凍結法加固技術在北京地鐵聯絡通道施工應用

李素霞LI Su-xia

（中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，濟南250000）

0 引言

為更好地保護北京市的水資源，減少水資源的浪費，保證土方開挖和結構施工過程中的安全性，實現入水聯絡通道暗挖無水作業，對地下水超過聯絡通道開挖上半斷面時，采用凍結法止水加固方案。

1 工程概況

北京地鐵19 號線某區間采用盾構法施工，設獨立聯絡通道3 座，其中2 號聯絡通道兼泵房初支結構高4.67m、寬3.7m，二襯結構頂板、側墻厚度均為0.3m，底板厚度0.85m；2 號聯絡通道兼泵房主要穿越的土層為卵石圓礫⑦層、卵石圓礫⑨層；局部地段受相對隔水層粉質黏土⑧層影響，卵石圓礫⑨層和粉細砂⑨2 層中水具有承壓性，承壓水頭最大2.50m，主要接受側向徑流補給，以側向徑流和向下越流為主要排泄方式。本層水位穩定深度為24.8～28.5m，絕對標高為15.32～18.40m。

2 工藝選擇與設計參數

2.1 工藝選擇

由于北京地下水位逐年上漲，勘察時水位已不能作為參考依據。經現場實測，2 號聯絡通道兼泵房水位線位于頂板頂面以上0.311m。由于盾構區間正線進入聯絡通道，施工作業面受管片影響較大，導致難以避免仰挖作業且凍結或注漿布管作業條件差，當地下水超過聯絡通道開挖上半斷面時，采用凍結法止水方案，所以2 聯絡通道兼泵房采用凍結法進行土體加固。

2.2 設計參數

凍結法主要涉及參數見表1。

3 土體冷凍加固施工

3.1 土體加固范圍

聯絡通道采用冷凍法進行加固，土體加固范圍如圖1所示。

表1 凍結法主要設計參數表

加固后的土體應具有良好的均勻性和自立性，加固體強度應達到0.5～0.8MPa，滲透系數≦1.0×10-8cm/s，滿足設計及規范要求。

3.2 凍結孔施工

凍結孔施工工序為：定位、開孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→測量→封閉孔底部→打壓試驗[1]。

3.2.1 凍結孔和測溫孔位置

凍結孔設計70 個，實際施工74 個，所有鉆孔深度均達到設計要求。測溫孔10 個，在右線線布置8 個，左線2個，深度2.0m，其中C8-C10 深度6.51m；卸壓孔布置4個，左右線各2 個。

3.2.2 凍結孔打壓試漏

所有凍結孔按設計及規范要求進行打壓試漏試驗，經檢測74 個孔全部合格。

3.2.3 凍結孔測斜

圖1 土體凍結加固范圍

根據實際測斜情況，凍結孔開孔位置誤差小于100mm，達到設計要求，滿足施工需要。

3.3 管路連接、保溫與測試儀表

為確保隧道內車輛及人員通行方便，隧道內的鹽水管用管架敷設在隧道管片側面上并在聯絡通道位置搭設平臺。考慮兩側隧道內管片的散熱對凍結效果的影響，在左、右線隧道管片內側安裝冷凍板，加強凍結。在凍結壁附近隧道管片內側敷設保溫層，敷設范圍至設計凍結壁邊界外2m。保溫層采用導熱系數不大于0.04W/mk 的塑料保溫材料。

3.4 防腐、鉆孔補強

凍結孔管補強：凍結站拆除，回收供液管，放出CaCl2鹽水后，割去露出隧道管片的孔口管和凍結管，混凝土隧道管片上割除孔口管或凍結管深度要求進入管片大于60mm[2]。混凝土管片上割除孔口管或凍結管后留下的孔口立即用速凝堵漏劑封堵，并預埋注漿管進行注漿堵漏[3]。

4 凍結效果分析

4.1 凍結站運轉狀況

從2019年11月01日開機至12月05日已經凍結35 天。運轉期間各設備運轉良好，沒有出現停電現象，沒有出現停機現象。

4.2 鹽水系統

4.2.1 凍結孔單孔流量

鹽水泵去路壓力0.4MPa，回路壓力0.22MPa，去回路壓差0.18MPa。鹽水管單孔平均流量最小可達6.5m3/h，滿足設計要求。

4.2.2 鹽水降溫情況

正式開機后，鹽水溫度去路12.0℃，回路14℃；開機7天后（11月08日）去路-26.7℃，回路-25.1℃；開機15 天后（11月16日）去路：-28.5℃，回路-27.5℃；從2019年11月14日至今，凍結系統已在-28.5℃以下運行，滿足設計對鹽水溫度的要求，且降溫趨線正常，圖2 為鹽水去回路溫度變化趨勢圖。

圖2 鹽水去回路溫度變化趨勢圖

4.3 凍結壁發展情況

4.3.1 各測溫孔溫度情況

對土體溫度監測自冷凍開始之日起，測溫系統自動實時監測，業主及監理單位可以清晰直觀地看到實時溫度數據，圖3 為測溫孔內測點溫度變化曲線。

通過測點溫度到達0℃的時間，推算凍土平均發展速度，獲得凍土帷幕擴展范圍[4]。目前所有測溫孔的測點均達到0℃以下。凍土外側發展速度（最小64.2mm/d，最大69.2mm/d），內側發展速度（最小60mm/d，最大69.2mm/d）；現取最小最不利發展速度60mm/d，計算凍結35 天發展半徑達到2100mm。

4.3.2 凍土發展狀況

分別在通道的兩端和中部位置選取斷面進行凍結壁厚度的分析。凍結壁厚度達到設計及規范要求，滿足開挖需要。其中35 天時側墻最小凍土厚度達到1972mm，拱頂結構開挖完后最小凍土保護層厚度達到2376mm[5]。

圖3 測溫孔溫度走勢圖

圖4 泄壓孔壓力變化曲線示意圖

4.3.3 凍土平均溫度計算

根據現場實測土體溫度，利用成冰公式推算特征截面凍結壁有效厚度和平均溫度列于表2。成冰公式：

式中，對于凍土帷幕，取tb=-28.5℃，L=0.9m，tn=-7.0℃，E=2.2m，計算得Tc=-10.72℃。根據成冰公式計算，凍結壁平均溫度為-10.66℃，低于設計-10℃的要求。

同理：式中，對于與管片交界面凍土帷幕溫度，取tb=-28.5℃，L=1.0m，tn=-5.0℃，E=2.2m，計算得Tc=-9.97℃。根據成冰公式計算，求得其管片壁后凍土帷幕平均溫度為-9.97℃＜-5℃（設計管片交界面凍土平均溫度），滿足設計要求。

表2 作圖法和成冰公式分析凍結壁有效壁厚和平均溫度匯總表

根據以上分析，凍結壁有效厚度大于2.2m，凍土平均溫度低于-10℃，符合設計要求，滿足施工需要。

4.4 卸壓孔左右線

4 個卸壓孔的原始地層壓力為0-0.1MPa，特別微弱。如圖4 所示，從11月18日前后開始泄壓孔壓力增長，11月29日壓力增長到0.21MPa 左右；為了防止凍脹力過大對管片造成損傷，開始對其進行卸壓，開閥后先是有泥沙流出，隨后變為清水，流量逐漸變小，關閥后短時間內未升壓，一段時間后壓力升至0.15MPa，圖4 為泄壓孔壓力變化曲線示意圖。 11月30日泄壓孔壓力漲至0.2MPa，對泄壓孔進行泄壓，開閥后有清水流出，流量逐漸變小，關閥后壓力短時間內漲為0.1MPa。在12月02日開始將泄壓孔保持半敞開狀態，使其慢慢將凍結范圍內的未凍水流出，截至目前泄壓孔已無流水。

從卸壓孔的壓力變化分析，該項目凍結交圈的時間為開機后18 天，由于水位位于上部兩排孔下，造成凍結膠圈后壓力沒有及時上漲，待凍結范圍內水位凍漲至上部兩排孔后，泄壓孔才出現漲壓，在13-15 天左右交圈，凍結效果良好。凍結圍幕里土體有了一定的自立性。

4.5 探孔情況

開探孔，觀察地層情況，用鉆頭打入X2 孔內1.0m 深，壁后地層穩定，沒有涌水涌沙現象，地層穩定性較好，孔內無水流出，凍結效果良好。

5 開挖與構筑

2 號聯絡通道兼泵房在施工過程中占用左線隧道，在開口處搭設型鋼操作平臺，利用左線隧道作為出渣和材料運輸的通道。根據探孔情況確認達到設計凍結厚度后進行聯絡通道的開挖，自左線向右線進行施作。出渣及材料運輸過程中要注意對隧道內鹽水管路的保護。

主要施工步驟：①開挖通道部分，采用全斷面開挖土方，嚴格按照開挖步距要求及初期支護要求，及時進行初期支護；②完成噴射混凝土后，鋪設防水層，施作正常段斷面的二次襯砌；③開挖泵房，架設鋼架支撐，施作初期襯砌；④完成噴射混凝土后，鋪設防水層，施作泵房二襯。

6 結論

凍結效果的成敗關鍵取決于凍結孔的施工，施工過程中必須控制凍結孔的施工精度，尤其本工程在砂卵石地層成孔較困難，對孔位偏差較大及打設困難無法鉆進的孔位需要及時糾偏或重新補打，以滿足凍結設計要求。

通過本項目聯絡通道凍結法施工完成情況，證明了對于入水深度較深的聯絡通道在砂卵石地層土體凍結法加固止水效果良好。開挖過程中掌子面土體凍結及凍結期間監測數據情況良好，未發生任何質量及安全事故。凍結法施工對環境無污染，符合目前不降水少降水及綠色環保要求的政策形勢。