軟土地層地鐵旁通道凍結法設計與施工技術

侯慶學 劉楊

摘要：軟土地區地下水位高，地層工程條件差，因此地鐵多采用盾構法施工，其旁通道需采用凍結法施工。依托常州軌道交通2號線工程，介紹了凍結帷幕的設計要點，討論了施工技術中人員，設備，材料的配置，分析了施工重難點。為軟土地區類似施工條件項目提供借鑒。

關鍵詞：軟土；地鐵；旁通道；凍結法；施工技術

軟土地區地下水位高，地層工程條件差，因此地鐵多采用盾構法施工，其旁通道需采用凍結法施工。目前，凍結法設計主要參考《旁通道凍結法技術規程》（DG/TJ08-902-2006），施工除按設計要求外還需將監控量測納入工序管理并結合以往施工經驗。

1.工程概況

常州市軌道交通2號線某站間設置一座聯絡通道及泵房。隧道中心標高-26.67m，聯絡通道線間距11.69m。聯絡通道采用水平凍結法加固地層，礦山暗挖法施工。根據相關規范判定本工程風險等級為一級。

聯絡通道及泵站所在地層為：⑧1黏質粉土夾粉質黏土層、⑧2粉砂、⑨2（粉質）黏土層。聯絡通道所處地層與橫斷面如圖1所示。

2.橫通道設計要點

2.1土層加固及支護設計

（1）土層加固

根據前期的地質勘察報告，-10℃凍土強度指標為：抗壓4.98MPa，抗折3.95MPa，抗剪2.14MPa。

為保證聯絡通道、排水泵房施工的安全、迅捷，減少對區間隧道的影響，經加固后的土體要有良好的自立性，密封性及必要的強度，凍結壁厚度不小于2.4m（喇叭口處2.1m），凍結壁平均溫度不大于-10℃。

（2）支護

橫通道與泵站均采用復合襯砌支護。其中，初期支護為220mm厚C25噴射混凝土；二次襯砌采用550mm厚C35模筑防水混凝土，抗滲等級P12。

2.2結構防水設計

聯絡通道采用礦山法施工，結構為復合式襯砌。聯絡通道的防水原則是“以防為主、剛柔結合、多道防線、因地制宜、綜合治理”，關鍵是處理好接縫的防水。二次襯砌結構采用C35防水混凝土，抗滲等級P12。初期支護與二襯之間設柔性全包防水層，聯絡通道與區間的接口防水是防水重點。

2.3凍結加固設計

（1）制冷量計算：

凍結管吸熱能力計算公式：Qg=qA（式1）

式中：Qg-凍結管總吸熱能力（KJ/h）

q-凍結管吸熱系數（KJ/㎡h），20號低碳鋼取1047KJ/KJ/㎡h

A-凍結管總表面積（㎡）

冷凍站所需制冷能力應按Qz=mQg（式2）

式中：Qz-需要制冷能力（KJ/h）

m-冷量損失系數，可取m=1.2-1.25

根據設計提供凍結管規格計算的總需冷量為7.426×104kcal/h。

（2）主要凍結設計參數（表1）

（3）凍結管路設計

凍結管路設計如圖2所示

3.橫通道施工技術

3.1施工步驟

（1）聯絡通道施工前，采用冷凍法加固周圍地層。凍結加固達到設計要求并驗收通過后，經試挖判定具備開挖條件后方可進行正式開挖。（2）聯絡通道施工前，先在特殊襯砌環中不開口部位安裝臨時預應力支撐，以控制施工時襯砌環變形，并在聯絡通道左線開口位置安裝應急防護門。（3）拆除特殊襯砌環管片中的開口部分鋼管片。（4）分段、分區開挖并施工初期支護（由鋼拱架和鋼筋網、噴射砼構成）。（5）先施工聯絡通道，待聯絡通道二襯強度達到設計要求的80%時，再開挖集水池。（6）待通道及泵房砼達到設計強度后解除凍結，按照圖紙要求進行凍結孔封孔。（7）襯砌后充填注漿，地層融沉注漿。

3.2施工技術要求

（1）凍結孔施工技術要求：

正常凍結孔開孔位置誤差不大于50mm，凍結孔最大偏斜不應超過130mm。凍結管下入地層后必須進行試壓。試驗壓力應為凍結工作面鹽水壓力的2倍，且不宜低于0.80MPa。經試壓30min壓力下降不應超過0.05MPa，再延續15min壓力保持不變為合格。聯絡通道及泵站設6個透孔，用于冷凍站對側隧道內凍結管供冷，應根據凍結管串聯分組情況復核單管鹽水流量，流量不滿足要求時應采取針對性措施（添加管道鹽水泵、增大透孔直徑或增加透孔數量等）。

（2）凍結壁施工技術要求

聯絡通道及泵站凍結壁厚度：喇叭口處≥2.1m、通道正常段≥2.4m；凍土平均溫度≤-10℃；凍結壁交圈后的溫度分布可簡化為穩態溫度場計算。在凍結壁附近隧道管片內側敷設保溫層，敷設范圍不得小于設計凍結壁邊界外1m。凍結孔單孔流量不小于5m3/h；積極凍結7天鹽水溫度降至-18℃以下；積極凍結15天鹽水溫度降至-24℃以下；開挖時鹽水溫度降至-28℃以下，去、回路鹽水溫差不大于2℃。

3.3監控量測

必須將監控量測納入工序管理，以確保凍結施工的安全。

（1）復測聯絡通道位置隧道里程、高程、軸線偏差，同時，打透孔復核兩隧道預留口位置，根據兩隧道預留口的相對位置誤差進行調整。根據軸線偏差量，相應調整凍結孔長度；如果里程、高程相對誤差大于100mm，則應按保證凍結壁設計厚度原則對凍結管布置進行調整。

（2）以聯絡通道為中心，正上方地面投影兩側30m內共布置11條橫斷面，斷面間距為5環，每個斷面13個監測點，測點間距同區間隧道地表監測點。

3.4人員，機具，材料分配

人員上應針對各個分部工程進行動態調整。分部工程包括鉆孔，凍結，開挖與支護，融沉注漿。涉及到的工種包括，鉆機工，制冷工，掘進工，機修工，電工，電焊工，鋼筋工，起重工，駕駛員，普工。在此基礎上配置安全監督員2人。機械設備投入方面需確保凍結系統可靠與維護方便，進行用一備一。冷凍機組，鹽水泵，清水泵，均安裝2臺。材料包括管路材料，閥門材料，保溫材料，鋼筋，混凝土，防水板，土工布和木材等。所有材料均進行抽檢并通過委外測試。

4.施工重難點

由于所處地層為軟土層，其中夾粉細砂，因而鉆孔過程中可能出現涌水涌砂冒泥量大。應對的方案包括（1）凍結孔施工期間采用保持壓力鉆進的方式進行施工；（2）采用嚴密性較好的孔口壓緊裝置；（3）根據涌砂量大小及時進行地層補償注漿，加密監測，防止隧道發生沉降；（4）如涌水涌砂冒泥發展迅速，立即停止鉆進，關閉孔口防噴裝置，調整或優化凍結孔設計，必要時重新補勘。

凍結在不同土層交界處凍結管易斷裂。應對的方案包括：

（1）按設計要求采取低溫快速凍結的方式，減小凍脹。

（2）及時釋放泄壓孔的壓力。

（3）當聯絡通道或泵站處于砂性土與粘性土兩種或多種土層內時，鉆孔前分析凍結孔三維空間位置關系，由設計單位對原凍結孔進行微調，盡量避開砂性土與粘性土交界面。

參考文獻：

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