軟土地層聯絡通道冷凍施工技術研究與應用

張書旺

（中國鐵建十六局集團有限公司，北京 101100）

1 工程概況

蘇州某地鐵區間隧道聯絡通道與泵站合建。中心里程為右DK39+355.713（左DK39+354.359），線間距13.400m，地面標高3.05m左右，聯絡通道處隧道中心標高-11.466m，隧道中心埋深14.516m。設計凍土帷幕1.8m厚。

根據該位置的勘察資料，聯絡通道處地質情況見表1。

表1 工程地質分層及特征描述

根據資料顯示，工程所在地地下水分為松散淺層孔隙潛水和松散巖類孔隙（微）承壓水。微承壓水主要賦存于③3粉土、④1粉土、④2粉砂層，勘察期間，實測微承壓水頭標高為1.16m左右，近3～5年來最高潛水位為1.6m左右。

聯絡通道所處主要為④2粉砂層、⑤1粘土層，下部凍結孔施工進入⑤1粘土層（見圖1）。

圖1 聯絡通道兼泵站地質剖面圖

2 凍結原理

采用冷凍技術凍結土體是先在相鄰隧道土層中按照水平或一定傾斜角度預埋中空鋼管，其后選用適宜的冷媒介質通過埋設的鋼管進行循環間接制冷，使土體溫度迅速降低，通過不間斷反復，將土中的熱量帶出，促使土體中的水結冰，直至水與土體形成一定強度的凍土。該工藝使土體的強度、整體性和穩定性均有明顯增強，其特殊的凍結工藝原理使凍結圍護體系擁有其他工藝無法比擬的閉水效果。

3 凍結孔布置及制冷設計

凍結孔的角度設計、管位布置施工及積極凍結制冷工藝施工為本工程的關鍵工藝，凍結過程中冷媒進出溫度檢測、土體壓力監測為關鍵環節。

3.1 凍結孔布置

根據該聯絡通道的結構特點，本工程在左、右線隧道均布置凍結管，右線隧道內布置59根凍結管，左線隧道內布置13根凍結管。為了加快凍結發展速度，可以在規定的時間內凍結交圈，在通道四周布置的所有凍結管均經過計算，按照水平、上仰、下俯三種角度進行布置，同時兩側隧道均設置卸壓孔、測溫孔，以便于觀測凍結發展過程中土體內壓力的變化和監測土體凍結發展情況。

3.2 制冷設定

3.2.1 通道凍結參數確定

1）冷媒介質采用鹽水，冷媒劑為氟利昂。凍結期間的鹽水溫度保持在-28～-30℃。凍結開始后7 天冷媒介質溫度降至-18℃以下，凍結開始后15天冷媒介質溫度降至-24℃以下[1]。

2）凍結單孔內冷媒溶液流量控制在每小時5～7立方米。

3）聯絡通道位置相鄰兩根凍結管的終孔間距不大于1.05m，下部泵房位置相鄰凍結管終孔間距不大于1.15米，土體內凍結發展速度取28mm/d，凍結帷幕交圈時間為20天，達到設計厚度時間為40天。

4）開挖前凍結帷幕土體平均溫度不高于-10℃,其中凍結帷幕與管片界面溫度不高于-5℃。

3.2.2 凍結工藝冷量需求計算

Q=1.3*π*d*H*K

式中：H-全部凍結管的長度總和；d-凍結管直徑，本工程采用89mm無縫鋼管；K-凍結管散熱系數，250Kcal/h·m2。

按照公式計算，Q=64848Kcal/h。

根據凍結工藝冷量需求，本工程選用150WDEDD型螺桿冷凍機，冷凍機組制冷設計為87500Kcal/h，滿足工程施工需求。同時，為確保凍結工藝時限及應急要求，防止因設備功效原因達不到預期凍結效果，本工程選用兩組該型號冷凍機（一臺應急備用）[2]。

4 凍結技術施工要點

4.1 凍結孔施工

見表2。

表2 凍結孔施工過程中可能的問題及對策

4.2 積極凍結

1）積極凍結期間，每天定時檢查鹽水液面變化、鹽水比重、凍結器結霜是否存在異常融化現象，監測測溫孔溫度、卸壓孔壓力、鹽水去回路溫差是否存在異常變化。根據施工期間數據統計，本工程鹽水7天降至-18℃以下，15天降至-24℃以下，20天降至-28℃以下。截至40天時，鹽水降溫曲線及測溫孔降溫曲線見圖2、圖3[5]。

圖2 鹽水溫度變化曲線

圖3 測溫孔溫度變化曲線

2）根據監測數據統計分析，40d時取測溫點最高-3.4℃，根據凍結圓柱半徑計算凍土帷幕厚度為2.18m，遠大于1800mm設計凍土厚度要求。根據成冰公式計算出凍土平均溫度為-10.71℃，低于設計凍土帷幕平均溫度-10℃要求，管片壁厚凍土帷幕要求-7.2℃，低于設計凍土帷幕-5℃要求。開挖前在兩側隧道管片離凍結孔內外800mm處各鉆取探孔取芯，取芯土體強度4.5MPa，大于設計單軸抗壓3.6 MPa要求，土體穩定，探孔內無泥水流出，滿足開挖條件。

圖4 探孔

圖5 凍土取芯

5 總結

工程實踐表明，嚴格執行上述技術措施后，聯絡通道帷幕凍結施工平穩順利，凍結土體質量良好，隧道收斂、地表及建構筑物沉降控制合格。本成果可為同類工程，特別是軟土地層聯絡通道凍結帷幕工程提供借鑒與參考。