60 m级超长联络通道冻结法设计施工技术——以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间联络通道工程为例

朱泽萱， 刘红伟， 吴永哲， 杨 平, *， 张 婷

(1. 南京林业大学土木工程学院， 江苏 南京 210037； 2. 中交隧道工程局有限公司， 江苏 南京 210007)

0 引言

近年来，人工冻结法广泛应用于地层加固和地铁建设中。由于城市地铁建设经常受环境条件限制，且沿海地区地层条件相对较差，冻结法凭借其较强的适应性、冻结后冻土帷幕强度较高等优点，被广泛应用在盾构隧道始发接收和联络通道施工等[1-6]。尤其对长距离联络通道施工和软弱地层联络通道施工有无可替代的作用[7]。杨平等[8]成功将垂直冻结法应用在南京地铁。黄磊等[9]在南宁地铁东滨区间成功使用冻结法进行联络通道施工，并进行了冻结温度等监测。岳丰田等[10]结合上海隧道的施工，总结了联络通道冻结法施工工艺和消除冻胀融沉措施。除常规联络通道外，因绕过地面建筑物、预留管片等各种因素导致联络通道过长或超埋深，甚至会出现异形联络通道[11-12]。为应对联络通道过长或埋深过大问题，常采用双向打孔的方法，以提高冻结效果，提升安全性[13]。在特殊地层或没有工程经验的特殊联络通道建设中，往往会先采用数值模拟对参数可行性做出预测[14-15]。

虽然各种情况下的联络通道施工已有较丰富案例与研究[16-18]，但对60 m级超长距离联络通道，尤其是超过60 m联络通道的施工技术尚需突破。以往国内采用冻结法施工的最有代表性的超长联络通道为南昌地铁1号线某区间联络通道，长35 m。随着城市发展，特定环境下形成的联络通道日趋增多，不断涌现出新的难题，尤其是长距离水平冻结效果及大范围冻结后期融沉控制。

福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间(简称紫五区间)联络通道的隧道中心距为66.04 m，在国内尚属首例。本文以紫五区间联络通道及泵站施工为背景，研究60 m级超长联络通道冻结法设计施工技术。

1 工程概述

福州地铁紫阳站—五里亭站区间从紫阳站出发后沿福马路向东走行，区间隧道主要下穿五里亭立交桥桩基，最后接至五里亭站，线路纵断面呈“V”字坡。2条盾构隧道设置1座联络通道及2座集水井，联络通道位于立交桥附近，受立交桥桩基影响，区间联络通道及泵站线间距达66 m。联络通道上覆土层厚度约14.7 m，盾构区间和联络通道处于二元地层结构中，广泛存在液化砂土和黏土，地层从上而下依次为〈2-4-5〉淤泥质粉细砂(稍密—中密、局部松散、级配不良)、〈2-4-4〉淤泥夹砂(局部软塑、饱和、高压缩性)、〈3-1〉粉质黏土(可塑—硬塑，中压缩性土)。场地内有弱承压水且存在广泛的液化砂层和软土层。

2 60 m级联络通道结构优化设计

常规隧道联络通道线间距为12～15 m，采用的冻结方案大多为单侧冻结打孔及单集水井形式。但由于地面条件限制，会出现超过60 m的超长联络通道或异形联络通道，此时常规方法不能满足冻结施工的安全性要求，而一味增加冻结管长度则会导致冻结管过长，易发生偏斜导致施工困难或冻结帷幕不交圈，且单侧布置冻结管还会导致冻结帷幕过大，造价偏高，不够经济。因此，本文依托福州地铁超长联络通道，对本工程冻结方案和联络通道结构设计方案进行优化，以优化联络通道结构，增加安全性，减少造价。

2.1 联络通道结构方案

冻结法施工超长联络通道一般方案为： 设置一条超长联络通道，双侧打设冻结孔，并在中间设置一个集水井。该方案在30 m级的联络通道中被广泛采用，通过在两侧隧道进行双侧打孔，减少单个冻结管长度，易于控制冻结管的偏斜，通过设置搭接区域的方式确保冻结帷幕薄弱处的强度。

但对于60 m级的联络通道，双侧打孔、中央设置集水井的方案会导致冻结范围过大，造价高，冻胀融沉更明显。本工程综合考虑地面条件限制、周边环境、水文地质等条件，同时考虑施工难度等因素，最终确定在盾构隧道内设置1条66 m的超长联络通道，双侧打设冻结孔，并在联络通道两端分别设置1个集水井。

由于该联络通道净长达66 m，势必导致冻结时间较长，还应在联络通道的结构层面进行优化，以减少冻结对管片的影响，减小冻胀融沉。

2.2 联络通道结构优化

由于本工程联络通道长达66 m，中央设置集水井会导致冻结范围过大，所以选择在靠近隧道的左右两侧分别设置2座集水井(见图1)，分担了集水作用。因设置在较为靠近隧道的位置，可在靠近隧道的一侧进行钝角处理，方便密集冻结管钻孔施工。由于集水井处冻结管较短，冻结后形成一个异形冻结帷幕，减小了中间部分冻结帷幕的范围，极大削减了造价，增加了经济性，同时保证了安全性。

为避免冻结法对超长联络通道管片冻胀影响，将上拱顶高度减少200 mm，联络通道中间段优化为净高度1 510 mm，喇叭口优化为1 220 mm，中间通道部分由圆弧反底拱改为平底板，从联络通道中心点至底板处为1 670 mm，比原方案减少1 330 mm，整体缩减了联络通道几何尺寸。该方案除了利于冻结管布置，还可有效减小冻结帷幕体积，更有利于开挖，缩短开挖期和冻结工期；若冻结时间太长会导致开挖困难，更改结构尺寸可缩短开挖时间和冻结工期，从而减小冻胀融沉的影响。

同时对中心管片结构进行加强，联络通道中心两侧由1环钢管片增加至3环，可以显著增加结构强度，减少冻结对隧道的影响。

(a) 剖面结构

(b) 断面结构

3 冻结方案及参数

3.1 冻结方案设计原则

联络通道冻结法需适应当地地质与水文条件，同时应保证地表、建筑设施稳定，冻结帷幕安全。冻结方案设计原则如下：

1)水平孔冻结帷幕强度需满足联络通道施工安全、质量要求，冻结帷幕范围应满足待加固区域范围要求。

2)联络通道施工设计工期约为180 d，应在满足工程要求工期的基础上，通过优化冻结参数等方法进一步优化施工方案。

3)为减小冻结壁体积，缩小联络通道冻结壁尺寸，设置双集水井，保证冻结效果的同时提高经济性。

4)联络通道位于立交桩基群中，施工方案应充分考虑周边立交桥桩基沉降变形(不超过10 mm)。

5)冻结期间应严格控制管片变形。既有隧道拱顶沉降控制值为5 mm，洞内净空收敛小于5 mm；联络通道拱顶沉降控制值为20 mm，洞内净空收敛小于10 mm。

6)减小冻胀与融沉的危害，采取自然解冻融沉注浆措施，控制联络通道和管片变形在允许范围内。

3.2 冻结设计参数

60 m级超长距离联络通道在冻结参数设计上需要考虑一定的安全系数，本工程冻结主要设计参数见表1。

3.3 冻结系统

经计算，本工程冻结所需冷量为39.633×104kcal/h。依据冻结方案设计和现场实际情况，在左、右线隧道靠近联络通道处分别设置机房，每个机房各自配备4台冷冻机组、3IS200-150-315型单台流量315 m3/h盐水泵、2台清水泵、4台100 t冷却塔，补充新鲜水30 m3/h，将冷却系统安装在紫阳站端头井。

冻结管为φ108 mm×10 mm钢管，内丝箍扣连接，测温孔管浅、深孔直径分别为φ45 mm、φ108 mm，供液管为φ48 mm×4 mm钢管，通过焊接连接，盐水干管和集配液管为φ219 mm×4.5 mm钢管，清水干管为φ219 mm×5 mm钢管。

表1 联络通道冻结主要设计参数

3.4 冻结孔、测温孔设计

根据以往工程经验，同时保证冻土帷幕的完整性、施工安全性、经济性等，冻结孔按照水平、上仰、下俯3种形式布置，冻结孔平、剖面布置如图2所示。从左、右线隧道分别布设83、82个冻结孔，且在薄弱位置设加强孔，共175个冻结孔，单侧冻结孔最长为38.4 m，冻结成孔间距为1.3 m，允许偏差250 mm。

由于冻结孔越长终孔偏斜越大，易造成冻结帷幕不完整，发生涌砂冒水事故，通常在联络通道中间部位设置冻结孔搭接区域。根据以往工程经验，20 m级联络通道往往采用1.5 m的搭接区域，而超过60 m的联络通道尚无经验参考，在考虑地质条件和冻结管偏斜等因素后，最终确定6 m的搭接重叠长度，以保证冻结帷幕整体的稳定性和施工安全性。

测温孔共布置22个，上下行线各11个，深度为2～33 m。主体结构测温孔C1、C2、C5和C6应与冻结孔长度相当，达33 m，用于测量主体冻结帷幕温度；而C3、C4、C7和C8主要测量开挖洞门附近的温度，用于判断开挖时机；C9、C10、C11主要是测量冻结帷幕在泵站处的温度发展状况。温度监测采用电子自动测温系统和人工复核测温相结合的双重监测手段。

4 60 m级冻结施工重难点和关键技术

4.1 钻孔技术与工艺

该联络通道为国内首例60 m级联络通道，也是采用冻结法施工的最长联络通道，钻孔难度极大。60 m级超长距离联络隧道水平冻结施工的核心技术是钻孔纠偏技术。采用双向钻孔布设冻结管，冻结孔的成孔精度是冻结施工能否成功的关键。一旦成孔精度不能保证，冻结管的相互搭接处可能出现“开天窗”状态，导致冻结效果不佳，甚至引发工程事故。因此，针对超长冻结孔施工，对钻头、钻具、钻机设备的选型，钻进过程中的导向与纠偏及钻孔工艺进行技术革新与优化。

(a) 冻结孔剖面布置

(b) 左线冻结孔平面布置

(c) 右线冻结孔平面布置

4.1.1 钻孔工艺

1)由于单侧钻孔长度超过30 m，这对钻孔测斜仪器是很大考验。经国内测斜仪综合比选，选定SE-1测斜仪。该测斜仪在钻进过程中能准确定位钻头在地下的位置和方向，利用可随意调整方向的钻头(特制鸭嘴楔型钻头)改变钻头的钻进方向，同时利用水眼和光信号进行钻头位置复核。跟管钻进示意如图3所示。

图3 跟管钻进示意图

长距离钻孔采用特制钻杆，钻杆全部加工成内丝，确保连接处钢管有效厚度不低于6 mm，钢管与钢管之间采用丝扣内管箍连接，内管箍厚度不小于2 mm，内管箍两头做坡口处理(见图4)。

图4 内丝扣连接及坡口处理

2)水平钻进中钻头前端会因重力而下沉，同时钻具顺时针旋转，产生右旋力，造成成孔向右偏斜。因此，给定反方向的入孔水平方位角与仰(俯)角是补偿钻进偏斜、实现纠偏的重要措施之一，其中：

钻孔开孔方位角=冻结管设计立位角度±钻进纠偏水平角；

钻孔开孔仰角=设计仰(俯)角±钻进纠偏垂直角。

根据前期试验结果，施工中钻进纠偏水平角取0°～±0.4°，钻进纠偏垂直角拱部取0.1°～0.3°、底部取0°～0.1°。

除测斜仪和初始钻孔给定入孔水平方位角与仰(俯)角外，在均匀土层中以保持快速钻进为宜，在软硬不均地层中采取低压慢转、快速给进的钻进方法。钻进应随钻定向纠偏，纠偏利用斜板平推导向的原理，通过导向仪记录偏斜角度，推断偏斜方向，根据方向和角度给予反方向纠偏。

孔深至设计深度后，注浆压力应高于正常钻进时泵压0.2～0.4 MPa，绝对泵压不得超过2.5 MPa，瞬间泵压不得超过2.8 MPa。终孔20 h后，在孔口补充注浆。通过成孔后注浆，达到填充注浆和压密注浆的双重效果，保证冻结孔成孔质量。

4.1.2 长距离钻孔施工注意事项

钻孔施工中，由于区间地下水丰富，地层条件差，钻孔采用跟管钻进的方法，在控制地表沉降的同时，减少地层流出物数量。冻结施工时，应密切关注水土流失情况，并实时估算监测土体流失量，若大于成孔体积，应及时注浆控制地表沉降。冻结管采用2 cm宽的内丝箍扣相连，辅以焊接，保证冻结管的同心度。在随冻结管钻进纠偏的同时，应通过经纬仪绘制钻孔偏斜图并及时调整冻结孔偏斜。打设完毕后，对冻结管长度进行复测，保证冻结管入土长度达设计要求。冻结管安装完毕后，使用保温隔热材料封堵冻结管和管片之间的孔隙以保证冻结效果。

4.2 冻胀融沉防治

4.2.1 冻胀防治措施

1)在冻土帷幕内未冻土中设4个卸压孔，用于卸压消散作用在管片上的冻结附加力。卸压孔采用φ89 mm×8 mm无缝钢管，在冻胀引起地层压缩时，从卸压孔排除部分土体。积极冻结时，如果孔内水压增加，打开孔口阀门卸压。

2)为了减少冻胀，左右线的开机时间错开10 d，且集水井处冻结管供液时间相应推后，分区冻结也方便后面进行分区开挖。

3)当冻土帷幕交圈后，若通过卸压孔卸压仍难以控制冻胀，则可打设部分取土孔进行取土卸压。

4.2.2 融沉防治措施

1)为消除地层融沉对联络通道产生的不良影响，在结构衬砌上预留注浆管，在冻土帷幕自解冻的时候通过预埋注浆管进行土体注浆。

2)注浆孔应完整、合理涵盖整个冻土帷幕范围，联络通道及泵房结构内部预埋注浆孔的密度为1.5～2.5 m2/个，注浆孔布置如图5所示。

图5 注浆孔布置图

3)停止冻结3～7 d后，进行充填注浆，充填注浆分为1次进行，注浆流量宜控制在15 L/min左右。

4)选择自然解冻，跟踪注浆控制融沉，单孔注浆流量为20 L/min，并通过预留注浆孔根据监测数据进行跟踪注浆至沉降稳定。

5)注浆开始前，本工程根据冻结参数做了解冻温度场数值模拟，获得了解冻顺序，用于指导调整注浆顺序和注浆量。在管片中预埋注浆孔，结合维护冻结期间冻结壁发展状况，采取了初期跳点、由冻结壁薄至厚、自下而上、少量、多点、多次、均匀循序渐进的方法进行注浆，并根据隧道、地面、管线、建筑物的沉降和解冻温度场实际监测数据，适时调整注浆量和注浆时间间隔，确保沉降稳定。

6)融沉注浆浆液体积量按不低于实际冻结帷幕体积的15%进行估算，估算体积按配比换算出注浆所需水泥用量，合理安排注浆顺序，融沉注浆60 d内应完成70%的预计注浆量。

7)停止注浆标准采取时间与沉降双控指标，跟踪注浆时间不少于150 d。

4.3 开挖构筑技术

联络通道支护采用2次支护方式。第1次支护为初期支护，采用钢支架加木背板，完成通道部分的开挖后进行1次喷射混凝土作业。第2次支护为永久支护，采用现浇钢筋混凝土。联络通道初期支护安装效果如图6所示。

图6 联络通道初期支护安装效果

联络通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重新分布，这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移，而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上，冻土帷幕及冻结管会产生蠕变。为控制这种变形的发展，冻土开挖后要及时对冻结帷幕进行支护，所以联络通道的临时支护既作为维护地层稳定、确保施工安全的一项重要技术措施，又作为永久支护的一部分，是支护工艺最为关键的一步。

正常的联络通道经过水平冻结后直接开挖，但60 m级超长联络通道则应对冻结和开挖进行分区以保证联络通道施工安全性。先进行联络通道主体部分冻结，后进行集水井部分冻结。先通过试挖，然后分别开挖两侧通道主体部分，将联络通道分为5部分，双向开挖(见图2)，待联络通道主结构支护完成达到设计强度后再进行集水井开挖。

具体方案为： 第1阶段两头同时开挖(见图1)，完成第1道施工缝前的土方开挖、喷射混凝土、防水、钢筋及混凝土浇筑(在该过程中需要完成排水沟的开挖及排水管的敷设)，然后进入第2阶段开挖； 第2阶段开始前，需将安全防护门移动到结构预埋的环形预埋槽钢上，进行防护门安装，完成防护门安装后，开始第2阶段的土方开挖、喷射混凝土、防水、钢筋及混凝土浇筑，然后转入第3阶段； 第3阶段开始前，需将安全防护门移动到结构预埋的环形槽钢上，进行防护门安装，完成防护门安装后，开始第3阶段的土方开挖、喷射混凝土、防水、钢筋及混凝土浇筑。至此完成通道部分开挖及二次衬砌施工。分区开挖的同时使用多段式防护门，确保已完成结构成品处于安全状态。第4阶段进行集水井开挖，当集水井内冻结帷幕达到强度后，可进行全断面逐层开挖。开挖完成后进行支护及喷浆施工，然后进行防水及二次衬砌施工。多段式防护门和分段开挖的方式不仅保证了开挖安全性，还可减小造价。

5 实施效果

冻结孔在精准测斜仪和一系列钻孔工艺的支持下，打设状况良好，各冻结孔位置均在最大允许偏差250 mm内，盐水降温按预计降温曲线进行，积极冻结施工时间为60 d。右线J1测温孔温度变化曲线见图7。冻结降温可分为快速降温、水相变、继续降温和维护冻结4个阶段，测温孔曲线表明，大约45 d后，各测温孔下降至稳定温度，此时根据测温孔温度计算冻结帷幕达到了2 m冻结壁厚度，冻结壁与管片交界面平均温度小于-5 ℃，在隧道交界处的测温点温度比其余测点低，搭接区域冻结状况良好。此时，冻结壁已达到设计厚度，具备开挖条件，维护冻结期间冻结温度稳定，说明对联络通道的结构优化、冻结方案优化效果良好。

冻结施工和开挖构筑期间隧道结构稳定，通过结构、冻结参数等措施的优化缩短了工期，联络通道开挖工期共240 d，其中开挖施工90 d，注浆施工180 d。地表沉降测点布置如图8所示。开挖及注浆阶段地表沉降曲线如图9所示，图中各点为地表沉降各断面中沉降最大的测点。由图可知，开挖与注浆阶段地表沉降均控制在12 mm内，施工完成后融沉期间地表沉降和管线沉降稳定，未发生大面积沉降。

图7 右线J1测温孔温度变化曲线图

图8 地表沉降位移测点布置图

图9 开挖及注浆阶段地表沉降曲线图

针对该联络通道特殊性，通过变更优化施工方案减少了工程量，节约投资604万元。

6 结论与建议

1)60 m级联络通道施工通过设计采用双集水井结构、调整结构参数等方法，合理选用冻结参数、合理设置冻结设备，可达到冻结设计要求、减少冻结帷幕体积、提高安全性和减少造价。

2)通过特定钻机、跟管钻进、给定反方向补偿角等钻孔纠偏技术，采用内丝坡口钻杆、成孔后注浆等方式，保证冻结孔钻孔成孔质量。

3)通过控制盐水降温时间和卸压控制冻胀，以及前期数值模拟优化、指导注浆开始时间和注浆顺序，依据周边地表沉降自下而上、少量、多点、多次、均匀地精细化跟踪注浆，保证联络通道及既有隧道变形满足要求，实现顺利开挖并保证施工质量；采用双向分步开挖等方式保证了联络通道结构顺利开挖，并缩短了开挖工期。

4)针对60 m级超长联络通道，当地表具有敏感性结构，变形控制要求更为严格时，如何进一步优化冻结设计和控制冻胀融沉是值得进一步研究的课题，如可用措施有： 先进行适当的水泥系改良，在联通道上部设置部分取土卸压孔或后期注浆补偿孔。控制地表变形在长距离水平冻结帷幕形成后的暗挖过程中，随冻结体持续冻结，造成联络通道中间区间冻结时间过长，强度提高，对开挖进度有一定的影响。可进一步研究如何优化搭接区域冻结工期和控制冻结时间，以解决开挖困难的问题。