凍結法在鄭州地鐵聯(lián)絡通道加固中的應用

何偉　白衛(wèi)峰

摘 要：由于鄭州地鐵農業(yè)東路站至七里河站和七里河站至新鄭州站兩個區(qū)間所處的地層比較復雜，施工風險較大，在施工中必須采取切實可靠的技術措施，以確保聯(lián)絡通道施工的安全并保證施工工期，結合以往地鐵聯(lián)絡通道施工的經(jīng)驗，決定采用“隧道內水平凍結加固土體、隧道內礦山法開挖構筑”的全隧道內施工方法。本文通過介紹凍結法的施工工藝，進一步探討凍結法的施工難點，提出了相應的解決措施，為其它地鐵施工提供重要的參考價值。

關鍵詞：鄭州地鐵；冰凍施工法；聯(lián)絡通道；礦山法

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：

0.引言

凍結施工法[1，2]是指在構筑物（旁通道）掘砌之前，用人工制冷的方法，將構筑物周圍含水松散不穩(wěn)定的沖積層或巖層進行凍結，形成封閉的符合工程施工安全要求的起到臨時保護作用的凍結壁（俗稱凍土帷幕或凍土墻），然后在凍結壁的保護下進行構筑物挖掘砌工作的一種施工方法。該工法在鄭州地鐵建設中，之前還未得到使用。

1.工程概況

1.1工程簡介

此工程為鄭州市城市軌道交通1號線04合同段，含農業(yè)東路站～七里河站和七里河站～新鄭州站兩個區(qū)間，隧道總長4100m，采用盾構法施工，如圖1所示。盾構機外徑Ф6140mm，隧道內徑Ф5400mm，管片環(huán)寬1.5m，厚度0.30m。兩區(qū)間各設有1座聯(lián)絡通道兼排水泵房。農業(yè)東路站～七里河站區(qū)間隧道聯(lián)絡通道及泵站工程聯(lián)絡通道位置里程右線DK29+200.250、左線DK29+181.000，線間距13356mm，聯(lián)絡通道位置隧道中心標高右線69.649m、左線69.653m，聯(lián)絡通道處隧道中心埋深17.0 m。七里河站～新鄭州區(qū)間隧道聯(lián)絡通道及泵站工程聯(lián)絡通道位置里程右線DK30+453.490、左線DK30+460.694，線間距13544mm，聯(lián)絡通道位置隧道中心標高右線69.928m、左線69.916m，聯(lián)絡通道處隧道中心埋深17.9m。

1.2工程地質條件

（1）農業(yè)東路站～七里河站區(qū)間

農業(yè)東路站～七里河站區(qū)間隧道聯(lián)絡通道基本位于粉土和粉砂層，泵房基本位于粉砂層和中砂層。根據(jù)勘探，本區(qū)間場地內淺層地下水可分為孔隙潛水和承壓水兩種類型。孔隙潛水主要賦存于15.4～20.6m以上的Q4-3al+plQ4-2al+pl的粉土地層中。承壓水主要賦存于15.4m～42.6m范圍內的Q4-1al+pl 粉砂、中砂地層中。

（2）七里河站～新鄭州站區(qū)間

七里河站～新鄭州站區(qū)間隧道聯(lián)絡通道基本位于粉質粘土、細砂和中砂層中，泵房基本位于中砂層中。根據(jù)勘探，本區(qū)間場地內淺層地下水可分為孔隙潛水和承壓水兩種類型。孔隙潛水主要賦存于14.6～19.7m以上的Q4-3al+plQ4-2al+pl的粉土地層中。承壓水主要賦存于16.0m～34.3m范圍內的Q4-1al+pl 粉砂、細砂、中砂地層中。

2.凍結施工

2.1施工工藝和流程

冷凍法工藝原理是利用人工制冷技術，在隧道內利用水平孔和部分傾斜孔凍結加固地層，使聯(lián)絡通道外圍土體凍結，隔絕地下水，以便形成強度高，封閉性好的凍結帷幕。在凍結壁的保護下，采用礦山法進行聯(lián)絡通道的開挖構筑施工。聯(lián)絡通道施工可分為凍結孔施工、土體凍結和開挖構筑施工三個主要部分，其主要施工順序如圖2所示。

2.2需冷量計算及設備選型

凍結需冷量計算：Q=1.2·π·d·H·K

式中：H—凍結總長度：

d—凍結管直徑：Φ89mm

K—凍結管散熱系數(shù)；

將上述參數(shù)代入公式得出各通道需冷量：7.03×104最大需冷量（Kcal/h）。

根據(jù)需冷量，每個聯(lián)絡通道選用W-YSLGF300Ⅱ型螺桿機組一臺套，另外備用一臺。單臺機組設計工況制冷量為8.75×104Kcal/h，完全滿足聯(lián)絡通道的制冷需求。鹽水循環(huán)泵選用IS150-125-315型1臺，流量200m3/h。每個通道冷卻水循環(huán)選用IS150-125-315型1臺，流量200m3/h。冷卻塔選用KST-80型2臺。

2.3凍結孔施工

2.3.1凍結孔施工順序

先施工透孔，根據(jù)穿透孔的偏差，進一步調整有關的鉆進參數(shù)[3]。然后根據(jù)聯(lián)絡通道施工的孔位，采用由上向下的順序進行施工，這樣可防止因下層凍結孔的施工引起上部地層擾動，減小鉆孔施工時的事故發(fā)生率，同時在施工通道頂部孔時根據(jù)地面打孔數(shù)據(jù)及通道孔位放樣圖，在設計許可范圍內進行調整孔位放樣，避免打到豎向排水管。

2.3.2凍結孔的定位

依據(jù)施工基準點，按凍結孔施工圖進行凍結孔孔位放線，孔位布置應在避開主筋、管縫、螺栓及鋼管片肋板的前提下可適當調整，不大于100mm。

2.3.3凍結孔開孔及孔口密封裝置

開孔選用J-200型金剛石鉆機，配φ130mm金剛石取芯鉆頭進行鉆孔，深度約250mm，控制不得鉆穿管片。用鋼楔楔斷巖心，取出后，打入加工好的孔口管，并用至少有4個固定點固定在管片上，然后安裝孔口密封裝置，如圖3所示。

2.3.4凍結孔鉆進與凍結管設置

1）鉆孔設備使用MD-50或MD-80A鉆機一臺，配用BW250型泥漿泵，鉆具利用φ89×8mm凍結管作鉆桿；凍結管之間采用套管絲扣連接，接頭螺紋緊固后再用手工電弧焊焊接，確保其同心度和焊接強度。

2）鉆進過程中嚴格監(jiān)測孔斜情況，發(fā)現(xiàn)偏斜要及時糾偏，下好凍結管后，進行凍結管長度的復測，然后再用燈光測斜儀進行測斜并繪制鉆孔偏斜圖。

2.4積極凍結與維護凍結

2.4.1積極凍結

設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數(shù)條件下運行。凍結系統(tǒng)運轉正常后進入積極凍結[4]。此階段為凍結帷幕的形成階段，聯(lián)絡通道設計凍結時間為50天，要求凍結孔單孔流量不小于5m3/h；積極凍結7天鹽水溫度降至-20℃以下，積極凍結15天鹽水溫度降至-24℃以下，去回路溫差不大于2℃；開挖前鹽水溫度降至-28℃以下。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。

2.4.2維護凍結

在積極凍結過程中，要根據(jù)實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈和達到設計厚度，同時要監(jiān)測凍結帷幕與隧道的膠結情況，測溫判斷凍結帷幕交圈并達到設計厚度且與隧道完全膠結后，可進入維護凍結階段。

3.施工順序及工藝流程

施工順序：聯(lián)絡通道先開挖一側導硐，再開挖通道中間段，而后另一側導硐貫通；貫通后，進行通道部分的臨時支護、防水層、結構層施工。

施工工藝流程：聯(lián)絡通道開管片、試挖——一側導硐、臨支——通道挖掘、臨支——另一側開挖、臨支——做通道防水層、扎鋼筋、立模、澆砼——拆模、清理——壁間、壁后充填注漿。

4.關鍵施工技術措施

4.1凍結水平孔施工技術措施

1）凍結孔施工前，在布孔范圍內打若干小孔（Φ38mm）探孔，以判斷地層是否穩(wěn)定，是否易噴水、涌砂，以便做好各方面的準備工作[5]。

2）凍結孔開孔分二次進行，以此來控制泥漿涌出。第一次開孔用金剛石取芯鉆頭，取芯鉆進入管片約250mm，取芯后，安裝孔口管及密封裝置。第二次開孔在密封裝置的保護下進行，穿透整個管片后，及時地密封孔口。

3）采用強力水平鉆機，在條件允許的情況下，優(yōu)先采用無泥漿鉆進。

4）鉆孔過程中，嚴格控制水土流失，最好控制在不大于所有凍結管占用體積量，如流失過多，可在成孔后及時利用密封盒上的注漿管向土體充填壓漿。水泥漿采用單液水泥漿。

5）鉆孔前，對凍結孔的長度、角度及時檢查，并做好記錄，鉆機找平找正，調整好角度后，及時固定牢固。在鉆孔過程中，嚴格控制凍結管的焊接質量，經(jīng)檢查合格后方可繼續(xù)鉆進。鉆進結束后，及時對凍結孔進行測斜、打壓檢漏試驗、復測其深度。及時畫出各孔的偏斜圖。檢漏壓力控制在0.8MPa，穩(wěn)定15分鐘為合格。終孔間距超出設計要求的，需打補孔。

4.2凍結施工主要技術措施

1）因聯(lián)絡通道的施工危險點多，發(fā)生事故損失嚴重，事故影響大，本工程施工用電負荷按二級負荷考慮。現(xiàn)場變電所上源供電采取雙電源供電模式。從現(xiàn)場變電所引到聯(lián)絡通道凍結機組處采取雙回路供電。

2）凍結站安裝2個冷卻水蓄水箱，總蓄水達16m3。在供水中斷的情況下，可利用蓄水箱清水保證冷卻用水需求。同時積極聯(lián)絡各方，及時恢復供水。

3）凍結站安裝有二套冷凍機組，正常情況下需一臺正常運轉。一旦發(fā)生機械故障，可暫時利用其中一臺繼續(xù)維持凍結，同時修復故障機組，及時恢復凍結。平時加強設備的管理與維修，冷凍機運轉前安排有熟悉機器性能的設備員對機組進行全面細致的檢修，確保其安全性。

4）加強凍結過程中對鹽水濃度的檢測，要求其比重控制不小于1.26（29.8Beo），其結晶溫度在-38.6℃。一旦濃度偏小，及時補充CaCl2。

5） 在凍結帷幕內，布置4個卸壓孔，上、右線各2個，凍結過程中，加強對卸壓孔內壓力的觀測，當壓力上升至0.3Mpa時，需及時打開卸壓孔，釋放因土體凍脹引起的凍脹力，減少對管片的危害。同時在凍結交圈之前，安裝預應力支架，進一步控制管片的變形。

5.結語

對于因凍結帷幕各部分發(fā)展速度的不平衡、凍結土體周圍有暗流水流過、凍結管鹽水泄漏入凍結土體內、與管片的膠結不好等原因而引起的薄弱點，則在凍結孔期間和凍結期間，積極采取措施，完全得以控制。開挖過程則要求不得超挖，確保凍結帷幕的有效厚度和強度滿足設計要求。開挖過程中，工作面出現(xiàn)不正常現(xiàn)象采取的措施：當發(fā)現(xiàn)凍結帷幕變形過大時，則進一步加強凍結，同時減少開挖步距，縮短臨時支護間距；當發(fā)現(xiàn)有冒砂涌水現(xiàn)象時，應及時采用應急砂袋等搶險物資及時充填，控制事故的擴大；當控制無效時，則關閉安全應急門，向通道內打氣或注水，確保土體不得坍塌。

參考文獻

[1] 周曉敏、蘇立凡、賀長俊等.北京地鐵隧道凍結法施工[J].巖土工程學報，1999.21（3）：319-322.

[2] 馬玉峰、蘇立凡、徐兵壯等.地鐵隧道聯(lián)絡通道和泵站的水平凍結施工[J].建井技術，2000.21（3）：39-41.

[3] 陶龍光、巴肇倫.城市地下工程[M].北京：科學技術出版社，1999.

[4] 郭曉江.凍結法在廣州地鐵二號線暗挖隧道中的應用[J].煤炭工程，2001（12）：27-29.

[5] 吳祥祖、李大勇、金明.南京地鐵試驗段旁通道水平凍結法施工技術[J].施工技術，2004（1）：40-42.

2.4.2維護凍結

在積極凍結過程中，要根據(jù)實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈和達到設計厚度，同時要監(jiān)測凍結帷幕與隧道的膠結情況，測溫判斷凍結帷幕交圈并達到設計厚度且與隧道完全膠結后，可進入維護凍結階段。

3.施工順序及工藝流程

施工順序：聯(lián)絡通道先開挖一側導硐，再開挖通道中間段，而后另一側導硐貫通；貫通后，進行通道部分的臨時支護、防水層、結構層施工。

施工工藝流程：聯(lián)絡通道開管片、試挖——一側導硐、臨支——通道挖掘、臨支——另一側開挖、臨支——做通道防水層、扎鋼筋、立模、澆砼——拆模、清理——壁間、壁后充填注漿。

4.關鍵施工技術措施

4.1凍結水平孔施工技術措施

1）凍結孔施工前，在布孔范圍內打若干小孔（Φ38mm）探孔，以判斷地層是否穩(wěn)定，是否易噴水、涌砂，以便做好各方面的準備工作[5]。

2）凍結孔開孔分二次進行，以此來控制泥漿涌出。第一次開孔用金剛石取芯鉆頭，取芯鉆進入管片約250mm，取芯后，安裝孔口管及密封裝置。第二次開孔在密封裝置的保護下進行，穿透整個管片后，及時地密封孔口。

3）采用強力水平鉆機，在條件允許的情況下，優(yōu)先采用無泥漿鉆進。

4）鉆孔過程中，嚴格控制水土流失，最好控制在不大于所有凍結管占用體積量，如流失過多，可在成孔后及時利用密封盒上的注漿管向土體充填壓漿。水泥漿采用單液水泥漿。

5）鉆孔前，對凍結孔的長度、角度及時檢查，并做好記錄，鉆機找平找正，調整好角度后，及時固定牢固。在鉆孔過程中，嚴格控制凍結管的焊接質量，經(jīng)檢查合格后方可繼續(xù)鉆進。鉆進結束后，及時對凍結孔進行測斜、打壓檢漏試驗、復測其深度。及時畫出各孔的偏斜圖。檢漏壓力控制在0.8MPa，穩(wěn)定15分鐘為合格。終孔間距超出設計要求的，需打補孔。

4.2凍結施工主要技術措施

1）因聯(lián)絡通道的施工危險點多，發(fā)生事故損失嚴重，事故影響大，本工程施工用電負荷按二級負荷考慮。現(xiàn)場變電所上源供電采取雙電源供電模式。從現(xiàn)場變電所引到聯(lián)絡通道凍結機組處采取雙回路供電。

2）凍結站安裝2個冷卻水蓄水箱，總蓄水達16m3。在供水中斷的情況下，可利用蓄水箱清水保證冷卻用水需求。同時積極聯(lián)絡各方，及時恢復供水。

3）凍結站安裝有二套冷凍機組，正常情況下需一臺正常運轉。一旦發(fā)生機械故障，可暫時利用其中一臺繼續(xù)維持凍結，同時修復故障機組，及時恢復凍結。平時加強設備的管理與維修，冷凍機運轉前安排有熟悉機器性能的設備員對機組進行全面細致的檢修，確保其安全性。

4）加強凍結過程中對鹽水濃度的檢測，要求其比重控制不小于1.26（29.8Beo），其結晶溫度在-38.6℃。一旦濃度偏小，及時補充CaCl2。

5） 在凍結帷幕內，布置4個卸壓孔，上、右線各2個，凍結過程中，加強對卸壓孔內壓力的觀測，當壓力上升至0.3Mpa時，需及時打開卸壓孔，釋放因土體凍脹引起的凍脹力，減少對管片的危害。同時在凍結交圈之前，安裝預應力支架，進一步控制管片的變形。

5.結語

對于因凍結帷幕各部分發(fā)展速度的不平衡、凍結土體周圍有暗流水流過、凍結管鹽水泄漏入凍結土體內、與管片的膠結不好等原因而引起的薄弱點，則在凍結孔期間和凍結期間，積極采取措施，完全得以控制。開挖過程則要求不得超挖，確保凍結帷幕的有效厚度和強度滿足設計要求。開挖過程中，工作面出現(xiàn)不正常現(xiàn)象采取的措施：當發(fā)現(xiàn)凍結帷幕變形過大時，則進一步加強凍結，同時減少開挖步距，縮短臨時支護間距；當發(fā)現(xiàn)有冒砂涌水現(xiàn)象時，應及時采用應急砂袋等搶險物資及時充填，控制事故的擴大；當控制無效時，則關閉安全應急門，向通道內打氣或注水，確保土體不得坍塌。

參考文獻

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[5] 吳祥祖、李大勇、金明.南京地鐵試驗段旁通道水平凍結法施工技術[J].施工技術，2004（1）：40-42.

2.4.2維護凍結

在積極凍結過程中，要根據(jù)實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈和達到設計厚度，同時要監(jiān)測凍結帷幕與隧道的膠結情況，測溫判斷凍結帷幕交圈并達到設計厚度且與隧道完全膠結后，可進入維護凍結階段。

3.施工順序及工藝流程

施工順序：聯(lián)絡通道先開挖一側導硐，再開挖通道中間段，而后另一側導硐貫通；貫通后，進行通道部分的臨時支護、防水層、結構層施工。

施工工藝流程：聯(lián)絡通道開管片、試挖——一側導硐、臨支——通道挖掘、臨支——另一側開挖、臨支——做通道防水層、扎鋼筋、立模、澆砼——拆模、清理——壁間、壁后充填注漿。

4.關鍵施工技術措施

4.1凍結水平孔施工技術措施

1）凍結孔施工前，在布孔范圍內打若干小孔（Φ38mm）探孔，以判斷地層是否穩(wěn)定，是否易噴水、涌砂，以便做好各方面的準備工作[5]。

2）凍結孔開孔分二次進行，以此來控制泥漿涌出。第一次開孔用金剛石取芯鉆頭，取芯鉆進入管片約250mm，取芯后，安裝孔口管及密封裝置。第二次開孔在密封裝置的保護下進行，穿透整個管片后，及時地密封孔口。

3）采用強力水平鉆機，在條件允許的情況下，優(yōu)先采用無泥漿鉆進。

4）鉆孔過程中，嚴格控制水土流失，最好控制在不大于所有凍結管占用體積量，如流失過多，可在成孔后及時利用密封盒上的注漿管向土體充填壓漿。水泥漿采用單液水泥漿。

5）鉆孔前，對凍結孔的長度、角度及時檢查，并做好記錄，鉆機找平找正，調整好角度后，及時固定牢固。在鉆孔過程中，嚴格控制凍結管的焊接質量，經(jīng)檢查合格后方可繼續(xù)鉆進。鉆進結束后，及時對凍結孔進行測斜、打壓檢漏試驗、復測其深度。及時畫出各孔的偏斜圖。檢漏壓力控制在0.8MPa，穩(wěn)定15分鐘為合格。終孔間距超出設計要求的，需打補孔。

4.2凍結施工主要技術措施

1）因聯(lián)絡通道的施工危險點多，發(fā)生事故損失嚴重，事故影響大，本工程施工用電負荷按二級負荷考慮。現(xiàn)場變電所上源供電采取雙電源供電模式。從現(xiàn)場變電所引到聯(lián)絡通道凍結機組處采取雙回路供電。

2）凍結站安裝2個冷卻水蓄水箱，總蓄水達16m3。在供水中斷的情況下，可利用蓄水箱清水保證冷卻用水需求。同時積極聯(lián)絡各方，及時恢復供水。

3）凍結站安裝有二套冷凍機組，正常情況下需一臺正常運轉。一旦發(fā)生機械故障，可暫時利用其中一臺繼續(xù)維持凍結，同時修復故障機組，及時恢復凍結。平時加強設備的管理與維修，冷凍機運轉前安排有熟悉機器性能的設備員對機組進行全面細致的檢修，確保其安全性。

4）加強凍結過程中對鹽水濃度的檢測，要求其比重控制不小于1.26（29.8Beo），其結晶溫度在-38.6℃。一旦濃度偏小，及時補充CaCl2。

5） 在凍結帷幕內，布置4個卸壓孔，上、右線各2個，凍結過程中，加強對卸壓孔內壓力的觀測，當壓力上升至0.3Mpa時，需及時打開卸壓孔，釋放因土體凍脹引起的凍脹力，減少對管片的危害。同時在凍結交圈之前，安裝預應力支架，進一步控制管片的變形。

5.結語

對于因凍結帷幕各部分發(fā)展速度的不平衡、凍結土體周圍有暗流水流過、凍結管鹽水泄漏入凍結土體內、與管片的膠結不好等原因而引起的薄弱點，則在凍結孔期間和凍結期間，積極采取措施，完全得以控制。開挖過程則要求不得超挖，確保凍結帷幕的有效厚度和強度滿足設計要求。開挖過程中，工作面出現(xiàn)不正常現(xiàn)象采取的措施：當發(fā)現(xiàn)凍結帷幕變形過大時，則進一步加強凍結，同時減少開挖步距，縮短臨時支護間距；當發(fā)現(xiàn)有冒砂涌水現(xiàn)象時，應及時采用應急砂袋等搶險物資及時充填，控制事故的擴大；當控制無效時，則關閉安全應急門，向通道內打氣或注水，確保土體不得坍塌。

參考文獻

[1] 周曉敏、蘇立凡、賀長俊等.北京地鐵隧道凍結法施工[J].巖土工程學報，1999.21（3）：319-322.

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[5] 吳祥祖、李大勇、金明.南京地鐵試驗段旁通道水平凍結法施工技術[J].施工技術，2004（1）：40-42.