地铁工程江底联络通道冻结法施工技术浅析

地铁工程江底联络通道冻结法施工技术浅析

杨明杰

南宁轨道交通集团有限责任公司

摘 要 江底联络通道施工存在冒顶透水等重大风险。为解决过江隧道江底联络通道的施工难题， 通过对冷冻法技术的研究， 对冻结帷幕的设计、 施工以及联络通道冻结技术进行了全面的、 深入的研究， 在保证安全、 质量的前提下快速的完成联络施工，采用冻结法进行施工。本文主要从冻结及开挖施工全过程进行剖析，得出冻结法施工在富水地层联络通道施工重大技术突破，供后续施工参考。

关键词 邕江 圆砾 联络通道 冷冻施工

1工程概况

南宁市轨道交通5号线一期工程（国凯大道-金桥客运站）五一立交站（原旱塘站）~新秀公园站（原新阳路站）盾构区间盾构隧道共设3座联络通道和1座废水泵房，其中2#联络通道和泵房合建，3#联络通道和区间风井合建（不含）。鉴于1#联络通道位于圆砾/泥岩复合地层，2#联络通道兼泵房位于邕江江底，与邕江水有密切的水力联系，是该项目的高风险、关键性工程。结合地质邕江情况采用冻结法施工。冻结施工如何解决江底高水压、强透水地层冻结孔钻孔、冻结时间的控制、冻结帷幕的稳定性，是联络通道是成败的关键问题。

1.1 工程地质

1#联络通道埋深29.17m，地层自上而下依次为素填土2、粉质黏土3-2、粉土2、粉细砂1-2、圆砾1-1，洞身位于圆砾/泥岩复合地层，洞底位于全断面粉砂质泥岩1-3，洞顶水位19.2m，1#联络通道位于邕江边，主要考虑圆砾地层渗透系数70m/d，本区间邕江附近水力梯度取2‰，经计算可得：v=0.14m/d；

2#联络通道兼泵房埋深14.55m，地层自上而下依次为圆砾1-1、粉砂质泥岩1-3、泥质粉砂岩2-3地层，洞身位于全断面泥质粉砂岩2-3地层，洞底位于全断面泥质粉砂岩2-3地层，洞顶水位26.17m；2#联络通道兼泵房位于邕江江底，由于洞身及洞顶位于不透水泥岩地层，受江水影响较小。

1.2 水文地质

区间邕江河段河床宽约485m，深约21m，平均水面宽307m，枯水水深8m～9m。100年一遇洪水位80.50m。江底分布一定厚度淤泥，下伏半成岩的粉砂质泥岩，泥质粉砂岩，隧道结构从该半成岩岩层中通过，该层透水性弱，邕江与区间隧道所穿越圆砾地层存在水力联系。

勘察期间，初见水位主要是第四系的松散岩类孔隙水，水位在0.00～10.50m，稳定水位为1.00～18.50m，水位受地形和降水影响很大。地下水水位年变化幅度约为2～5m。

2 工程难点分析

（1）冻结施工最主要的是冻结帷幕需严格按照设计要求实施，因此如何确保冻结帷幕形成及交圈是本工程重点；

（2）因1#联络通道位于圆砾/泥岩复合地层，如何控制钻孔施工中土体流失、确保钻孔施工质量是本工程施工重难点；

（3）2#联络通道位于邕江下，埋深达 26.17米，水土压力极大，如何保证冻结效果及开挖安全事故本工程的重点。

3联络通道施工技术

3.1 施工工艺流程

联络通道冻结施工流程主要为：冻结方案设计→场地布置及施工准备→钻孔施工→冻结施工→通道开挖及格栅支架安装→通道结构施工→解冻及融沉注浆。

3.2 冻结方案设计

3.2.1 冻结帷幕的设计参数

（1）联络通道的冻结帷幕厚度设计为2.5ｍ，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界面处平均温度不高于-5℃。其它部位设计冻结壁平均温度小于等于-10℃。

（2）冻土强度的设计指标取为：单轴抗压不小于4.5MPa，弯折抗拉强度不低于2.3MPa，抗剪强度不小于2.0MPa（-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）积极冻结时，在冻结区附近200m范围内不得采取降水措施，在冻结区土层中不得有集中水流，在冻结壁附近隧道管片内侧铺设保温层，铺设范围至设计冻结壁外1m，保温层采用阻燃（或难燃）的软质塑料泡沫软板，厚度不小于40mm，导热系数不大于0.04w/mk。

（4）联络通道设计冻结时间为30~35天，含泵房冻结时间为40~45天，冻结单孔流量不小于5m3/h，积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下，积极冻结15天盐水温度降至-24℃以下。开挖时去、回盐水温差不大于2℃。盐水温度降至-28℃以下；当盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应适当延长积极冻结时间。

3.2.2 冻结孔、测温孔、泄压孔布置

（1） 冻结孔布置

2座联络通道及泵房主冻结面均设置在区间左线隧道，其中1#联络通道共设钻孔70个，左线设49个（含透孔4个），右线设21个，；2#联络通道兼泵房共设钻孔76个，左线设55个（含透孔4个），右线设钻孔21个；

（2） 测温孔布置

联络通道及泵房布置测温孔12 个。

（3） 泄压孔布置

在络通道都冻结帷幕封闭区域内布置 4 个卸压孔， 左、 右线各2 个， 主要用于检测冻结帷幕内的冻胀力和及时释放过高的冻胀力。

（4） 技术参数

①冻结孔技术参数 ：冻结管用 Φ89×8mm20# 低碳钢无缝钢管 ； 冻结孔的开孔位置

误差不大于 100mm， 应避开管片接缝、 螺栓、 主筋和钢管片肋板。冻结孔最大允许偏斜不大于 150mm ； 冻结管接头采用螺纹加焊接，抗拉强度不低于母管的 75% ； 冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度（冻结管管头碰到冻结站对侧管片的冻结孔除外）， 不能循环盐水的管头长度不得大于 150mm ； 冷冻排管采用 Φ45×3mm 无缝钢管。

②测温孔技术参数 ：

测温管深孔选用 Φ89×8m的钢管，浅孔选用Φ32×3mm 的钢管；测温管长度每个 1 ～ 4m 不等；管前端焊接密封，确保管内不得渗水。

③泄压孔技术参数：

卸压管选用 Φ32×3mm 的钢管，长度2m。

④其它冻结施工技术参数 ：

积极冻结期盐水温度为 -28℃ 以下；1#、联络通道设计积极冻结时间约为45天，2# 联络通道设计积极冻结时间约为 55 天，达到设计加固效果后，方可进行开挖工作；维护冻结期盐水温度为 -25 ～ -28℃，维护冻结时间为达到设计加固效果后至主体结构施工完成 ； 冻结孔单孔流量不小于5m3/h。

3.3 钻孔施工

3.3.1 冻结孔施工顺序

先施工透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关的钻进参数。然后根据联络通道施工的孔位， 采用由下向上的顺序进行施工， 这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动， 减小钻孔施工时的事故发生率。

3.3.2 冻结孔的定位

依据施工基准点， 按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，孔位布置首先要依据管片配筋图和钢管片加强筋的位置， 在避开主筋、管缝、 螺栓及钢管片肋板的前提下可适当调整，不大于 100mm。

3.3.3 冻结孔开孔及孔口密封装置

开孔选用 J-200 型金刚石钻机，配 φ 130mm 金刚石取芯钻头进行钻孔，深度约 250mm，控制不钻穿管片。用钢楔楔断岩心，取出后， 打入加工好的孔口管，并用不少于 4 个固定点固定在管片上（固定点采用植筋的方式， 植入钢筋为 φ 14mm 螺纹钢），然后安装孔口密封装置。每个钻孔完成后，在孔口法兰与冻结管之间间隙用钢板焊接密封。 3.3.4 冻结孔钻进

（1）钻 孔 设 备 使 用 MD-80A 钻 机（1#、 2# 各 1 台 ）， 配用BW250 型泥浆泵，钻具利用 φ 89×8 ㎜冻结管作钻杆；

（2）冻结管之间采用套管丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心度和焊接强度。

（3）钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。

（4）在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

3.3.5冻结管安装

①冻结管之间采用丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心度和焊接强度。

②下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结孔终孔最大允许间距为1100mm，超出最大允许间距的，可进行补孔或作延长冻结时间进行处理。

③冻结管长度和偏斜合格后进行打压试漏，压力控制在0.8MPa，前15分钟压力损失小于0.05MPa,后30分钟压力稳定无变化者为试压合格。试压不合格的，可拔出冻结管进行重新钻孔，或下套管进行处理。

3.4 冻结施工

3.4.1 冻结制冷系统设计

①需冷量计算

冷量计算：

Q=kAq

Q-----需冷量，kcal/h

k------冷量损失系数

A------冻结管散热面积，m2

q-------冻结管散热系数

②冻结站设备选型

根据实际工况，两座联络通道及泵房共用一个冻结站（冷冻站布置于2#联络通道，通过管路对1#联络通道进行冷冻加固），冷冻机三台（两用一备，同时冷冻相关机械主要配件现场储备充足）。主运转采用170WDEDD型冷冻机组，当盐水温度为-30℃，冷却水温度25℃时（较低），机组的额定制冷量为1.47×105kcal/h，冷冻机组电机额定功率为136kw。备用机选择170WDEDD型冷冻机组；

2台冷冻机组制冷量为2.94×105kcal/h，设备实际制冷量按额定制冷量的80%考虑，实际制冷能力为2.35×105kcal/h，大于需冷量1.16×105 kcal/h，满足施工需求

③管路选择

联络通道管材：供液管选用Φ48×3.5钢管，采用焊接连接；盐水干管和集、配液圈选用Φ127×4.5mm无缝钢管；冷却水管选用Φ127×4.5mm无缝钢管。

3.4.2冻结制冷系统安装

联络通道冻结制冷系统主要包括两个子系统，一是冻结工作面，即需要冻结加固的联络通道地层及其冻结管路；二是冻结站。这两个子系统通过盐水干管连接，在正式冻结运转施工前完成。

3.4.3冻结制冷系统安装

根据现场施工环境，拟将冻结站安装在区间左线隧道内，距离2#联络通道20环位置，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。设备安装按照设备使用说明书进行。

3.4.4积极冻结与维护冻结

（1）积极冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。 在试运转时， 要随时调节压力、 温度等各状态参数， 使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。 冻结系统运转正常后进入积极冻结。此阶段为冻结帷幕的形成阶段， 1# 联络通道设计冻结时间为45 天， 2# 联络通道兼泵房设计冻结时间为 55 天， 要求冻结孔单孔流量不小于 5m 3 /h ； 去回路温差不大于 2℃ ； 开挖前盐水温度降至 -28℃以下。 如盐水温度和盐水流量达不到设计要求， 应延长积极冻结时间。

（2）维护冻结

在积极冻结过程中， 要根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度， 同时要监测冻结帷幕与隧道的胶结情况， 测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后， 可进入维护冻结阶段。维护冻结期温度不高于 -28℃， 冻结时间贯穿联络通道开挖和主体结构施工始终。

3.4.5 交圈论证

项目根据冻结帷幕发展速度判断已交圈、多个测温孔共同验证及泄压孔已出现压力上涨等情况后，收集相关资料，组织进行交圈专家论证，在确认已具备交圈条件后，进行后续施工准备工作。

3.5 开挖施工与格栅支架安装

联络通道开挖面均位于区间左线盾构隧道，开挖采用人工风镐挖掘，短掘短砌技术，全断面开挖方式，初支拱架采用钢格栅，格栅间距0.5m/榀，格栅和开挖冻土之间采用5cm厚木背板进行隔绝，格栅之间采用Ф22钢筋连接，环向间距1m；格栅表面焊接单层钢筋网片，钢筋网片采用φ8mm焊接，间距150×150mm，喷射混凝土强度为C25，厚度为250mm。

3.5.1 导洞开挖

钢管片拆除完成后，首先进行导洞开挖，开挖尺寸同门洞尺寸，开挖进尺1m，然后在冻土表面铺设保温板，然后采用木背板进行加固，确保导洞稳定；

3.5.2 正常段开挖

导洞开挖完成后，按照设计尺寸进行扩挖施工，扩挖段施工长度为0.5m。

3.5.2 正常段开挖

第一步距扩挖完成后，立即架设钢支撑支架、钢筋网片，格栅钢架接头必须等强度连接，每两片钢架节点处，相对主筋之间均加焊一根与主筋等直径的加强钢筋，；格栅钢架纵向连接钢筋采用Ф22，连接钢筋必须与钢架主筋焊接，环向间距1000mm，内外双排布置，每环布置17层。

3.5.3 喷射混凝土

初衬混凝土可在开挖完成后一次性喷射施工，开挖时加强初衬及型钢收敛变形监测，如收敛达到10mm应立即停止开挖，施工喷射混凝土，并在后续开挖中将型钢支架适当进行加密，型钢支架施工后立刻喷射混凝土。

喷射完毕，要及时进行表面的修整，以方便防水层的施工。

3.5.4 后续开挖

拱架安装完成后，对导洞区域冻土稳定性及冻土温度进行监测，如冻土稳定性较好，则对导洞侧面铺设保温板，架设木背板，并在背板外堆设渣土或砂袋进行防护，然后重复开挖、架拱，直至全部开挖完成。

3.5.5 导洞反掏

全部开挖完成后，清理导洞区域渣土、木背板及保温板后，对导洞区域渣土进行开挖，开挖完成后及时进行拱架架设、喷射混凝土。

3.5.6右线钢管片拆除

右线管片拆除前需将右线钢管片之间连接螺栓再次进行复紧，然后拆除钢管片连接螺栓，在对侧钢管片上焊接拆除吊耳，再利用5T手拉葫芦通过固定在左线钢管片上将右线钢管片拆除。

3.5.7泵房开挖

泵房开挖需在横通道二衬混凝土强度达到设计要求80%后，方可进行泵房开挖施工。初次开挖深度为0.5m，中心预留核心土，并在洞口位置连立2榀格栅拱架作为暗梁，预留钢筋头接入泵房第一榀拱架内，端头封底钢板和第一榀格栅拱架焊接，钢格栅封闭成环后方进行再次开挖，开挖步距0.5m，再次安装格栅拱架，重复上述操作，直至泵房开挖完成。

3.6 注浆施工

（1）充填注浆

初支背后压密注浆应在初支混凝土喷射完成7d后进行，二衬背后注浆在混凝土浇筑完成30d后（或二衬混凝土强度达到设计强度60%以上）进行；

充填注浆结束标准为:下层注浆时，如上层注浆孔出现连续返浆后停止下一层注浆，直至全部注浆孔均出现连续返浆情况后停止填充注浆。

（2）融沉注浆

融沉注浆在充填注浆结束后、结合地表沉降监测情况适时进行，当日地层沉降大于0.5mm或累计沉降大于3mm时开始进行融沉注浆，当地层隆起大于3mm时停止注浆；当地层沉积持续一个月变化量小于1mm/半月时，可停止融沉注浆施工。

3.7 施工效果

联络通道施工中，如采用冷冻法进行地层加固和止水，可人为地控制加固地层的形状和范围，形成的加固土体均匀、完整、止水效果好强度高，有效的保证联络通道施工的安全。1#、2# 联络通道施工中未发生任何险情，工程施工质量良好。

3.8 总结与心得

在两座联络通道施工开始前，提前进行施工组织编写和冷冻设计，邀请国内著名冷冻专家进行施工组织评审，听取社会各方专家意见，落实到联络通道施工过程中，确保联络通道施工安全。

总之,冻结加固法具有安全、可靠的特点,尤其适合在软土含水层应用。冻结加固法在应用中可以达到高速、稳定加固的效果,这注定它有强大的生命力,在地铁事业蓬勃发展的今天,冻结加固技术通过不断地实践一定会取得更大发展,也会在地铁建设中发挥越来越大的作用,为城市基础设施建设做出突出贡献。

参考文献：

[1]《旁通道冻结法技术规程》（DG/TJ08-902-2006）