淺析軌道工程聯(lián)絡通道冷凍法施工技術

饒劍

摘?要：目前，冷凍法已在我國軌道工程施工中應用越來越廣泛，該法是對土體進行臨時加固的相當有效的手段。本文結合廈門地鐵三號線某聯(lián)絡通道冷凍法施工實例，對冷凍法工藝進行了深入闡述，并進一步分析了冷凍法施工過程中的風險點及應對措施等，以期為軌道工程冷凍法施工提供參考幫助。

關鍵詞：冷凍法;臨時加固;聯(lián)絡通道

文章編號：2095-4085（2020）08-0100-04

1?引言

廈門地鐵三號線五緣灣站～劉五店站區(qū)間10#聯(lián)絡通道，由與隧道鋼筋混凝土管片相連的喇叭口、水平通道構成。拱頂埋深為25.18m，覆蓋層為海水（7.4m）、中粗砂礫、殘積砂質粘性土、全風化花崗閃長巖（1.3～3.5m），洞身及洞底地層為散體狀強風化花崗閃長巖。全、強風化帶遇水易軟化分解、強度降低，洞室圍巖穩(wěn)定性差，且聯(lián)絡通道位于海域段，該地層富水性好，與海水存在水力聯(lián)系，暗挖法不能直接滿足聯(lián)絡通道施工。

2?冷凍法方案選取

根據(jù)施工及地質條件，采用“洞內鉆鑿凍結孔，冷凍臨時加固土體，暗挖法構筑”的施工方案。其中冷凍法的原理為利用鹽水循環(huán)吸收的地層熱量傳遞到蒸發(fā)器中的液氮，液氮吸收熱量再通過冷卻水循環(huán)，將地熱和壓縮機產生的熱量傳遞給大氣，以此實現(xiàn)給地層降溫把土體凍結加固成施工帷幕得目的。

3?主要工藝環(huán)節(jié)

3.1?凍結加固設計（圖1～4）

參照類似工程施工經驗及本工程《凍土物理力學性能實驗報告》等，聯(lián)絡通道凍結帷幕厚度設計為2.6m，凍土強度的設計指標取為：單軸抗壓不小于4.0MPa，彎折抗拉不小于 1.8MPa，抗剪不小于1.6MPa（-12℃）。要求凍土驗收時平均溫度應不高于-12℃。開挖區(qū)外圍凍結孔布置圈上凍結壁與隧道管片交界面處平均溫度不高于-7℃。

根據(jù)設計帷幕厚度。聯(lián)絡通道共設計凍結孔128個（左線隧道62個，右線隧道66個。其中在隧道中腰部設置2個用于校核鉆孔方位及冷凍系統(tǒng)對側供冷的穿透孔），總孔深1289.846m。并相應設置測溫孔8個、泄壓孔4個。

為了降低土體滲透系數(shù)，控制地下水在凍結區(qū)域的過大流速，對海水侵入進行有效的控制保證凍結效果，土層凍結施工前進行注漿處理（注漿材料為普通硅酸鹽水泥單液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿）。設計注漿擴散半徑為1.5m，注漿加固范圍為聯(lián)絡通道開挖輪廓線外3m，共設計注漿孔22個。

注漿加固采用先外環(huán)后內環(huán)、間隔跳孔施作。注漿施工結束標準采用以定壓為主、定壓定量相結合的原則。（根據(jù)本工程正洞隧道注漿經驗，設計注漿標準終壓0.8MPa，單孔注漿壓力達到設計終壓并維持3min以上可結束該孔。單孔每延米設計注漿定量標準控制在1～2m3）待聯(lián)絡通道注漿施工完成后，在左、右線注漿加固區(qū)域內上、下、左、右、中部各施工一個探孔，探孔要求不漏泥、涌沙，探孔出水量小于0.15L/min·m，否則應補充注漿。

3.2?凍結加固實施

3.2.1?凍結孔施工及管道安裝

凍結孔開孔前先施工透孔，對聯(lián)絡通道實際位置進行定位。為防止因下層凍結孔的施工引起上部地層擾動，采用由下向上的順序進行施作。該聯(lián)絡通道位于海域段與海水存在水力聯(lián)系，鉆進時容易涌水涌沙，針對此風險采用兩次鉆孔的方法，第一次未開透管片的前提下，安裝孔口密封裝置，第二次跟管鉆進法下放凍結管。鉆孔過程中若水土流失過多，可在成孔后及時利用布置的注漿管向土體充填壓漿。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，鉆進深度不小于設計深度。

凍結管安裝時，確保同心度和焊接強度。安裝完成后要求復測其長度、斜率（燈光測斜儀），并繪制鉆孔偏斜圖。若凍結孔終孔最大間距超出1300mm的允許范圍，需進行補孔或作延長凍結時間處理。最后再進行打壓試漏（壓力0.8MPa，前30min壓力損失小于0.05MPa，后15min壓力穩(wěn)定則為試壓合格）。

3.2.2?凍結制冷系統(tǒng)

冷凍站設置于隧道外車站基坑旁側，通過鹽水干管將冷量送達聯(lián)絡通道工作面。

冷凍施工需冷量計算：Q=kAq=1.3×1289.648×0.089×3.14×280=13.119×104 kcal/h [Q-需冷量、k-冷量損失系數(shù)根據(jù)經驗取1.3、A-凍結管散熱面積（管徑0.089）、q-凍結管（20#低碳鋼無縫鋼管）散熱系數(shù)280kcal/（m2·h）]

根據(jù)需冷量，冷凍站配備W-YSLGF600Ⅱ型螺桿機組3臺套，單臺機組設計工況制冷量為12×104kcal/h，開2臺機組即滿足聯(lián)絡通道的制冷需求，1臺備用。鹽水循環(huán)泵選用IS200-150-400A型2臺、冷卻水循環(huán)選用IS150-125-315型2臺、4臺KST-125冷卻塔。

3.2.3?凍結施工（表1，圖5～7）

在試運轉正常后進行積極凍結。聯(lián)絡通道凍結時間為50d（2019年9月11日至10月30日），要求凍結孔單孔流量≥5m3/h;積極凍結7d鹽水溫度≤-20℃，15d≤-24℃。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)判斷凍結帷幕是否交圈及達到設計厚度，同時監(jiān)測凍結帷幕與隧道的膠結情況，均滿足要求后可進入維護凍結階段。（本項目設置4個泄壓孔，2019年從9月11日開始記錄，2019年10月8日壓力表開始漲壓，表明帷幕已經交圈）維護凍結期間溫度≤-30℃，時間至主體結構施工完成。

冷凍過程中應注意對各部件進行保溫。鹽水管路、冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路、聯(lián)絡通道兩側凍結帷幕發(fā)展區(qū)域管片等覆蓋保溫板或棉絮。

根據(jù)測溫孔溫度和卸壓孔壓力監(jiān)測結果，分析凍結壁形成狀況、平均溫度和擴展厚度等驗證凍結效果，判定是否滿足聯(lián)絡通道開挖條件。

針對本工程：

①通過量測溫度及計算， 本工程凍土最慢發(fā)展速度為 24.27mm/d [ 測量不同測溫孔溫度達到-2℃（該數(shù)值通過凍土物理力學性能實驗報告中各土層起始凍結溫度而來）的冷凍天數(shù)，結合相應測溫孔與冷凍管的最近距離，計算凍土發(fā)展速度]。以最慢發(fā)展速度到10月30日凍結50d計算凍土發(fā)展半徑r=1213.5mm，按凍結發(fā)展半徑1213.5mm作圖可知，至10月30日凍結帷幕量算的最薄有效厚度為2746mm，滿足設計的2600mm要求，因此凍結帷幕厚度已滿足設計要求。

②冷凍機于2019年9月11日開始正式運轉，從日監(jiān)測報表顯示凍結效果良好，凍結設計要求開挖前達到-28℃以下，實際鹽水溫度維持在-29.2℃左右，去回路溫差小于2℃。

③凍結帷幕平均溫度的確定（結果為-12.07℃，滿足要求）：

4?主要監(jiān)測項目

凍結系統(tǒng)監(jiān)測：凍結器去回路鹽水溫度及流量，冷卻水循環(huán)進出水溫度，冷凍機吸排氣溫度，制冷系統(tǒng)冷凝壓力、氣化壓力監(jiān)測，鹽水泵工作壓力。

凍結壁溫度場監(jiān)測：不同時間凍結壁的發(fā)展速度及凍結壁不同位置的平均溫度監(jiān)測，凍結孔間距較大處溫度監(jiān)測，隧道管片與凍結壁交界面溫度監(jiān)測。

5?工藝風險及應對措施

（1）凍結帷幕穩(wěn)定的前提是持續(xù)供冷，一旦過程中發(fā)生停電或凍結設備的故障，會造成巨大風險。對此配備一臺700kW發(fā)電機備用;凍結站安裝有三套冷凍機組，正常情況下兩臺運轉，一臺備用。

（2）若各凍結管串聯(lián)支路的供冷不平衡，會引起凍結帷幕發(fā)展速度不均衡而出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。過程中，監(jiān)測各個支路的鹽水溫差情況并控制在2℃范圍內。通過串聯(lián)支路上的閥門相應地調節(jié)鹽水流量確保各支路的溫差滿足控制要求。

（3）若發(fā)生斷管事故而造成鹽水泄漏進入加固土體內，不僅影響凍結，且開挖階段則易發(fā)生透水、涌泥事故。加強凍結過程中對鹽水箱液面的測量，首先判斷泄漏的位置，若鹽水漏入凍結土體外，直接根據(jù)情況及時修復管路;若鹽水漏入凍結土體內，則要用排除法進一步確定具體的凍結管支路，下套管進行處理。

6?結?語

冷凍法施工要求在最大程度上保證冷凍法施工的可靠性和安全性，除嚴格落實施工措施外，還要對整個過程加強監(jiān)測，將信息進行綜合整理后再判斷凍結壁的強度、厚度及凍土帷幕的閉合程度。廈門地鐵三號線五緣灣站～劉五店站區(qū)間10#聯(lián)絡通道在整個施工過程中，采用冷凍技術加固地層取得了良好的效果，為后續(xù)開挖及襯砌施作提供了安全的作業(yè)條件。作業(yè)全程監(jiān)測數(shù)據(jù)變化值均在允許變形范圍內，解決了圍巖地質條件弱、開挖風險大的問題，且無需降水等措施符合綠色施工。總之，冷凍法的工藝具有諸多優(yōu)勢和良好的發(fā)展前景，值得推廣。