區間聯絡通道施工冷凍法技術應用研究

李 杰

(太原市軌道交通發展有限公司,山西 太原 030000)

太原地鐵2號線一期工程作為我市軌道交通線網的骨架線路，由南向北依次穿越小店、綜改、迎澤、杏花嶺和尖草坪五個行政區，起于人民南路站，向北沿人民路、長治路、解放路敷設，止于西澗河站。2號線一期工程線路全長23.647 km，共設車站23座，其中換乘站7座。區間隧道的聯絡通道埋深較大，采用旋噴樁進行地層加固質量較難保證，施工風險較大。本聯絡通道所處地層主要為中砂、粉質黏土層，地下水埋深6.85 m～9.41 m。該區間主要位于長治路上，勘察揭露的人工填土為雜填土和素填土，松散，干燥，欠壓實，自穩性差，吸水性較好，綜上所述：本聯絡通道采用冷凍法加固，礦山法施工。

1 工程概述

軌道交通2號線一期工程學府街—長風街盾構區間，區間右線總長917.775 m(左線917.819 m)。根據線路設計在458.8 m處設置一處逃生使用的區間聯絡通道以及廢水泵房。聯絡通道的水平線間的距離為14.2 m，頂部覆土約為18.94 m，地下水位埋深約為9.1 m。

聯絡通道結構為曲拱直墻斷面，覆土厚度約19 m，待隧道貫通后采用礦山法施工。聯絡通道暗埋段凈寬設計為2.80 m，凈高2.90 m。支護結構型式為復合式襯砌，初期支護由300 mm厚C25噴射混凝土格柵鋼架、鋼筋網組成；二次襯砌實施采用設計C45P10標準的模筑防水混凝土，在初期支護并二次襯砌間以全包式防水隔離層隔離。

2 施工方案選擇及工藝

2.1 方案和工藝流程簡介

1)區間聯絡通道在加固土體的過程中可以采用凍結法施工，首先以工業鹽水作為冷媒，通過埋入通道外圍的凍結管將聯絡通道周圈土體不斷降溫形成物理力學性能更好的凍土，實現封閉的可承受外部水土壓力的凍土帷幕結構，結合實體凍結的方式對集水井進行凍結，最后在凍土帷幕結構中開始聯絡通道及泵房的施工掘砌。本文著重對區間聯絡通道采用凍結法的凍結帷幕、強度校驗、安全系數校驗以及冷凍工藝等環節進行介紹。

施工組織設計需結合詳細的地質勘探文件、周邊環境現狀確定，故采用“隧道內水平鹽水冷凍+礦山法人工暗挖”的工藝工法。詳細措施如下：

首先進行水平鉆孔和部分傾斜鉆孔，再向凍結管內注入工業鹽水，通過制冷設備，使隧道區間之間的土層凍結加固，隨后再將聯絡通道和泵房開挖面的周邊土體冷凍，最終形成具有全方位截斷地下水、支撐強度高等特征的凍土帷幕。

2)在凍結帷幕的保護下，采用礦山法人工水平開挖聯絡通道，隨挖隨支，通道結構完成后，再向下開挖泵房結構。此項工程施工的關鍵環節包括凍結孔施工和聯絡通道的初期支護等。施工管理的重要控制點為供液管的敷設以及與管片之間的連接情況；還包括：凍結帷幕溫度監測、卸壓孔監測、凍結效果評估檢測、聯絡通道開挖支護等特殊工序的管理。

2.2 凍結帷幕力學模型

根據地質資料，學府街站—長風街站區間聯絡通道埋深18.94 m，埋深最大，計算聯絡通道垂直土壓力(P)、側向下荷載(Px)、側向上荷載(Ps)、公式如下(注：由于凍脹，土體向上膨脹，上、下垂直方向土壓力、上部土體被動土壓力應對應相等):

P=γ·H=γ·(Ho+Hx)+20=312.7 kPa;

Pcs=ξ·Ps=234.9 kPa;

Pcx=ξ·Px=293.1 kPa。

其中，側壓力系數取0.56；h為開挖凈高+凍土厚度。

凍土帷幕設計厚度為2 m+x，通道開挖輪廓5.40 m×4.30 m，通過計算結構內部彎矩、軸力，求取截面內壓應力、拉應力、剪應力。

2.3 各截面彎矩及軸力

各截面彎矩及軸力見表1。

2.4 強度校驗及安全系數校驗

強度校驗及安全系數校驗見表2。

表2 聯絡通道中部凍土結構各截面安全系數

表2中安全系數K為凍土的強度與相應凍土結構在相關位置上應力的比值。聯絡通道斷面所屬土層以粉細砂層、粉質黏土、黏質粉土層為主，凍土強度以平均凍土的溫度在-10 ℃時的粉質黏土為準，σ壓=4.5 MPa,σ拉=2.2 MPa,τ剪=2.0 MPa。表2中數據顯示，各截面的壓應力的安全系數K=2.3以上，拉應力安全系數值K=3.4，剪應力安全系數K=2.7，安全，凍結壁厚度選取2 m+x厚能滿足全斷面開挖要求。

2.5 凍結施工

2.5.1管片壁后二次預注漿

為確保聯絡通道工程的安全有序進行，降低鉆孔過程中施工風險，在打鉆安裝凍結管前應進行管片壁后的預注漿環節。預注漿范圍為聯絡通道兩側各10環管片，左右線共計40環范圍內壓注水泥漿液。注漿量根據管片后土質情況及前期注漿情況確定，注漿壓力不超過0.25 MPa。

壁后預注漿同時也能起到降低后期開挖通道期間風險的作用。

2.5.2凍結孔施工工序

凍結孔打設前對聯絡通道左右線里程偏差確認并對打孔角度進行修正后打孔。聯絡通道的方位軸線如圖1所示，要先確定出隧道的A點和B點，測量A點和B點的坐標后，以AB的連線作為方位線，做延長線至兩側隧道后管片上，再分別定位出C點和D點，作為施工時定位線。

開孔及終孔測量、封孔、打壓試驗、凍結孔的施工工序為：

1)定位、開孔：隧道內通過全站儀將各孔位置定位，通過孔位在混凝土管片上定位開孔。

2)孔口管安裝：選用工具型號及類型：相應功率匹配的金剛石鉆機、φ130 mm金剛石取芯鉆頭；鉆孔深度要求控制在200 mm～250 mm間，不得鉆穿混凝土管片，采用鋼楔撬斷巖心然后取出，將已成品孔口管打入，使用具有至少4個固定點在管片上完成固定，下一步將孔口密封材料安裝完成。當每個孔口施工完成后，使用鋼板將孔口法蘭和凍結管之間間隙焊接成密封整體。

3)鉆孔：鉆機就位后，鉆桿穿入孔口管，鉆頭部位安裝一個特制單向閥門，孔口管上安裝旁通閥門，用盤根密封鉆桿與孔口管縫隙；在旁通閥觀察在鉆進時的出水和出砂情況。通過開關旁通閥控制出泥漿量，確保地面安全，控制沉降。

4)封孔：用接長桿在孔的底部將絲堵上，在卸扣時使用反扣將絲堵上緊。

5)打壓試驗：在凍結管的長度和角度均驗收合格之后，再實施打壓試漏試驗，并將壓力控制在1.0 MPa(且不小于凍結工作面鹽水壓力的1.5倍)時，方可停止打壓，將閥門關好，注意觀測壓力方面的變化，30 min內的壓力下降不超過0.05 MPa，并保壓15 min以上，若壓力不下降，則為合格。

3 結語

通過建立凍結帷幕力學模型和計算各截面彎矩及軸力以及強度校驗、安全系數校驗等環節，得出冷凍技術的相關數據能夠滿足現場實際實施。以實驗合格的數據通過冷凍施工方案專家評審，方可進行下步現場施工，用理論數據指導工作，用實際情況驗證理論數據，保證安全、質量雙控。在施工前嚴格做好技術交底；核查區內的建筑物和管線，以及設施、設備；核查范圍內環境、工程地質與水文地質條件合理選擇施工機具。