錢塘江沖海粉砂地層聯絡通道冷凍法施工技術研究

王 巍

（中鐵十六局集團有限公司，北京 通州 101100）

0 引言

地鐵聯絡通道設置于兩條單線區間隧道之間，起到保證人員安全疏散的作用，有時根據實際情況還設有排水泵房。聯絡通道施工不僅要考慮結構及成型盾構隧道的安全，同時也要考慮地面環境的安全。因此開挖前需對其周邊土體進行加固，常見的加固方式有地面旋噴樁及攪拌樁加固。然而在地表施工條件不便、地下水豐富的復雜地質情況下，冷凍法施工則成為土體加固的主要方式[1]。在杭州市地鐵8 號線橋頭堡-河莊區間聯絡通道工程中，聯絡通道建在錢塘江沖海粉砂層中，需采用冷凍法施工。本文對該方法施工過程的安全管控、質量缺陷進行分析，并提出了處理方案，驗證了其效果。

1 工程概況及水文地質條件

1.1 工程概況

杭州地鐵8 號線位于錢塘江東岸，為2022 年亞運會重點配套工程。橋頭堡站-河莊路站區間隧道全長約2105m，共設3 座聯絡通道，采用二次支護方式。聯絡通道凈寬2.5m，凈高2.543m。

1.2 水文地質條件

橋河區間聯絡通道結構范圍內地層由上而下分別為砂質粉土、粉砂、淤泥質粉質黏土夾粉土。土層物理力學性質見表1。

表1 土層物理力學性質

2 聯絡通道冷凍法施工中存在的問題及原因分析

2.1 聯絡通道鹽水溫度＞-28℃且去、回路溫度差＞2℃

橋-河區間3#聯絡通道冷凍機組于2020 年6 月19日開始凍結運轉。到2020 年6 月25 日（凍結第7d）鹽水去、回路溫度分別為：-20℃、-17.5℃；7 月3 日（凍結第15d）鹽水去、回路溫度分別為：-24.5℃、-21.5℃；至7月28日鹽水去路僅維持-27℃。

原因分析：橋頭堡站-河莊路站區間隧道全長約2061m，共設3 座聯絡通道，其中2 號聯絡通道兼做泵房，為確保2 號聯絡通道開挖安全，將冷凍站設置于2號聯絡通道旁，3#聯絡通道距離冷凍站587m，鹽水干管鋪設距離較遠，去、回路冷量損失較大。積極冷凍期間受箱變損壞影響，停電長達14h；同時受場地影響冷卻水未使用自來水，采用降水井抽取的地下水作為冷凍機組冷卻水源，由于含砂率較大，雜質相對較多，因此導致冷凍機組冷凝器阻塞，嚴重影響制冷效果。

2.2 凍結壁和隧道管片交界面平均溫度＞-5℃，并伴隨凍結管冰柱融化

開挖后凍結壁結霜面融化速度較快。橋-河區間3#聯絡通道凍結過程中實測結壁與隧道管片交界面處平均溫度為-4℃；開挖后，聯絡通道掌子面溫度較高，伴有土體液化并滴落。

原因分析：橋-河區間開挖期間正值杭州最炎熱的夏季，隧道內溫度及濕度較大，體感明顯感覺悶熱，采用冷卻塔為冷凍機組散熱時，同時安裝軸流風機強制通風，3#聯絡通道處于下風向，加之鋼管片與混凝土管片等不同媒介導熱系數不同，熱交換快、冷量損失大進而導致上述現象的發生。

2.3 封孔作業時出現涌水涌砂現象

橋-河區間3#聯絡通道在二襯施工結束后，對凍結管進行割孔及封孔作業，期間發現少許清水沿凍結管與混凝土管片之間環縫滴漏，逐漸發展成線性涌水，5min清水變渾濁，帶有少許泥沙流出。

原因分析：由于錢塘江沿岸廣布砂質粉土及粉砂強度和韌性低，在一定的水動力及機械振動條件下可能產生液化和流沙現象；鉆孔施工結束后沒有及時對孔口管與凍結管、管片與凍結管環形縫隙進行注漿封堵，伴隨著凍結壁的融化，凍水及泥沙沿著凍結管和管片間縫隙流出，發生涌水涌沙現象。

3 施工質量控制措施

（1）為了降低聯絡通道鹽水干管鋪設距離較遠，去、回路冷量損失較大的影響，將保溫板增加為雙層進行保溫，同時增設防潮層。對原冷凍機組冷凝器進行沖洗，引入較為干凈的自來水作為冷凍機組冷卻水源，同時開啟備用冷凍機組，采用兩臺冷凍機組進行制冷，對土體進行積極凍結，確保供冷量。

（2）將鋼管片格倉填充非親水保溫材料，并覆蓋雙層保溫板，敷設范圍延長至設計凍結壁外邊界3m，保溫板搭接長度不少于10cm；將凍結管四周用彩條布包圍起來，避免軸流風機對凍結管的直吹，減少冷量的損耗。

圖1 鋪貼保溫板

（3）開挖階段，主線洞門喇叭口處凍結土體暴露時間過長，挖完導洞架設2 榀臨時支撐后，及時安裝木背板，并在木背板外側敷設保溫板；進入通道段開挖后，嚴格控制進尺，杜絕為了便于上部拱架支撐架設進行超挖，開挖斷面超挖不大于30mm；同時為了緩解熱交換快、冷量損失造成的凍結土體液化現象，在安全門內安裝門簾。

（4）在凍結管施工結束后，應及時對管片與凍結管之間的環形空隙進行注漿，漿液水灰比為0.8∶1，注漿量原則上不小于0.2m3，同時滿足地層沉降控制要求；結束后應注意查看孔口管法蘭盤以及旁通閥有無滲漏情況（觀察不得小于12h），確認無滲漏后可拆除壓緊裝置和球閥[2]。

（5）二襯施工結束后要割除凍結管，必須分組停凍并及時進行封孔；割除凍結管的深度不得小于100mm。對剩余留置在管片內部地層里的凍結管進行充填前，要使用壓縮空氣吹干管內鹽水；充填材料為M10以上砂漿或強度在C20以上混凝土，上仰角凍結管充填長度不應小于管口向內1.5m，下俯角凍結管務必全部填滿；孔口管割除后采用10mm圓形鋼板進行焊接封堵。待焊縫冷卻后涂刷遇水膨脹止水膠。在割除區域側壁施工M12的膨脹螺栓2根（外側預留有效長度不小于3cm），并與孔口管殘留部分焊接連接，遇到肋板時應與肋板進行焊接；圓形鋼板封堵完成后，使用C30 硫鋁酸鹽微膨脹水泥進行填充直至與混凝土管片平齊。設置300mm×300mm×10mm 鋼板，鋼板與管片采用4 根長度為15cm膨脹螺栓固定。由于管片帶有一定弧度，應將鋼板提前壓，并使用環氧砂漿對其與混凝土管片之間的空隙進行填充，鋼板表面涂刷與鋼管片同材質防腐漆。

4 施工效果檢查

4.1 冷凍效果

（1）橋-河區間3#聯絡通道冷凍機組于2020年6月19 日開始凍結運轉。到6 月25 日時（凍結第7d）鹽水去路溫度為-20℃；至7月3日時（凍結第15d）鹽水去路溫度為-24.5℃。至8 月16 日已凍結57d，鹽水去、回溫度分別為：-30℃、-29℃。截止開挖前鹽水溫度已降至-28℃以下，去、回路鹽水溫差僅為1℃，效果良好[3]。

圖2 鹽水去、回路溫差變化曲線圖

（2）橋頭堡站-河莊站區間3#聯絡通道共計布設8個測溫孔，其中主線側2 個，副線6 個，其中C1、C2 孔深2.5m，布設3個測溫點。C2孔深3.5m，布設3個測溫點，C3、C4孔深3m，布設3個測溫點，C5、C6孔深2m，布設3個測溫點；C7孔深4.5m，布設4個測溫點[4]。通過對測溫孔進行分析，開挖區域最薄弱的地方即凍結壁與隧道管片交界面處平均溫度均已小于-5℃。根據建井工程手冊成冰公式計算，凍結壁平均溫度為：tc=toc+0.25tn[5]。其中toc =tb(1.135-0.3520.466，經計算得出凍結壁平均溫度為-10.22℃＜-10℃，滿足設計要求。具體計算參數見表2。

表2 平均溫度計算參數

（3）經過各項施工技術措施的有效控制，緩解熱交換快、冷量損失大造成的凍結土體液化現象，掌子面結霜情況良好，鑿除后多為塊狀，冷凍效果得到了較大的提升。

4.2 工后沉降

橋河區間3#聯絡通道共計布設65 個地表沉降點位，拱底和拱頂沉降監測點位分別布設22 個。各項監測于2020 年8 月17 日開始，截止到2021 年3 月7 日，實際監測天數為146d，其中地表最大累計沉降量為-16.8mm，拱底沉降最大累計變化量為-5.09mm，拱頂沉降最大累計變化量為1.63mm，水平收斂最大累計變化量為-4.40mm。

目前凍結壁完全融化，且聯絡通道結構沉降持續一個月，每半個月最大變化值為0.3mm，滿足設計及規范要求，已經停止融沉注漿施工。聯絡通道拱底沉降曲線如圖3所示。

圖3 聯絡通道拱底沉降曲線

5 結束語

通過對杭州地鐵8 號線橋～河區間聯絡通道冷凍法施工技術進行研究，對過程中出現的安全質量缺陷的原因逐條分析，并提出相應的解決方案，達到了施工質量要求，并得出以下結論：

（1）結合現場實際情況，建議冷凍站設置于隧道內，盡量避免將冷凍站布置于中板，造成鹽水干管鋪設距離較遠，去、回路冷量損失較大，影響制冷效果。

（2）盡量選擇武漢制冷、南京制冷等知名制冷廠家所生產的冷凍機組；條件允許情況下要求專業分包提供近3 年內生產的冷凍設備進場，以確保制冷效果，引入智能化凍結測溫監測系統，加強對鹽水去、回路溫度以及凍結帷幕與管片交界處凍結薄弱位置溫度的監測。

（3）封孔是聯絡通道施工的關鍵環節，嚴格按照圖紙要求及相關規范進行施工，最外側設置的封孔與管片盡量采用4 根長度為15cm 膨脹螺栓固定，以確保螺栓的有效錨入長度；在凍結管鉆孔完成后，應及時利用孔口管預留旁通閥對孔口管與凍結管環形空間進行注漿。

（4）二襯施工完成后，需根據測凍土的融化程度及每日的監測數據及時進行融沉注漿；杜絕松懈思想，在聯絡通道沉降數據徹底穩定前確保每天對聯絡通道情況進行巡視。