沿江隧道聯絡通道凍結施工技術

付財

摘要：以上海黃浦江底某地鐵聯絡通道凍結法施工為背景，本文詳細介紹了該聯絡通道的凍結設計，鉆孔施工方法及過程控制要點，積極凍結過程中防凍脹措施，開挖構筑施工，并介紹了凍結孔割管封堵方法，為以后類似工程提供了借鑒。

Abstract： Based on freezing construction of subway cross passage in the condition of under river in Shanghai， this paper introduces whole process of design， drilling method and the main control key points， the measures to prevent frost heave in the period of frozen wall formation， excavation and construction， the method to cut off the freezing hole. This paper provides reference for similar proiects in the future.

關鍵詞：地鐵;聯絡通道;凍結法;江底

Key words： subways;cross passage;freezing method;under river

中圖分類號：U231+.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0167-03

0 ?引言

在城市地鐵區間隧道規劃設計中，上下行隧道之間通常需要設計聯絡通道。聯絡通道因其緊急疏散和匯集、排放區間積水的雙重功能而被相輔應用。地層凍結法由于其具有止水性、較高凍土強度和對復雜地層適應性等特點，已成為地鐵聯絡通道的主要施工方法。常規聯絡通道的凍結法設計與施工技術已較為成熟，但在超埋深、承壓含水層、特殊周圍環境等復雜條件下聯絡通道工程，仍面臨著亟待解決的技術難題[1-4]。

本文通過工程實例，詳細介紹了在上海黃浦江江底采用凍結法施工的某地鐵聯絡通道設計、施工的全過程，以期為類似工程提供經驗。

1 ?工程概況及施工難點

1.1 工程概況

上海軌道交通某聯絡通道及泵站位于黃浦江河道，其中心里程為SK33+341.250（XK33+342.779），隧道中心標高-26.023m（-26.022m），聯絡通道線及泵站線間距12m。聯絡通道喇叭口頂部上覆土厚度27.239m。采用水平凍結法加固地層，礦山暗挖法施工。通道采用復合式襯砌結構，初期支護與二次襯砌之間設置防水層。聯絡通道處于黃浦江河道并且位于⑥粉質粘土層、⑦1-1砂質粉土夾粉質粘土層、⑧1-1粉質粘土層中。聯絡通道及泵站初期支護厚度200mm，二襯厚度側墻為500mm，拱頂為400mm。

1.2 工程施工難點

根據地質勘察報告，該處土層土質條件差，具有高含水量、高靈敏度、高壓縮性、低強度等特點。其中⑦1-1承壓水層的承壓水位一般均低于潛水位，承壓水頭一般呈周期性變化，隨季節、氣候、湖汐等因素而有所變化。其主要施工難點有：

①周邊環境復雜：聯絡通道及泵站位于黃浦江河道，結構頂部覆土8m左右，江水水深14.2m，結構承受的水壓大，抗滲要求高。

②結構施工困難：結構施工環境差，空間狹小，通道拱頂混凝土不易澆搗密實，要保證結構不滲漏水難度較大。

③凍結孔封堵強度要求高：聯絡通道及泵站位于黃浦江河道，且聯絡通道所處土層為⑦1-1承壓水層，水土壓力大。若凍結孔封堵強度達不到設計要求，在凍土解凍后封堵部位很有可能出現滲漏滴水現象，甚至出現堵漏體整體脫落情況，對后期隧道運營造成重大安全隱患。

如何進行凍結法的設計和施工，確保鉆孔施工的安全，并保證凍結壁厚度能滿足開挖施工的安全，控制凍脹和融沉，以及如何進行凍結孔的封堵，避免土體化凍后凍結孔滲漏出水情況，確保后期地鐵運營的安全是本工程的重點。

2 ?凍結設計

2.1 設計計算參數的選取

參考國內類似工程經驗，采用有限元法方法經驗算，確定凍土壁有效厚度為2.5m，凍土壁平均溫度為小于等于-13℃。設計取-13℃凍土的彈性模量和泊松比分別為250MPa和0.25，凍土強度指標為：抗壓4.9MPa，抗折2.3MPa，抗剪1.8MPa。

2.2 凍土帷幕承載力驗算

水平通道凍土帷幕力學分析采用均質線彈性模型，經計算，上部凍結壁受壓為0.478MPa;側墻上部、下步承受水平地壓為0.393MPa、0.424MPa。用有限元法進行凍土帷幕的受力分析與變形計算，計算結果如圖1所示。

從計算結果可以看出，壓應力為1.39MPa，許用應力為4.9MPa，安全系數為3.53;拉應力為0.59MPa。許用應力為2.3MPa，安全系數為3.9;計算的應力值遠小于強度值，凍土帷幕的總體承載能力是足夠的。凍土帷幕內側局部存在應力集中，但是范圍很小且凍土帷幕角部是圓弧過渡的，并且凍土帷幕中間尚有土體或支撐，因此是安全的。同理可對集水井凍結壁進行驗算，結算結果滿足需求。

通過有限元計算，凍結壁強度和位移均滿足強度要求，設計采用凍結帷幕厚度2.5m，平均溫度-13℃能夠滿足施工要求。

2.3 凍結設計

針對本工程的工程特點及施工控制要求，積極凍結期為55d，主面凍結孔個數59個，共布置18個測溫孔，4個泄壓孔，凍結壁設計有效厚度為2.5m，平均溫度小于等于-13℃。凍結孔布置如圖2所示。

3 ?凍結法施工

3.1 施工流程

施工準備→凍結孔鉆進→凍結管路連接→積極凍結→凍結效果分析→探孔檢驗→開挖施工→構筑施工→融沉注漿。

3.2 凍結孔施工

①聯絡通道透孔施工是鉆孔階段的關鍵風險環節，本聯絡通道處于黃浦江河道并且⑦1-1承壓水層中，為確保鉆孔施工的安全，鉆孔施工前首先對聯絡通道中心兩側各20環范圍的管片進行二次補償注漿，注漿材料采用單液水泥漿。②其次根據盾構推進數據及第三方軸線復測數據，對聯絡通道位置的隧道里程、高程和軸線偏差量進行復測，確保凍結孔開孔位置的準確。③孔位確認無誤后進行孔口管的安裝。本工程凍結孔基本都處于鋼管片上，孔口管采用Φ121mm低碳鋼無縫鋼管，長度450mm。孔口管安裝至鋼管片底部后，孔口管與鋼管片間采用4根直徑為12mm鋼筋進行焊接固定。固定完畢后采用微膨脹水泥對鋼格倉進行充填，充填厚度250mm。鉆孔格倉內側焊接6mm厚環形鋼板，鋼板焊接完成后與格倉表面齊平。④對于水泥管片上安裝的孔口管，孔口管外圍均勻布置4根M12的膨脹螺栓，并于孔口管進行點焊連接。⑤孔口管安裝完成后，為了確保開孔及鉆孔過程的安全，需要在孔口管上安裝球閥和孔口防噴裝置[5]。⑥管片開透后，利用H190型夯管錘進行夯管成孔，利用經緯儀燈光測斜法進行凍結孔測斜工作。⑦為保證凍結站對側凍結管路的流量，設置4個Φ108×8mm透孔，材質為低碳鋼無縫鋼管，采用絲扣對焊連接。其余凍結管選用Φ89×8mm低碳鋼無縫鋼管，采用內節箍對焊連接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接鋼管。卸壓孔選用Φ89×8mm低碳無縫鋼管，采取內接箍對焊連接，管壁采用花管形式，管端部安裝單向閥。測溫管選用Φ89*8mm的低碳鋼無縫鋼管。⑧每個凍結孔施工完畢后，利用孔口管預留旁通閥對孔口管與凍結管間的環形空間進行注漿，注漿先采用水灰比0.8：1的水泥單液漿，再采用水泥-水玻璃雙液漿進行封孔，水泥漿與水玻璃漿體積比為1：1，水泥漿水灰比為1：1。注漿過程中注漿壓力不要超過水土壓力的2倍。⑨所有凍結孔施工完成后進行管路打壓試漏，試壓合格后進行安裝工作。

3.3 積極凍結

為了減少鋼格倉與外界的熱對流傳導，凍結管路安裝完畢后，對所有非鉆孔格倉進行掛網噴漿充填，然后利用保溫板對凍結壁邊界外1m范圍內的所有隧道管片進行保溫，保溫板的導熱系數不大于0.04W/m·h，吸水率不大于2%，厚度50mm。保溫板材采用專用膠水密貼在隧道管片上，粘結牢固，板材之間不得有縫隙。所有安裝完成后進行設備調試及試運轉，試運轉正常后轉入正式凍結。

為了減小凍脹對隧道管片的影響，采取了一系列的措施：①采用低溫快速凍結的方式。積極凍結5天，鹽水溫度降至-18℃。積極凍結13天，鹽水溫度降至-24℃。②凍結15天時，將上下行線的隧道預應力支撐安裝完成。③根據泄壓孔壓力變化情況，及時進行泄壓作業。

凍結過程中，為了防止鹽水漏失，在鹽水箱安裝了液位報警器，實時監測鹽水液位的變化情況;并引入自動監測系統，實時對測溫孔數據進行記錄，還可對去回路鹽水溫度、去回路清水溫度等參數進行實時記錄。

3.4 開挖構筑施工

積極凍結55天，通過測溫孔溫度數據計算，并結合泄壓孔壓力變化情況、探孔檢測情況分析，凍結效果達到設計要求。其他開挖準備工作就緒后，進行試挖。試挖窗口尺寸為400mm*400mm，挖深500mm后，開挖區域內土體干燥、自立，可見零星霜跡，經分析具備正式開挖條件。

正式開挖采取分區方式進行施工。將聯絡通道分為通道內和集水井兩區進行開挖，即完成通道的開挖及初期支護和二次襯砌，且通道襯砌混凝土澆筑完畢2天后，再進行集水井開挖及初期支護和二次襯砌施工。

開挖采用短段掘砌技術，嚴格控制開挖步距，并及時安裝臨時鋼支架、鋪設木背板及掛網噴漿。開挖施工完成后，進行防水施工。防水采用塑料防水板進行全包防水處理，緩沖層采用土工布。

防水施工完成后進行鋼筋綁扎，鋼筋綁扎完成后進行鋼模板的安裝，最后利用混凝土輸送泵進行混凝土的澆筑。

上部通道混凝土澆筑完成后養護48小時后進行集水井的開挖及構筑施工。

根據本工程的風險等級，隧道防護門在通道結構完成后仍予以保留。集水井結構完成后，才進行的防護門和對側鋼管片的拆除。

3.5 凍結孔割除封孔及充填注漿

結構全部澆筑完成即可進行停凍及凍結孔割除工作。由于本工程風險等級為一級，各組凍結孔停凍與凍結孔割除相配合，按凍結孔分組，逐個停凍。

觀察凍結孔無滲漏后割除鋼管片格倉頂部6mm厚的鋼板，破除充填層，割除格倉內孔口管及凍結管。

對遺棄在地層中的凍結管應進行充填，充填前利用壓縮空氣排除凍結管內鹽水。充填凍結管材料采用強度等級為M10的水泥砂漿，對上仰角的凍結管充填長度不小于管口以內1.5m，對下俯角的凍結管全段充填。

鉆孔鋼格倉內孔口管割除部位采用10mm厚鋼板進行焊接封堵，焊縫及鋼格倉一周涂抹遇水膨脹止水膠，然后用圓鋼對格倉進行掛網，最后采用C30硫鋁酸鹽微膨脹水泥對格倉進行充填并找平。

充填注漿采用1：1單液水泥漿，按由下而上的順序進行，當上一層注漿孔連續返漿后可停止下一層注漿，直至注到拱頂結束。

3.6 地層融沉注漿

結構施工完成后進行了4個月的融沉補償注漿工作，注漿漿液以水泥-水玻璃雙液漿為主，遵循多點、少量、多次、均勻的原則，注漿范圍為整個凍結區域。

4 ?結語

本工程目前已全部結束，根據監測結果分析，整個凍結及開挖構筑期間隧道收斂變形均控制在設計允許范圍內，所有割除的凍結孔表觀質量較好，無明顯滲漏水或開裂現象。對以后類似工程，有以下幾點建議：①復雜地層的聯絡通道工程，進行凍結法設計時，需充分考慮地層條件的影響，并進行合理的驗算。②在富水承壓土層中進行鉆孔施工時，有必要對聯絡通道區域管片進行二次補償注漿，同時為確保鉆孔施工的安全，應采用二次開孔的方式，并安裝孔口密封裝置。要特別重視孔口管的安裝及固定工作，防止凍結過程中受外力影響導致孔口管脫落。③在積極凍結過程中，要采取有效的措施對凍脹進行控制，尤其涉及到近接凍結、大體量凍結等特殊工程。凍結完成后，要及時進行凍結孔的割除及封堵工作。

參考文獻：

[1]楊平，陳瑾，張尚貴，等.軟弱地層聯絡通道凍結法施工溫度及位移場全程實測研究[J].巖土工程學報，2017，39（12）：2226-2233.

[2]王書磊.超埋深地鐵聯絡通道凍結法設計與施工[J].建井技術，2016，37（1）：49-54.

[3]李亞巍，王琛，余群舟.武漢江底高承壓水聯絡通道施工風險控制[J].施工技術，2016，45（7）：118-122.

[4]李方政.市政凍結技術的應用與展望[J].建井技術，2017，38（4）：55-60.

[5]王勝利，李寧，趙玉明.復雜地層地鐵旁通道凍結孔施工技術[J].現代隧道技術，2009，46（4）：89-93.