天津地鐵4號線富水聯絡通道水平凍結法施工技術

孟憲美

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300000)

1 工程概述

1.1 工程概況

天津地鐵4號線成林道站—六緯路站區間右線全長2 517.985 m，左線全長2 538.700 m。區間左線有半徑350、450、600、1 000、1 500 m的平曲線各一處，半徑400 m的平曲線兩處。右線有半徑350、462、600、1 000、1 500 m的平曲線各一處，半徑400 m的平曲線兩處。區間線間距在12.0～27.20 m變化。區間隧道為單洞單線圓形隧道，管片內徑?5 500 mm、管片厚度350 mm、環寬1.5 m/1.2 m，管片混凝土強度等級C50，抗滲等級P10。

1.2 工程地質、水文地質概況

成林道站—六緯路站場地埋深75.00 m 深度范圍內，盾構區間內從上到下地層劃分及各地層的物理力學指標見表1。根據地基土的巖性分層、室內滲透試驗結果，成林道站—六緯路站區間場地埋深50.00 m 以上可劃分為潛水含水巖組、第一承壓含水巖組和第二承壓含水巖組。⑦粉質粘土、⑧1粉質粘土屬不透水～微透水層，可視為潛水含水層與其下承壓含水層的相對隔水層，初見水位埋深1.40～2.40 m，相當于標高1.24～-0.30 m；靜止水位埋深0.70～2.40 m，相當于標高1.49～0.80 m，潛水水位一般年變幅在0.50～1.00 m 左右。⑧2砂質粉土、⑨1粉質粘土、⑨2砂質粉土為第一承壓含水層，該承壓水水頭大沽標高約為-0.50 m；⑩1、粉質粘土、1粉質粘土為第二承壓含水層，該承壓水水頭大沽標高約為-0.50 m。盾構局部穿越⑧2、⑨2粉土承壓水層，易引發突發性涌水和涌泥，造成地面塌陷，發生施工事故。

1.3 聯絡通道概況

本標段盾構區間設有三處聯絡通道，采用水平凍結法進行土體加固，暗挖法修建聯絡通道。聯絡通道采用曲拱直墻斷面，通道設計寬度為2.8 m，設計凈高為2.9 m，聯絡通道結構型式見圖1。

圖1 聯絡通道結構

2 聯絡通道施工工藝

聯絡通道施工工藝流程：第一步，盾構區間采用冷凍法加固聯絡通道周圍土體，平面加固范圍為通道中線兩側各6 m(見圖2)，Ⅰ區無側限抗壓強度須≥0.8 MPa，滲透系數須<10-8cm/s；Ⅱ區無側限抗壓強度須≥1.5 MPa，滲透系數<10-8cm/s。第二步，采用千斤頂和手拉葫蘆先拆除上部4塊鋼管片，待通道貫通后再拆除下部兩塊鋼管片。第三步，先進行上部通道的開挖和支護，再對泵站開挖和支護。

表1 各地層的物理力學指標

第四步，對聯絡通道進行支護施工(格柵鋼架及掛網施工、濕式噴射砼施工等)。第五步，采用4 mm厚自粘性改性瀝青柔性防水卷材進行防水層施工。第五步，二襯采用防水混凝土，防水混凝土的抗滲等級不得小于P8。第六步，二次襯砌后注漿和地層跟蹤注漿，注漿順序為管片底部→喇叭口→通道及集水井[1-2]。

圖2 聯絡通道土體凍結加固范圍

3 凍結加固施工方案

3.1 凍結參數確定

設計鹽水溫度-34 ℃，積極凍結時間為45 d，凍結孔單孔流量≥5 m3/h，凍結帷幕平均溫度≤-10 ℃，凍土帷幕交圈時間18～21 d。由于聯絡通道施工地層地下水豐富，因此在凍結初期需要快速使水凍結，從而保證滲流量減小。凍結施工分三個時段降低鹽水溫度：第一階段0～7 d，初始鹽水溫度為-10 ℃，鹽水溫度逐漸降至-24 ℃；第二階段7～15 d，鹽水溫度降至-30 ℃；第三階段15～45 d，鹽水溫度降至-34 ℃以下，工況條件下凍結總需冷量為60 545.59 kcal/h。

3.2 凍結孔設計

凍結孔布置采取從左、右線隧道兩側打孔方式進行，凍結孔個數為77個，凍結孔終孔控制間距為0.05 m，凍結孔允許偏斜為150 mm，凍結管采用?89 mm×8 mm低碳無縫鋼管，凍結管總長度644.5 m；測溫孔10個，材質為低碳無縫鋼管；卸壓孔4個，材質為低碳無縫鋼管。凍結孔按上仰、水平、下俯三種角度布置，聯絡通道設穿透孔，供對側隧道凍結孔和冷凍排管需冷用[3-4]，凍結孔具體布置見圖3。測溫孔鉆孔深度為3.5～7.7 m，總孔深為52.5 m；測壓孔鉆孔深度為3 m，總鉆孔深度為12 m。

圖3 凍結孔設計情況

3.3 施工監測方案

為確保凍結施工效果，對鹽水溫度、測溫孔溫度、卸壓孔壓力等參數進行了實時監測。鹽水溫度監測：在總去路、總回路各設置1個監測點，從冷凍機試運行到永久結構施工結束，全程對去回路溫差進行監測，監測頻率為1次/d。測溫孔溫度監測： 10個測溫孔分別設置在左、右隧道的聯絡通道，泵房凍結壁上、中、下內外兩側，監測頻率為1次/d。卸壓孔壓力監測在通道拱頂和中心位置各布置兩個監測點，泄壓孔必須貫通開挖區內的透水層，距離聯絡通道中軸線均為0.45 m，監測頻率為1次/d。監測方案布置示意見圖4。

圖4 監測方案布置

4 凍結施工效果分析

4.1 鹽水溫度監測結果

凍結施工期間去路溫度、回路溫度及去回路溫差變化曲線見圖5。從圖5中可知：隨著凍結時間的增加，溫度呈逐漸降低的變化特征，其中，在0～7 d內，凍結鹽水溫度下降速率加快，從-10 ℃下降至-26 ℃，在此階段內去路溫度與回路溫度的最大溫差達到4 ℃，這是因為在凍結初期，土體內的熱交換最為強烈，但如果溫度下降幅度過快，則會影響凍結過程的熱交換速度，因此在施工后期經過調整，將鹽水溫度下降速率調慢。當凍結至10 d后，溫度下降至-33 ℃；凍結45 d后，鹽水溫度性降至-34 ℃，隨著凍結持續，土體內熱交換程度逐漸放緩，去回路溫差在逐漸變小并最終趨于穩定。雖然凍結施工過程中鹽水溫度與設計溫度變化過程有些出入，這可能是因為現場施工控制及施工環境影響導致，但是從整體上來看，凍結30 d后，去路鹽水溫度基本穩定在-34 ℃左右，而回路鹽水溫度也基本穩定在-32 ℃左右，去路溫度與來路溫度的差值基本控制在2 ℃左右，差值符合凍結設計要求，因此鹽水溫度控制相對來講還是比較合理的。

圖5 凍結施工期去、回路溫度及差值變化曲線

4.2 測溫孔溫度監測結果

不同測溫孔在凍結45 d后，溫度隨測溫孔深度變化的趨勢見表2。從表2中可知：隨著測溫孔深度的增加，土體溫度逐漸降低，這是因為離管片越近，土體與外界環境之間的熱交換現象越明顯，影響低溫鹽水與土體之間的熱交換，因此在施工時如果有條件的可以在凍結目標區域范圍內的管片上鋪設隔熱材料，從而減少冷量流失到外界環境中[5]；C9測溫孔不同深度處的凍結溫度溫差較大，這是因為C9測溫孔附近存在多根交叉凍結管，從而導致不同深度處的凍結效果差別較大；C1、C5、C6、C7、C8這幾個測溫孔的最終凍結溫度在-15 ℃左右，低于其他測溫孔的監測得到的凍結溫度，這是因為上述幾個測溫孔位于側墻和拱頂連接處，處于凍結管布置區域的左右下角，此處凍結壁往往不易交圈，凍結效果相較于其他區域更差；從整體上看，雖然不同區域凍結溫度差別較大，但均達到凍結溫度低于-10 ℃的要求，表明凍結區域范圍內土體被完全凍結。

表2 測溫孔監測統計結果℃

4.3 泄壓孔壓力監測結果

不同泄壓孔壓力隨凍結時間的變化關系見圖6(X1和X3為拱頂泄壓孔，X2和X4為中心區域泄壓孔;X1和X2位于左側隧道，X3和X4位于右側隧道)。從圖6中可知：在凍結初期(0～13 d)，4個泄壓孔的壓力均為0;當凍結時間達到13 d后，位于左側隧道的X1和X2泄壓孔壓力逐漸開始增大，表明此時泄壓孔布置區域內發生相變，相變會引起透水層水壓增大，土體開始被凍結并逐漸形成凍結壁；X3泄壓孔和X4泄壓孔的壓力分別從第16 d和第20 d開始增加，拱頂位置處的泄壓孔先于中心區域的泄壓孔升壓，且拱頂處泄壓孔壓力大于中心區域泄壓孔壓力，表明拱頂處的土體被凍結時間早于通道中心。拱頂泄壓孔在18～20 d左右的壓力有較大幅度增長，而中心區域泄壓孔在24～26 d左右壓力會有較大幅度增長，表明在此凍結時段內周圍土體相變十分劇烈。當泄壓孔的壓力上升到一定程度后，泄壓孔的壓力就會在0.2～0.3 MPa呈動態波動變化，當凍結時間為35 d時，打開氣閥檢查有無漏水，因而此時泄壓孔壓力有所降低，之后又會逐漸增大到原有壓力值；當凍結時間為40 d時，打開氣閥，仍然無水流出，表明凍結帷幕交圈效果良好。

圖6 泄壓孔壓力隨凍結時間的變化曲線

5 結束語

(1)在富水地區進行凍結施工，為防止地下水滲漏，必須在凍結初期快速降低溫度，使周圍土體連同水體一起凍結，但是只限凍結初期內，也是土體內熱交換最為強烈的時間段；在水體凍結完成后，應該將鹽水溫度下降速率放緩，以防止去回路鹽水溫度出現較大溫差。

(2)在靠近管片處以及凍結管角落處的凍結區域，凍結效果較差，可在凍結區域范圍內管片上鋪設保溫材料，以減少土體與外界環境的熱交換，從而保證凍結效果。

(3)鹽水去回路差值控制在2 ℃左右，凍結溫度均低于-10 ℃，凍結40 d后無水流出，表明本次聯絡通道凍結施工凍結帷幕交圈效果良好。