超長聯絡通道水平凍結加固技術探討

何 偉 翟永亮

(1.鄭州市軌道交通有限公司，河南 鄭州 450000； 2.鄭州市第一建筑工程集團有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

人工凍結技術在地鐵聯絡通道加固中得到越來越多的應用[1]。聯絡通道工程是地鐵隧道中的一個重要組成部分，兼顧區間隧道的安全疏散和排水功能，同時聯絡通道施工也具有較高的安全風險[2]。目前國內主要地鐵區間的聯絡通道多采用地層加固+礦山法構筑的設計方案，當地鐵隧道所處的地層為軟土含水地層，且地面不具備良好的加固條件時，往往采用洞內水平凍結加固的方法[3,4]；如上海、杭州、南京、天津等多地均有較多應用，且安全可靠，具有無法取代的優越性。常規聯絡通道的凍結加固設計和施工技術均已較為成熟，但是超長、超埋深、地質情況復雜條件下的聯絡通道施工工程，仍面臨著亟待解決的困難和問題[5]。本文就針對鄭州市地鐵5號線某區間聯絡通道工程為例，對地質條件復雜、超長不對稱聯絡通道的設計和施工作一介紹。

2 項目概況

鄭州市軌道交通5號線金水東路站—鄭州東站區間設置聯絡通道2座，本項目為2號聯絡通道，左右線間距32.79 m，聯絡通道中心埋深26.5 m，聯絡通道所在位置左右線隧道均為圓曲線段。采用“洞內凍結法+礦山法施工”。聯絡通道開孔位置均采用鋼管片拼裝。盾構區間隧道內徑5.5 m，管片厚度350 mm。2號聯絡通道由與隧道鋼管片相連的喇叭口、水平通道和泵站構成。通道主體結構為直墻拱形鋼筋混凝土結構，具體開挖尺寸為：通道開挖尺寸為：26.937 m(長)×4.3 m(寬)×4.55 m(高)。

該聯絡通道上方為綠地，周邊主要構筑物為市政道路和高架橋，其中地面上部距離匝道橋墩水平距離僅為18 m，風險等級為一級。聯絡通道及泵房處的土層自上而下依次為②36C粉砂、②51細砂、②51B粘質粉土、②51A粘質粉土、②52細砂、③23粉質黏土。聯絡通道所處位置地下水共分兩層，第一層地下水呈局部分布，主要位于區間北端，靠近金水東路站，其穩定水位埋深為9.8 m，高程為77.70 m，主要賦存于②34粘質粉土中，預計水量不大；第二層地下水穩定水位埋深為15.8 m～18.5 m，高程為69 m～71.11 m，主要賦存于②36C層粉砂和②51層細砂和②52層細砂層中。

3 施工風險評估與分析

這種超長聯絡通道的水平凍結，在國內少見，缺少類似經驗，存在以下風險因素：

1)超長隧道不宜凍結。一般聯絡通道處的主隧道間距12 m～15 m，凈距6 m～9 m，而本聯絡通道長度達到凈間距26 m，屬于超長旁通道，鉆孔和開挖中小量的誤差會累積成超標的誤差，凍結就很難交圈；同時凍結孔成孔難度較大，如果凍結壁存在薄弱處，開挖時就可能涌水涌砂造成通道坍塌等安全事故。

2)左右線隧道不是平行隧道。該聯絡通道位于盾構主隧道的平面圓曲線處，兩側隧道不平行，右線鉆孔需打斜孔，鉆孔容易出現偏差；結構也不是垂直于隧道管片，管片與凍結帷幕相交處不易膠結。

3)聯絡通道位于細砂層和粉土層交界處，埋深大，鉆孔過程中易發生涌水涌砂，如不安裝有效密封裝置，將引起大量冒砂，危及區間隧道安全。

4)凍結過程中，突發機械故障或停電，造成凍結站停機，凍結壁融化。旁通道較長，相應工程量和工期較長，必須保障冷凍設備的正常運行。

4 超長聯絡通道水平凍結加固設計

4.1 凍結孔布置原則及設置

針對本聯絡通道特點，隧道長度大，如想滿足凍結帷幕厚度和管片交界面封水的效果，采用常規在隧道一側為主布孔的方案是不可行的。因此為保證有效凍結，凍結孔采用左右線隧道對稱布置的形式，分上仰、水平、下俯三種角度布置，共布置凍結孔132個，左線布置57個，右線布置55個，總長度1 525.918 m；測溫孔布置12個，長度2 m～14 m；卸壓孔布置在凍結帷幕封閉區域內，左線、右線各2個，長度13 m，均對稱布置。凍結孔采用φ89×8 mm無縫鋼管。

4.2 凍結壁設計

考慮聯絡通道開挖構筑時間長，將本通道及泵房處凍結厚度定為2.3 m。同時將凍土平均溫度設定為不大于-10 ℃；凍結壁交圈后的溫度分布可簡化為穩態溫度場計算。積極凍結期間，在凍結區附近200 m范圍內不得采取降水措施。同時在凍結壁附近隧道的管片內側敷設50 mm厚泡沫板保溫層，敷設范圍不得小于凍結壁邊界外1 m。凍結時間貫穿聯絡通道、泵房開挖和主體結構施工始末。停機時間以混凝土強度達到設計值、凍結帷幕平均溫度達到-10 ℃且計算厚度達到要求為準。開挖前凍土強度的設計指標為：單軸抗壓4.0 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa(-10 ℃)。

4.3 需冷量計算和設備選型

1)需冷量計算。

凍結管的散熱系數取250 kcal/(m2·h)，冷量損失系數取1.4，采用Q=1.4πdHK，計算得凍結需冷量為：14.939×104kcal/h。其中左線57個凍結孔，凍結管長度812.872 m，需冷量為：Q=1.4πdHK=7.95×104kcal/h。右線55個凍結孔，凍結管長度713.086 m，需冷量為：Q=1.4πdHK=6.97×104kcal/h。

其中，Q為泵房凍結孔需冷量；H為單個泵房凍結管總長度；d為凍結管直徑；K為凍結管散熱系數。

2)凍結制冷設備選型及布置。

冷凍機組選用W-YSLGF300型，單臺冷凍機實際工況制冷量8.5萬kcal/h，為滿足本項目凍結所需計算制冷量，需要選用2臺冷凍機同時運行。為保障設備突發故障下能連續凍結，采取“一用一備”的方案，配備4臺冷凍機組，總裝機功率440 kW。為提高凍結站效率，減少因鹽水干管線路太長而帶來的熱量損失，將凍結站設置在左右線的隧道內，制冷效果好，節約用電。

3)其他管路及設備選擇。

鹽水干管和集配液管均選用φ159×5 mm無縫鋼管，冷卻水管選用φ127×5 mm鋼管。供液管選用φ38×4 mm白色硬塑料管。冷凍排管及泄壓管均選用φ45×3 mm無縫鋼管，測溫孔淺孔采用φ32×3 mm，超過3 m的采用φ89×8 mm鋼管。

每個凍結站配備鹽水箱1個，容積4.5 m3；冷卻水箱1個，容積8 m3。制冷劑選用氟立昂R22制冷劑。冷媒劑用氯化鈣溶液作為冷凍循環鹽水。鹽水比重為1.26。凍結制冷施工冷卻水補充量為15 m3/h。

5 水平凍結施工及效果分析

5.1 積極凍結

凍結系統經調試和試運轉正常后即可進入積極凍結階段，此階段為凍結帷幕的形成階段，積極凍結期鹽水溫度為-28 ℃～-30 ℃，設計凍結時間45 d～50 d，凍結孔單孔流量不應小于5 m3/h，積極凍結7 d鹽水溫度下降至-18 ℃以下；積極凍結15 d鹽水溫度降至-24 ℃以下；開挖時鹽水溫度降至-28 ℃以下，去、回路鹽水溫度不大于2 ℃以上。

在積極凍結過程中，要根據實測鹽水、測溫孔溫度及泄壓孔壓力數據判斷凍土帷幕是否交圈,并推算凍土平均發展速度，計算凍結壁是否達到設計厚度，正式開挖前要在凍結區域內開探孔驗證凍土溫度及凍結壁厚度，確認凍土帷幕達到設計要求且凍結帷幕內的土層基本無壓力后再進行正式開挖。凍土發展半徑(mm)=最慢發展速度(mm/d)×凍結天數(d)，發展速度=距最近凍結孔距離/降到0 ℃天數。

5.2 維護凍結

在積極凍結過程中，測溫判斷凍結帷幕交圈并達到設計厚度且與隧道完全膠結后，可進入維護凍結階段。維護凍結期溫度低于-25 ℃，凍結時間貫穿泵房開挖和主體結構施工始終。

5.3 凍結效果

該聯絡通道開始正式凍結后，冷凍機組運行6 d后鹽水溫度降至-28 ℃，之后冷凍鹽水溫度持續在-28 ℃～-32 ℃，凍結孔單孔流量5.6 m3/h，凍結34 d后凍結帷幕交圈，凍結45 d后凍結帷幕最小厚度2.35 m，左線喇叭口處凍結帷幕厚度2.28 m，右線喇叭口處凍結帷幕厚度2.46 m，凍結帷幕平均溫度-11.8 ℃，帷幕與盾構管片相接處膠結情況良好。聯絡通道開挖后，歷時52 d完成超長聯絡通道和泵房的開挖支護及二次襯砌施工，凍結效果良好，整個維護凍結期間未發生任何安全事故，凍結效果達到設計預期。

1)凍結帷幕溫度變化速率。

為了更好地監控凍結加固區域不同時期不同深度土體溫度變化，在左右隧道各布置6個測溫度，其中左線C1～C4測孔深度2 m，C5,C6測孔深度13.5 m；右線C7,C8測孔深度14 m，C9～C12測孔深度14 m。測孔平均溫度監測結果如圖1所示。

從圖1中可知，在積極凍結初期，凍結區土體溫度下降趨勢成線性，當土體溫度低于冰點后，下降速率放緩，分析為土體內液態水發生相變吸收大量能量所致，凍結壁交圈后帷幕區溫度繼續下降，下降梯度減小；聯絡通道開挖構筑期間，土體溫度變化不大，基本處于穩定狀態。

2)凍結和開挖施工期間的地表沉降。

凍結期間必須對已建成的隧道和地表及周邊環境進行變形監測，凍結和融化勢必會造成土體的凍漲和沉降，本項目在整個施工過程中，對聯絡通道及泵房施工影響范圍內的地表進行了連續監測，積極凍結期間地表隆起不明顯，礦山法開挖及融沉階段，采取了分階段注漿的方式，地表最大沉降量12 mm，滿足規范和設計要求。

6 結語

本文針對鄭州地鐵5號線某區間超長不平行聯絡通道為工程案例，對凍結孔布置、冷凍機組選擇、凍結帷幕強度和凍結時間、鹽水溫度要求等進行了詳細介紹，并通過實施取得了很好的效果，通道開挖構筑期間未發生任何滲漏水現象。主要得出如下結論：

1)對于超長聯絡通道的水平凍結加固，凍結孔宜從隧道兩側對稱布置，以保證凍結帷幕交圈時間和凍結壁形成效果；冷凍站在有條件的情況下宜布置在隧道內，減少凍結干管長度，減少冷量損失；

2)凍結期間應對凍結區凍土溫度進行連續監測，凍結孔設置的位置應具有代表性，能夠監測距離凍結管最遠處的區域，測溫孔內每隔0.5 m～1.0 m設置一個測量點，減少測溫盲點；

3)從測量孔的監測數據可以看出，凍結前期加固土體溫度下降速率較快，在接近冰點后會有一個小幅度減緩期，然后繼續下降，達到設置凍結溫度后，在不改變冷媒介質的狀況下，凍結壁溫度趨于穩定；

4)由于凍脹力和凍土融沉的作用，影響周圍土層的力系平衡，使隧道產生水平位移和沉降，故在整個施工過程中，須加強隧道變形的監測，做好融沉控制，確保隧道和管線安全。