公路隧道間長距離聯(lián)絡通道凍結施工技術研究

方 衛(wèi)

(上海滬申高速公路建設發(fā)展有限公司，上海 200063)

當兩條單線隧道連貫長度超過600 m時，需要在兩條隧道之間設置聯(lián)絡通道，以滿足消防和疏散要求[1]。在富含水軟弱地層中施工時，一般需要先對施工區(qū)域地層進行改良，保證通道結構的順利施工[2]。人工凍結技術作為軟弱地層的有效加固方法，不僅可以有效隔絕地下水，而且改良后地層均勻、形成凍結壁強度高，在上海、北京等城市的地鐵建設中得到廣泛應用[3,4]，有時人工凍結技術幾乎是聯(lián)絡通道暗挖法施工唯一有效加固方法[5]，通過國內學者和工程技術人員的應用和研究，積累了大量的工程經驗和研究成果。目前已完成施工的聯(lián)絡通道長度較短，一般隧道中心距離都不超過15 m，而上海沿江通道的越江隧道工程直徑15 m，兩條隧道之間的距離達到43.48 m，所以聯(lián)絡通道的凍結加固設計和施工與常規(guī)聯(lián)絡通道差別較大。本文依托該工程，對凍結加固的設計和施工中的關鍵技術進行研究。

1 工程概況

上海市越江隧道工程西起浦西牡丹江路，東至浦東外環(huán)線，長約6.49 km，盾構隧道外徑15.0 m，內徑13.7 m，共設6座聯(lián)絡通道，其中5號聯(lián)絡通道位置隧道中心距離43.48 m，中間通道內徑2 740 mm，喇叭口內徑3 340 mm。通道的初期支護采用HW200 mm×200 mm×12 mm型鋼支架加250 mm厚C20噴射混凝土，永久襯砌為300 mm的鋼筋混凝土結構。

根據(jù)勘察資料，5號聯(lián)絡通道所處地層主要為⑤2粘質粉土夾粉質粘土層(頂部少量位于⑤2t粘質粉土層)，下臥⑤3-1粉質粘土層，聯(lián)絡通道上方為長江大堤圍堰，隧道中心埋深約41 m。

2 聯(lián)絡通道的凍結設計

2.1 整體施工方案

聯(lián)絡通道位于長江下，地層中的水力聯(lián)系復雜，施工風險大，采用水平凍結法加固地層、礦山法暗挖構筑的總體施工方案，即在聯(lián)絡通道周圍施工雙圈水平凍結孔，采用低溫鹽水凍結加固地層，使聯(lián)絡通道外側土體凍結形成強度高、封閉性好的凍結壁，然后采用礦山法進行聯(lián)絡通道的開挖和襯砌結構施工。

2.2 聯(lián)絡通道凍結加固設計

設計中間通道凍結壁厚度為3.0 m，喇叭口處2.7 m，布置內、外兩圈共72個凍結孔(含4個對穿孔)、14個測溫孔和4個卸壓孔。兩圈凍結孔從隧道上、下行線對打施工，在通道中部進行搭接，搭接長度1 m，內外圈搭接位置錯開1 m。通過減小凍結孔長度有利于提高凍結孔成孔精度，在施工凍結孔時可顯著降低發(fā)生噴涌的風險，并有利于控制施工過程中的凍結管變形與受力，防止凍結管接頭裂漏。聯(lián)絡通道設計積極凍結時間55 d～60 d，設計凍結壁平均溫度不高于-13 ℃，凍結壁與隧道管片交界面溫度不高于-8 ℃。

3 聯(lián)絡通道的施工方案

3.1 聯(lián)絡通道的凍結施工難度

5號聯(lián)絡通道長度大，所處⑤2粘質粉土夾粉質粘土層為透水地層，且埋深大，施工中面臨如下困難：

1)施工區(qū)域處于透水地層，凍結孔位置水壓0.45 MPa，成孔過程中面臨出水、噴砂的風險。

2)聯(lián)絡通道長度大，凍結孔造孔、開挖、支護與結構施工難度大，鉆進法施工凍結孔防噴要求高，尤其是透孔施工在鉆進對側管片時，容易發(fā)生斷管，而且在鉆透對側隧道鋼管片時，鉆頭與管片間隙難以封堵。

3)鉆孔施工時容易偏斜，鉆孔施工質量較難控制。

4)聯(lián)絡通道兩端設有變形縫，襯砌結構施工時需分段澆筑，結構防水施工難度較大。

3.2 聯(lián)絡通道凍結施工的關鍵技術

針對5號聯(lián)絡通道施工所面臨的困難，施工中主要采取了以下關鍵技術：

1)采取了灌漿法安裝鋼管片上的孔口管。由于凍結孔布置在鋼管片上，在鋼管片上安裝孔口管時，需先在孔口管頭部焊接3根～4根用直徑20 mm高強螺紋鋼加工的“L”錨筋，并用硫鋁酸鹽雙快水泥封堵孔口管頭部。然后將孔口管插入鋼格腔，并用12 mm鋼板焊接固定孔口管，密封鋼格腔。固定好孔口管后再從鋼格腔上方筋板開孔灌入硫鋁酸鹽雙快水泥漿填充鋼格腔。在開透鋼管片前，需焊接封堵筋板上的灌漿孔，安裝過程如圖1所示，這樣安裝鋼管片上的孔口管牢固，避免鋼格腔之間接縫串水問題。

2)首次研發(fā)了前頂進式凍結管鉆孔方法。前頂進式凍結管鉆進方法的基本原理是在凍結管內插入強度、剛度均大的頂桿，并在頂桿尾端連接液壓缸，頂力通過頂桿直接作用在凍結管前端，從而實現(xiàn)凍結管的前頂進施工。頂進式鉆孔的施工結構如圖2所示，該裝置的允許頂進力為30 t，最大凍結管頂深不小于30 m，頂進速度約100 mm/min。

采用高強頂桿與凍結管組合剛度大，可以有效抵抗凍結管彎曲和失穩(wěn)，頂進精度高，而且施工過程中凍結管處于受拉狀態(tài)，在凍結管尾端幾乎不受力，所以凍結管不易在隧道管片開孔處被卡，相對于傳統(tǒng)后頂進方法可以大幅提高頂進深度。

3)采用套管法施工管片對穿孔。對于管片上的對穿孔施工，先用跟管鉆進法施工套管，套管前端抵到對側隧道管片后，在套管中用鉆機鉆透對側隧道管片，套管采用φ152 mm無縫鋼管，對穿孔凍結管采用φ127 mm無縫鋼管。凍結管前部連接直接稍大于取芯鉆頭的止水環(huán)，可解決單一鉆孔法施工透孔時容易漏水噴砂和凍結管易疲勞斷裂的難題，而且通過在套管與凍結管間隙內充填注漿，可防止對穿孔凍結管發(fā)生接頭開裂的風險。

4)多種措施提高凍結壁的形成質量。為了提高形成凍結壁的質量，施工過程中采取綜合措施，精細控制凍結施工過程，主要包括對上、下行線隧道與凍結壁界面管片表面均敷設冷凍排管進行輔助凍結，確保凍結壁不存在薄弱區(qū)；實時監(jiān)測總管路凍結鹽水溫度和鹽水流量、每組凍結器及冷凍排管的鹽水溫度，確保凍結系統(tǒng)運轉滿足設計要求；全方位監(jiān)測地層溫度變化，并結合凍結溫度場有限元數(shù)值模擬，隨時分析和評估凍結壁的發(fā)展情況；采用開放的鹽水循環(huán)系統(tǒng)，鹽水從凍結器循環(huán)回來后直接進入鹽水箱，這樣可以控制凍結器內鹽水壓力最大不超過0.2 MPa，要遠小于地層水壓，一旦凍結管接頭發(fā)生斷裂也不會發(fā)生鹽水滲入地層融化凍結壁的嚴重后果。

5)綜合控制混凝土襯砌結構的澆筑質量。針對長距離聯(lián)絡通道的施工特點，混凝土澆筑施工過程中采用和易性好的細石子混凝土，大塊高強度鋼模，地泵高壓灌注，多點附著式振搗器振搗的施工過程，混凝土的澆筑順序為通道底拱，通道上部(分兩段)，喇叭口，同時在施工縫處鋪設鋼邊止水帶并加密預埋注漿管。另外，停凍3 d～7 d后對襯砌與初支、凍結壁間隙進行充填注漿，使初支與襯砌結合成整體，彌補襯砌的澆筑缺陷。凍結壁解凍過程中，根據(jù)沉降監(jiān)測進行融沉跟蹤注漿，避免聯(lián)絡通道與隧道發(fā)生不均勻沉降。

3.3 聯(lián)絡通道的施工過程

5號聯(lián)絡通道于2018年4月25日開始施工第一個透孔，4月30日四個透孔施工完畢，5月1日起開始施工其他凍結孔，至5月28日完成全部凍結孔施工。2018年6月13日，凍結系統(tǒng)正式運行，至8月15日，凍結系統(tǒng)積極凍結64 d后開始開挖施工。采用上、下臺階法進行凍土開挖，開挖步距不超過700 mm，每隔600 mm設型鋼支架做臨時支護，待聯(lián)絡通道開挖完成之后，進行結構的混凝土澆筑施工。施工結束后，停止凍結，并割除管片上的孔口管和凍結管，凍結管內部采用水泥砂漿充填。

4 結語

依托上海沿江通道越江隧道建設工程，介紹了聯(lián)絡通道凍結加固中的凍結孔布置參數(shù)等凍結加固設計過程和主要參數(shù)，并針對長距離聯(lián)絡通道的施工特點，著重研究了施工過程中的關鍵技術，形成了新的施工體系。聯(lián)絡通道順利施工完成，說明凍結設計的參數(shù)和關鍵技術可以解決江底長距離聯(lián)絡通道施工的技術難題，研究成果可以供類似地層中的聯(lián)絡通道建設時參考。