冷凍法施工技術在盾構區間聯絡通道施工中的應用研究

武相坤 WU Xiang-kun；豆紅堯 DOU Hong-yao；張元師 ZHANG Yuan-shi；錢棟棟 QIAN Dong-dong

（①中車智能交通工程技術有限公司，北京 100078；②江蘇中車城市發展有限公司，無錫 214105；③中國鐵路沈陽局集團有限公司工電檢測所，沈陽 110001）

0 引言

當前，國家大力發展城市軌道交通，輕軌或地鐵在軟土或沙土地區施工難度大，風險高。冷凍法作為一種土體加固施工技術，在軟弱土層的聯絡通道開挖及襯砌施工過程中具有重要作用[1-3]。本文以臺州市域鐵路S1 線一期工程為例，首次在該地區軌道交通中應用冷凍法技術施工，通過對冷凍結果分析驗證冷凍法施工在該地區軟弱土層加固效果，研究是否具有擴大推廣應用意義。

1 工程設計概況

1.1 工程概況

萬昌路站～溫嶺體育場站區間，線路出萬昌路站沿中華路向東南方向行進，下穿東月河橋，沿體育場路至溫嶺體育場站，線路基本敷設于中華路和體育場路下。區間1#聯絡通道兼泵房位于里程右S1DK45+300.000 （左S1ZDK45+300.84），1#聯絡通道兼泵房長7.072m；通道口寬1.5m；高2.25m；通道內寬2.9m；通道高內3m；泵房長5.2m；寬3m；高4.08m。聯絡通道由水平通道以及與隧道管片相連的喇叭口構成，采用水平凍結技術對地層進行加固，然后采用暗挖法施工。聯絡通道結構詳見圖1。

圖1 1# 聯絡通道兼泵房結構剖面圖

1.2 地質條件

1#聯絡通道兼泵房埋深18.224m，所處地層為2-4 礫砂、3-2 黏土和3-3 黏土層，隧道上覆土層為1-0 黏土、1黏土和2-2 淤泥，隧道下臥土層為3-3 黏土。場地分布的地下水主要有下部碎礫石層中的孔隙微承壓水和賦存于淺部黏性土層中的孔隙潛水。

1.3 凍結帷幕設計

①聯絡通道由專業單位進行凍結設計，凍結壁有效厚度為2m，凍結壁平均溫度為-10℃；②凍土強度的設計指標：單軸抗壓強度≥4.0MPa，彎折抗拉強度≥1.8MPa，抗剪強度≥1.5MPa（-10℃）。

2 施工技術方法

根據聯絡通道結構形式和凍結帷幕設計要求，凍結孔按下俯、水平、上仰3 種角度布置在泵站和聯絡通道的四周，同時考慮到安全，為增強凍結效果，在通道下方布設一排凍結孔，把積水泵坑和通道作為2 個獨立的區域進行凍結，這樣可將聯絡通道中間（最危險斷面）處視為封閉。1#聯絡通道兼泵站凍結孔數為76 個（冷凍站側隧道內布置53 個凍結孔，冷凍站對側布置23 個凍結孔）。

3 施工工藝及技術參數

3.1 凍結施工技術流程

圖2 為凍結施工流程圖。

圖2 凍結施工流程圖

圖3 鹽水去路和回路溫度曲線圖

3.2 施工技術參數

施工技術參數見表1。

表1 凍結施工主要技術參數表

4 冷凍施工效果分析

4.1 鹽水降溫情況分析

1#聯絡通道于2021年9月18日開始積極凍結，至11月14日，凍結歷時45d。 2021年9月24日積極凍結7d，測得鹽水溫度下降至-21℃，符合設計要求（設計凍結7d，要求鹽水溫度降至-18℃以下）；10月5日積極凍結15d，測得鹽水溫度降至-26℃，符合設計要求（設計凍結15d，要求鹽水溫度降至-24℃以下）；10月21日鹽水溫度降至-30℃。最終去、回路鹽水溫差不大于2℃，以上均符合設計要求。

4.2 測溫孔溫度監測及分析

開挖面布置了8 個溫度孔，其編號分別為C1、C2、C3、C4 、C5、C6、C7、C8，鑒于篇幅，以C4 為例，其溫度變化曲線詳見圖4。C4 測溫點距離最近凍結孔930mm，于2021年10月28日溫度降至0℃以下，歷時29 天，平均每天擴展速度32mm/d。

圖4 4# 測溫孔溫度變化曲線圖

根據凍結壁擴展厚度計算公式：Eyj=Vdp·t

式中：Eyj——預計凍結壁厚度，m；Vdp——凍結壁平均擴展速度，m/d；T——凍結時間，d。

通過統計監測數據，凍土的最慢發展速度為29.6mm/d，凍結45d 后通過計算得到發展半徑r＝1332mm，按凍結發展半徑1332mm 作圖，從交圈圖上測量出：聯絡通道凍結帷幕最薄有效厚度為2131.8mm，大于設計要求的聯絡通道凍結帷幕最薄有效厚度2000mm。

利用《建井工程手冊》凍結施工成冰公式確定1#聯絡通道凍結帷幕的平均溫度，見下公式：

式中：toc——通過零度邊界線計算凍結壁的平均溫度，℃；tc——凍結壁平均溫度，℃；tb——鹽水溫度，取-30℃；l——凍結孔間距，取1.1m；E——凍結壁厚度，取2.13m；tn——井幫凍結帷幕溫度，取-5.4℃；經計算：凍結壁平均溫度為-10.58℃，達到設計要求。

5 有限元方法驗算

5.1 設計計算參數

根據1#聯絡通道埋深及所處位置地層設計，凍土帷幕有效厚度為2.0m，凍土帷幕平均溫度為≤-10℃。設計取-10℃凍土的彈性模量（150MPa）和泊松比（0.3），凍土強度指標為：抗壓強度4.0MPa，抗折強度1.8MPa，抗剪強度1.5MPa。凍結之后承載力驗算采用容許應力法，強度檢驗安全系數抗壓取2.0，抗折取3.0，抗剪取2.0。根據開挖向下變形特性，凍土帷幕頂面所受土壓力按主動土壓力計算，側面承受水土壓力靜止側壓力系數計算時取0.7，土的平均重度取18.5kN/m3。

5.2 凍土帷幕承載力驗算

驗算過程采用均質線彈性平面應變模型，對1#通道凍土帷幕進行力學分析。取凍土帷幕平均溫度下的凍土力學特性值作為力學特性參數。根據1#通道對稱性，取結構的1/4 作為計算模型。凍土帷幕承載力驗算如下：

凍土帷幕頂面土壓力：

凍結壁頂板反力主要受靜水壓力和開挖時因頂板向下變形，上部土體的作用力。

凍土帷幕側面土壓力：

K0－0.7，靜止側壓力系數。

通過有限元分析凍土帷幕的受力與變力，從分析結果可得出：凍結后土體應力值遠小于強度，安全系數高于指標要求，凍土帷幕的承載力滿足要求。

計算顯示在隧道外側的交接處、隧道內側與凍結壁接處局部存在應力集中，但是范圍比較小，且凍土帷幕角度為圓弧過渡，而且凍土帷幕中間尚有土體或支撐體。（圖5、圖6、表2）

表2 通道凍土帷幕應力、位移計算值及安全系數

圖5 通道凍土帷幕有限元計算模型

圖6 水平通道凍土帷幕有限元計算模型

6 結論

冷凍法施工過程中應加強監測，以保證土體凍結的安全性和可靠性。根據日常溫度監測進行計算得知該聯絡通道凍結壁平均溫度為-10.6℃、凍結帷幕最薄有效厚度為2.13m、井壁處探孔溫度為-5.4℃，均滿足設計要求，土體冷凍質量好，加固效果得到保證，證明在臺州地區軟土采用冷凍法施工可以滿足強度和安全性要求，為聯絡通道后續開挖及襯砌施工提供了技術保障和安全作業條件，也為同類工程冷凍加固施工提供了借鑒和參考。