凍結法在富水圓礫層地鐵聯絡通道中的應用

張永煥 譚 瑞

中國建筑第八工程局軌道交通分公司

凍結法在富水圓礫層地鐵聯絡通道中的應用

張永煥 譚 瑞

中國建筑第八工程局軌道交通分公司

人工凍結法是一種土層的臨時物理加固方法，在巖土工程開挖之前，利用人工制冷技術，通過凍結孔對周圍地層進行制冷，使地層中的水結冰，將松散含水巖土變成凍土，形成強度高，封閉性好的凍結壁抵抗周圍巖土的壓力，確保工程開挖的安全。本文結合南寧地鐵工程富水圓礫層聯絡通道凍結設計和施工過程，總結了在富水地下工程中凍結法施工的凍結設計參數標準、凍結前準備工作和控制標準、后期融沉注漿的監測要求等。

地鐵：凍結法；富水圓礫層；聯絡通道

1 工程概況

1.1 工程概況

南寧市軌道交通2號線秀廂站～三十三中站區間采用盾構法施工，長度為640米，于右線設置一處聯絡通道兼廢水泵房為直墻圓拱式結構，凈寬2.5m，凈高2.9m，采用淺埋暗挖法施工，結構形式采用復合式襯砌。

1.2 水文地質概況

聯絡通道及泵房處結構覆土約13.8m，拱頂主要位于粉土③2，洞身主要位于粉土③2及圓礫層⑤1-1，場地地貌形態主要為侵蝕堆積河谷階地邕江高階地地貌，揭露地層為填土層，第四紀沖洪積層，基巖為古近系巖層；根據鉆探及附近工程資料，結合地下水賦存條件、含水介質及水力特征的分析，地下水主要類型為基巖裂隙水。該含水層富水性較好、透水性較好，受大氣降水和地表水補給，水量中等，具承壓性。聯絡通道地質剖面圖如下所示：

2 凍結法施工設計及應用

2.1 凍結設計

設計采用水平凍結法加固地層制冷方式為氟利昂－鹽水凍結系統。

2.1.1凍結壁設計

凍結壁設計為1.8m，參照類似工程凍土物理力學性質試驗，凍土強度的設計指標取為：單軸抗壓不小于3.6MPa，彎折抗拉不小于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃下）。為保證凍土平均溫度達到設計時計算值，凍結壁驗收時平均溫度應不高于-10℃，開挖區凍結孔布置圈上與隧道管片交界面平均溫度不高于-5℃。開挖時鹽水溫度在-28℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃。

2.1.2凍結孔和測溫孔布置

聯絡通道泵房布置凍結孔總數50個,其中4個穿透孔，長度在5～10米，總長度約375m；布置9個測溫孔，測溫管選用Φ32鋼管,長度2.5～6m不等,管前端焊接密封，。目的主要是測量凍結壁范圍不同部位的溫度變化。

2.2 凍結孔施工

2.2.1凍結孔定位

依據施工基準點，按施工圖進行孔位放線，孔位布置要依據管片配筋圖，在避開主筋、螺栓和鋼管片肋板的前提下可適當調整。

2.2.2開孔及孔口密封

開孔深度控制不得鉆穿管片，取出后打入加工好的孔口管，至少有4個點固定在管片上，然后安裝孔口密封裝置。當每個鉆孔完成后，孔口法蘭與凍結管之間間隙用鋼板焊接密封。

2.2.3凍結孔鉆進

鉆孔設備在鉆頭部位安裝一個特制單向閥門，采用水循環鉆進，鉆進過程中嚴格監測孔斜情況，發現偏斜要及時糾偏，鉆孔的偏斜應控制在150mm以內。

2.2.4凍結管安裝

凍結管長度不得小于設計長度，凍結管之間采用絲扣連接，螺紋緊固后再用電弧焊焊接，確保其連接質量。下好凍結管后，進行凍結管長度的復測，凍結孔終孔最大允許間距為130cm，集水井處凍結孔終孔最大允許間距為140cm，超出允許值的可進行補孔或作延長凍結時間進行處理。

2.3 積極凍結

凍結站安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等參數，使機組在工藝規程和設備要求的技術參數條件下運行。凍結系統運轉正常后進入積極凍結。要求凍結孔單孔流量不小于5m3/h；7天后鹽水溫度降至-18℃以下，15天后鹽水溫度降至-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 開挖二襯

確定進行開挖之前需結合測溫孔資料、探孔情況等方面的數據，在滿足設計要求條件后進行開挖。由于土體凍土強度較高，凍結帷幕承載能力大，因而開挖時可以采用全斷面一次開挖，在開挖過程中根據揭露土體的加固效果，及監控監測信息，及時調整開挖步距和支護強度，并還要及時對暴露的凍結帷幕進行保溫。

結構層混凝土選用商品防水混凝土，混凝土強度、抗滲等級按設計要求。因結構澆筑時間長，可在混凝土內加入一定量的緩凝劑。

2.5 維護凍結

在積極凍結過程中，要根據實測溫度資料判斷凍結帷幕是否交圈和達到設計厚度，并且監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。維護凍結期溫度為不大于-26℃，凍結時間貫穿聯絡通道泵房開挖和主體結構施工始終。

2.6 凍結孔（測溫孔）處理

在二襯施工完成后，根據監測數據分析，待達到設計要求，冷凍設備拆除完成后，將凍結孔進行封孔處理。凍結孔（測溫孔）封孔如圖所示：

2.7 融沉注漿施工

控制地面和隧道的沉降變形是融沉注漿的目的。因此在結構施工結束后因及時進行充填注漿。另外注漿施工過程中，漿液的壓力可以通過在相鄰注漿孔安裝壓力表來反映。監測地表沉降、監測管片隆沉和收斂變形和監測聯絡通道結構變形的綜合監測數據是注漿參數調整的依據。

2.8 測量和監測

根據施工經驗，結合連絡通道和融沉注漿的特點、設計要求及有關規范規定，對本聯絡通道施工中檢測項目和監測控制值要求如下表：

表1 各監測項目控制值

3 凍結法施工效果分析

3.1 凍結效果分析

凍結效果的分析可以從凍結帷幕厚度的確定、凍土平均溫度和探孔情況二個方面來分析。

3.1.1凍結帷幕厚度

綜合卸壓孔和測溫孔數據分析，聯絡通道凍土最慢發展速度為30.00 mm/d。以最慢發展速度（11月18日，凍結39天）計算凍土發展半徑r＝30.00×39=1170mm，按凍結發展半徑1170mm作圖，從圖上測量出：通道部位凍結帷幕最薄有效厚度為2080mm，因此凍結帷幕厚度已滿足設計不小于1.8m要求。

3.1.2凍土平均溫度的確定

根據公式法計算（設計依據）：

其中：

tb＝鹽水溫度， -29.5℃

l＝孔間距， 1.2m

E＝凍土厚度， 2.08m

tB＝開挖面溫度，-8℃

3.1.3探孔情況

11月10日，在聯絡通道的通道段內堆積沙袋清理完后隨機向下部泵房位置打設5個探孔，探孔深度1.0米至2.0米不等，目的是探明底部泵房內原含水層的地下水情況，經探孔情況揭示底部泵房無明顯泥沙、水等流出，滿足開挖條件。

3.2 凍結效果評估

根據上述凍結分析及探孔情況表明，凍結效果良好，凍結帷幕厚度2.08米滿足設計要求不小于1.8米的要求，凍土帷幕平均溫度-10.31℃滿足設計要求不高于-10℃的要求，探孔無明顯出水情況，滿足凍結加固條件，故可以開挖施工。

4 結束語

該區間聯絡通道凍結法施工期間，冷凍機于10月11日正式運轉，至10月15日鹽水去、回路溫度達到-18℃，10月23日鹽水去、回路溫度達到-24℃以下，到10月29日鹽水去路溫度達到-28℃以下，鹽水溫度一直保持在-28℃以下，溫差不大于2℃，滿足設計要求，。在積極凍結期，冷凍機組達到滿負荷運轉，整個過程中凍結效果均達到設計要求（積極凍結期間鹽水溫度及溫差變化見下圖），確保聯絡通道及泵站盡快達到凍結開挖條件，及時進行結構施工。為類似的工程提供了可借鑒的施工經驗。