线计算的冻结壁平均温度；

tc——冻结壁平均温度；

tb——盐水温度；

l——冻结孔间距；

E——冻结壁厚度；

tn——测点温度。

计算得冻结帷幕有效厚度平均温度为-12.02℃，低于设计-10℃，符合设计要求。

5.3 冻胀压力监测

陈肖柏[6]等认为形成冻土与土层性质、含水量、渗透性、冻结温度和周围压力等因素有关。冻胀形成一般先是土层中孔隙水结冰产生基本冻胀，水变成冰其体积约增9%，而土体冻胀量约为3%，富水砂层中水体变形大，冻胀压力更值得关注。在制冷剂作用下，联络通道土体产生变形，土层密封空间内冻胀变形会产生向外的冻胀压力，各冻结孔之间的冻胀压力交互使得冻胀压力逐渐增大（图4）。根据规范，泄压孔压力稳定且泄压孔中12h 无泥水流出，可以判定通道冻结壁开始交圈，满足冻结施工条件。

图4 冻胀压力监测图

为明确软弱富水砂层中联络通道的冻胀规律，在隧道旁通道共布设4 个泄压孔，其中右线为X1 和X2，左线为X3 和X4。开始冻结时泄压孔的初始压力全部为0，22d 后泄压孔X2 压力发生突变，迅速上涨到0.15MPa；泄压孔X4 变化增大较慢，31d 时压力上涨到0.15MPa。30d 后，各泄压孔压力均达到0.15MPa。

通过对泄压孔的观察，22d 后泄压孔中无泥水流出，泄压孔压力保持稳定。通过对测温孔和卸压孔的监测数据进行综合分析，得出冻土帷幕交圈前后的温度发展规律，满足冻结施工条件。

6 结论

1）苏州市轨道交通3 号线工程17 标段方湾街站-青剑路站区间联络通道工程，钻孔数量和质量符合要求，冻结过程良好，与工程同步进行了冻结温度、冻土压力、隧道变形的监测，得到了土体冻结的一些规律，指导了工程施工。

2）冻结46d 后，冻结壁厚度满足设计要求，冻结壁平均温度满足设计要求，盐水去回路温差满足设计要求，泄压孔压力稳定，冻结壁开始交圈，已具备开挖条件。

本工程成功使用人工冻结法在软弱富水粉砂层中完成冻结施工，为类似软弱富水地层中人工冻结法施工提供经验参考。