双排冷冻孔技术在佛山地铁三号线盾构联络通道施工中的应用

双排冷冻孔技术在佛山地铁三号线盾构联络通道施工中的应用

陈树杰  ,刘刚

佛山市地铁集团有限公司  广东 佛山 528000

摘要：地铁隧道联络通道普遍采用冷冻法施工，冻结法施工过程中经常出现冻结帷幕不能达到设计值，从而造成冻结时间延长，工期拖后，成本增加等不利因素，本文从盐水冷冻工程实例角度讲述双排冷冻孔在冷冻法施工中优势，为冷冻法施工提供优化方向。

关键词：冷冻法；冻结孔；双排；温度；冻结帷幕

一、引言

冻结法施工盾构联络通道最早在上海地铁应用，随着中国地铁建设的快速发展，在华南也开始使用此法。清楚了解冷冻机组构造、工作原理方可有效操作冷冻机组，确保盐水温度按计划下降，从而保证冷冻效果，亦可通过调节冷冻机组从容应对突发事件。

（一）冷冻机组构成

冷冻机组通常包括压缩机、电动机、联轴器、气路系统（包括吸气止回式截止阀和吸气过滤器）、油路系统（包括油分离器、油冷却器、油过滤器、油泵、油压调节阀和油分配管路）、控制系统（包括操作仪表箱、控制器箱、电控柜等）和设备、系统间的连接管路等组成。Ⅱ、Ⅲ型机去除了油分离器，增加了经济器，可增大对盐水的降温效果。

（二）冷冻机组工作原理

冷冻机组的运转主要由氟利昂循环系统、清水循环系统、盐水循环系统和一个油循环系统组成。

氟利昂循环系统：先开启油泵，使油循环一段时间后开起压缩机，通过做功将低压的氟氯昂气体转换成高温高压的氟氯昂气体（少量油），通过油分离器分离出温度较高的油，形成高温高压纯净的氟氯昂气体进入冷凝器；在冷凝器中通过清水的循环放热转换成低温低压的氟氯昂液体；再通过节流阀进入蒸发器蒸发吸收盐水的热量转换成高温低压的氟氯昂气体，以此循环。

清水循环系统：由一个30KW（根据工程情况而定）水泵做功，使清水池中冷却的清水进入冷冻机组的冷凝器中，给通过冷凝器的高温高压气体氟氯昂降温，从冷凝器出来产生的温度较高的清水进入冷却塔散热后流入清水池，以此循环。

盐水循环系统：由一个30KW（根据工程情况而定）水泵做功，使盐水箱中冷却后的盐水进入冻结器对土体进行降温，从土体出来的温度较高的盐水回到冷冻机组蒸发器中，由低温低压的液体氟氯昂降温后转换成温度较低的盐水再进入盐水箱，以此循环。

二、施工案例1：佛山市地铁三号线逢沙停车场出入场线联络通道施工

（一）工程概况

佛山市地铁三号线逢沙停车场出入场线联络通道所处地层从上到下依次为:<1-1>素填土,<2-2>淤泥质粉细砂，<2-1a>淤泥，<2-3>淤泥质中粗砂，<2-1b>淤泥质土,<2-4>粉质黏土,<3-2>中粗砂，<7-1>强风化泥岩，<8-1>中风化泥岩。联络通道拱顶覆土厚度约为21.7米，拱顶主要为开挖断面地层为<2-3>淤泥质中粗砂，<2-4>粉质黏土,<3-2>中粗砂，洞身主要位于<7-1>强风化泥岩，<8-1>中风化泥岩。具体如下图1所示。

图1地质剖面图

联络通道冷冻法施工两侧设计均采用单排冷冻孔，表面冷冻孔间距0.5m以内，测温孔11个，其中主侧面（A-A）2个，辅侧面（B-B）9个，具体布置如下图2示。

图2-1  冻结孔立面透视图

图2-2孔位布置平面图

（二）冷冻机组运行过程

冷冻法选用一用一备两台冷冻机组，自6月23日开始冷冻，盐水回路温度如下表示：

根据盐水去、回路温度、温差现场实测情况，盐水降温趋势是正常，冷量供应充分，但C3、C6、C7、C10测温孔测得土体降温下降趋势缓慢，具体如下图3示：

图3 C3孔温降折线图

C3 、C6、C7、C10温降趋势类似，自0.5m-5.7m深孔位冷冻30天后温度位于1℃-10℃之间（0.5m位置测点温度回升是由于25日打开了此处的保温层，对冷冻排管进行检查调整），且温将趋缓，冷冻帷幕胶圈时间难以估计，冷冻时间远超施工工期计划，维持原方案冷冻，难以满足工程建设要求。

（三）冷冻效果原因分析

温降速度缓慢不理想的测温孔位置均位于联络通道辅侧面（B-B）左侧，冻结孔设计从主侧面（A-A）向辅侧面（B-B）呈发射状态，如上图2所示，在主侧面开孔时侧面冻结孔间距为0.5m以内，到达辅侧面时，冻结孔间距约为1.0m左右，因此辅侧面冻土发展整体较主侧面缓慢。另外与辅侧面C3、C6孔相对应位置的主侧面C2孔温度为-1~-5℃左右，温度也明显高于同一侧的C1孔（约-12~-16℃），因此结合以上测温孔测点降温趋势分析，初步得出：此处地层内部地下水相对其余部位应较为丰富，流速较快，所以冻结冷量流失较大，冻土发展速度缓慢。

（四）冷冻措施优化

1．第一阶段措施

（1）检查相关位置管片环缝是否有渗漏水情况；

（2）检查辅侧面保温层敷设完好性，检查测温计功能完好性；

（3）陆续调整其余发展部位较好的冻结孔流量，增大此侧冻结孔内盐水流量；

（4）增加辅侧面冷排；

通过采取以上措施后发现保温层及测温计良好，管片环缝无明显渗漏，且调节盐水流量及增加冷排后温降无明显变化，C3 、C6、C7、C10测温孔温度仍位于1℃-10℃之间。

2.第二阶段措施

2021年7月29日上午所召开的专家会议要求，对辅侧面联络通道左侧3~5环管片进行壁后注单液浆（0.2~0.4Mpa），至2021年8月25日注浆工作结束,进一步隔绝壁后地下水与通道的联系。

通过采取以上措施后，C3 、C6、C7、C10测温孔温度变化1~2℃后再次趋于平缓，难以实现冷冻效果。

3.第三阶段措施

于联络通道B-B断面C3 、C6、C7、C10侧原冻结孔0.5m处增加一排冷冻孔J1-J9，冷冻孔深度2.5m，间距自上而下0.4m-1m不等，具体位置如下图4所示：

图4增加冷冻孔平面布置图                图5开挖前冷冻孔温度图

增加冷冻孔冻结后10天C3 、C6、C7、C10各测温孔以约0.6℃-1℃/天速度下降，冷冻13天后通过泄压孔及各测温孔相互验证，联络通道冷冻帷幕实现交圈，达到开挖条件，开挖前各孔温度如下图5示（C3孔自动测温计损坏，以人工测温代替）：

（五）开挖情况

逢沙停车场出入段线盾构区间联络通道于2021年9月20日开挖，至10月3日完成初支，开挖后探明地质与勘察报告相符，拱顶及掌子面稳定、无渗漏水冷冻效果良好。

                             图6联络通道开挖断面图

三、施工案例2：佛山市地铁三号线桂城站~南海广场站区间1#联络通道施工

（一）工程概况

佛山市地铁三号线桂城站~南海广场站区间1#联络通道兼废水泵房地层由上往下依次为<1-2>杂填土、<2-1B>淤泥质土、<3-2>中粗砂、<5C-1B>可塑状粉质黏土、<6>（全风化）泥质粉砂岩、<7-2>（强风化）泥质粉砂岩、<8-2>（中风化）泥质粉砂岩。联络通道兼废水泵房所处地层为<6>（全风化）泥质粉砂岩。地质剖面具体如下图7所示。

图7地质剖面图

1#联络通道兼废水泵房冷冻法施工两侧墙冻结孔设计通过优化后采用双线双排冷冻孔，表面冷冻孔终间距约1.0m左右，测温孔12个，其中主侧面（A-A）2个，辅侧面（B-B）10个，具体布置如下图8示。

图8-1  冻结孔立面透视图

图8-2 主孔位布置平面图         图8-3 副孔位布置平面图

（二）冷冻机组运行过程

冷冻法选用一用一备两台冷冻机组，自2021年11月1日开始冷冻，盐水总去、回路温度如下表示：

根据盐水总去、回路温度、温差现场实测情况，盐水温度降温趋势正常，冷量供应充分，测温孔测得土体降温下降趋势正常，典型测温孔温降趋势如下图9示：

图9桂~南区间1#联络通道测温孔温降折线图

通过对盐水温度及各测温孔温降折线图进行分析，优化边墙冻结孔后，测温孔温度匀速下降，得出冻结帷幕发展匀速进行，冷冻26天后冷冻帷幕基本交圈，达到开挖条件，较常规施工工艺冷冻45天有明显缩短冷冻期限。

（三）冻结期限较短原因分析

鉴于临近项目工况总结，及与本项目实际对比，在与设计等相关单位沟通下将对冷冻孔进行优化，即保持原有设计冻结孔不变，将侧墙部位冻结孔由双线单排孔布置优化为双线双排孔布置，即原有设计侧墙部位冻结孔不做变化，在对侧隧道侧墙部位在增设一排冻结孔，并采用错位加强布置（图8-3示），弥补薄弱环节。

（四）冻结孔双线双排优势分析

1.削弱地层复杂的负面影响

冻结孔双线双排设计即为加大供冷量，可有效的大规模削弱施工范围内地层温度较高、地层复杂、水系丰富的负面影响，提高冻结法的适用性、安全性。

2．错位加强布置，弥补薄弱环节

冻结孔双线双排布置可有效的控制、降低冻结帷幕发展不均衡、冻结帷幕形成后的应力不均匀等缺陷。使每条隧道的侧墙位置均有冻结孔向对侧隧道打设，并形成错位加强关系，更加直接、更加有效的解决了原始地层之间及原始地层与隧道管片交界面冻结胶结的薄弱环节。

3.提高冻结速率，加强冻结效果

双线双排冻结孔通过内、外排冻结孔不同作用，即外排冻结孔主要为向外辐射冷量抵抗外部地层热量的侵蚀，内排冻结孔主要为向内辐射冷量进行冻结。冻结孔双线双排冻结孔直接增加了冻结帷幕的有效厚度，同时间接的拉低了整个冻结帷幕的场域温度，相互之间起到彼此弥补促进作用，提高了整体的冻结速率，加强了冻结效果，保证整体安全性。

4.消除施工不确定性，降低施工成本

冻结孔侧墙部位双线双排优化在人、机、料、款、时各方面有效排除了冻结帷幕的不确定性、缺陷性，节约了大量的中、后期成本，促进了项目的良性循环，整体上降低了施工成本。

四、结语

通过地铁工程实例应用，不断验证双排冷冻孔在中、小型联络通道施工中有着显著的良性效果，各项冻结指标到达设计要求的时间有着显著的缩短效果，极大的提高了冻结帷幕整体的安全性及冻结帷幕的适应性，同时促进了项目成本控制工作的的良性循环，一举多得。