復雜條件下地鐵隧道聯絡通道凍結法施工技術研究

摘" 要：凍結法利用凍結管將低溫傳遞到地下巖土體中對天然巖土體進行凍結，可提高開挖區域的圍巖強度和防水性能，并提高圍巖的自穩能力，保證施工的安全性。該工法憑借強度高、隔水性好、適應性強等優點目前在地鐵隧道聯絡通道的施工中已經得到廣泛應用，尤其是在軟弱地層中。該文以武漢軌道交通5號線某區間隧道的聯絡通道為例，介紹凍結法加固方案，結合實際工程經驗對該區間凍結法施工風險進行分析，并提出風險控制措施，以期為類似工程提供借鑒。

關鍵詞：凍結法；區間聯絡通道；凍結加固；施工風險；地鐵隧道

中圖分類號：U231.3" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）16-0158-04

Abstract： The freezing method uses the frozen pipe to transfer the low temperature to the underground rock and soil to freeze the natural rock and soil， which can improve the strength and waterproof performance of the surrounding rock in the excavation area， improve the self-stability of the surrounding rock， and ensure the safety of construction. With the advantages of high strength， good water insulation and strong adaptability， this method has been widely used in the construction of connecting passage of subway tunnel， especially in soft stratum. Taking the connecting passage of an interval tunnel of Wuhan Rail Transit Line 5 as an example， this paper introduces the reinforcement scheme of freezing method， analyzes the construction risk of freezing method combined with practical engineering experience， and puts forward risk control measures， in order to provide reference for similar projects.

Keywords： freezing method; interval connection passage; freezing reinforcement; construction risk; subway tunnel

隨著我國經濟的快速增長，城鎮人口不斷增加，導致地面空間緊缺。為緩解城市地面空間緊缺帶來的交通擁堵問題，地鐵建設正迅猛發展[1]。聯絡通道在地鐵規劃設計中起到連接上下行隧道的作用[2]。當聯絡通道位于富水軟弱地層中時，其施工可能帶來地表沉降、管線變形等問題。為解決此問題，需要對軟弱地層進行加固處理，以滿足施工安全要求[3]。凍結法是一種將凍結管中的低溫傳遞給地下巖土體，從而將天然巖土體變成凍土的方法。該方法具有強度高、隔水性好、適應性強等優點，可提高軟土地層中開挖區域的圍巖強度和防水性能，提高圍巖的自穩能力，保證施工的安全性，因此在礦山工程和地鐵隧道聯絡通道施工中被廣泛使用[4-10]。仇培云等[11]介紹了我國首個使用水平凍結法進行大斷面長距離聯絡通道施工的成功范例——上海大連路越江隧道聯絡通道，并基于監測結果對凍脹壓力、凍土壓力、隧道變形的變化規律進行了研究。孫成偉等[12]基于廣州地鐵某盾構隧道聯絡通道凍結法施工的成功案例，介紹了凍結法施工設計及信息化監測等施工技術。楊平等[13]基于軟土地層中隧道聯絡通道凍結法施工案例，對凍結溫度場、解凍溫度場、地表變形、深層土體凍脹融沉及溫度變化規律等進行了實時監測，并對凍結壁的形成及解凍全過程進行了分析。

本文以武漢軌道交通5號線和平公園站—紅鋼城站區間隧道的聯絡通道為例，介紹了凍結法加固方案，結合實際工程經驗對該區間凍結法施工風險進行了分析，并提出了相應的風險控制措施，可為類似工程提供參考。

1" 工程概況

武漢市軌道交通5號線工程第七標段和平公園站—紅鋼城站區間沿和平大道地下敷設，采用盾構法施工，為了滿足區間緊急疏散和給排水的要求，區間設2處聯絡通道。本文主要介紹2#聯絡通道（兼泵房）施工技術。

和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道（兼泵房）位于粉砂層中，頂覆土厚度約18.6 m，處地面標高22.0 m，聯絡通道與左、右線隧道中心相交的里程分別為DK25+630.454、DK25+628.000，隧道中心距為24.49 m。該場地工程地質條件較差，含承壓水，Ⅰ級階地全新統孔隙水的承壓性與長江水力聯系密切，長江水位高于地下水位時，補給地下水；長江水位低于地下水位時，地下水補給江水，季節變化明顯，承壓水位年變幅為3～4 m。場地周圍存在大量地下管線，臨近磚混結構住宅和高架橋墩，施工條件復雜。經論證，決定采用凍結法對其進行施工。

2" 凍結加固方案

2.1" 凍結帷幕設計

和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道凍結帷幕厚度大于等于2.2 m。凍結壁與隧道管片交界面平均溫度小于等于-5 ℃，其他部位凍結壁平均溫度小于等于-10 ℃。具體要求如下。

1）凍結帷幕需要有足夠的強度來保證通道施工過程中不會出現破壞。凍結帷幕凍土強度設計指標見表1。

2）由于凍結帷幕周圍水流的存在會導致凍結帷幕出現薄弱點，凍結施工時，需要保證凍結范圍內土層中無集中水流，且凍結區周圍200 m范圍不可降水，以免凍結帷幕出現薄弱點影響施工質量。

3）為使冷卻鹽水的冷凍溫度集中在凍結帷幕附近，需要將厚度不小于30 mm的阻燃塑料泡沫保溫層敷設在凍結帷幕附近的隧道管片內側，從而增強保溫效果。

2.2" 孔位布置

2.2.1" 凍結孔布置

和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道（兼泵房）凍結孔采取從左、右線隧道兩側打孔的方式，按上仰、水平、下俯3種角度進行布置。此外，在對側隧道敷設5排冷凍排管以加強管片處的保溫效果，提高凍結效率。聯絡通道（兼泵房）一共設置凍結孔73個，其中主孔面57個，輔孔面16個。凍結管詳見表2。

2.2.2" 測溫孔布置

凍結帷幕范圍內的溫度發展不一致會導致出現凍結薄弱點。為避免凍結薄弱點的出現，對凍結帷幕的溫度進行測量，通過不同部位的溫度情況指導施工決策，在發現異常后及時采取控制措施。和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道（兼泵房）布置有10個測溫孔，其中主孔面2個，輔孔面8個，每個測溫孔布置3個測點。測溫孔布置在凍結薄弱環節，為防止地層中的水流入測溫孔中，選用Φ50×4 mm無縫鋼管，管前端密實焊接，測溫管詳見表3。

2.2.3" 卸壓孔布置

為了直觀監測凍結帷幕內的壓力變化情況，在和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道（兼泵房）相應土層的中下部布置4個卸壓孔，左右線各2個。通過壓力表讀數，可及時判斷凍結帷幕的形成[14]，并且可釋放凍脹壓力。為了確保凍結帷幕內壓力的有效傳遞，在土體段管壁上鉆若干孔，呈梅花狀分布。

2.3" 凍結參數

和平公園站—紅鋼城站區間2#聯絡通道（兼泵房）的凍結參數設計見表4。

3" 施工風險及應對措施

3.1" 凍結法施工風險

3.1.1" 凍結孔施工風險分析

由于工法本身特點和軟弱地層的原因，導致凍結法施工過程中具有一定的風險。結合實際工程經驗，總結凍結孔施工過程中的風險有以下5點。

1）凍結孔施工質量會對后續工作產生影響。若凍結帷幕周圍地層中存在水流，鉆孔施工時孔口處涌水導致水土流失過多，會破壞周圍地層結構和應力分布，對周圍土層造成擾動，降低鉆孔施工質量。

2）保證凍結管的完整和接縫密實對凍結帷幕的形成十分重要。若凍結管接縫的密實程度不夠，或者凍結管因為外部原因發生損壞，凍結過程中鹽水會泄漏進入周圍地層，會影響凍結效果，導致凍結帷幕難以形成。

3）凍結孔未嚴格按照設計材料施工而出現偏移，導致某些部位地層凍結效果不達標，從而使凍結帷幕中存在凍結薄弱的區域。

4）凍結孔施工過程中，若周圍地層水土流失過多，會破壞地層結構，導致施工區域地表沉降過大。

5）聯絡通道及泵房埋深較深的情況下，開孔時易出現涌水現象，對施工造成一定的困難。

3.1.2" 開挖與構筑施工風險分析

凍結工作完成后，即可進行聯絡通道開挖和構筑物施工。結合實際工程經驗，總結開挖與構筑施工風險有如下2點。

1）聯絡通道（兼泵房）開挖導致凍結帷幕變形甚至破壞。開挖后，地層結構被破壞，周圍地層中的應力分布情況發生變化。地層中應力的重分布會使上部地層發生一定范圍內的位移，還會將新的荷載附加到已經形成的凍結帷幕上，致使凍結帷幕發生蠕變。當凍結帷幕的蠕變變形量過大，對凍結管的擠壓作用超出了凍結管的承受極限時，凍結管發生斷裂，鹽水泄漏導致凍結無法繼續進行。

2）凍結帷幕存在薄弱點而引發流水、流泥甚至坍塌。若凍結帷幕各凍結部分增長速度不一致、凍結土體周圍有暗流、凍結管未密封或破裂導致鹽水進入凍結土體范圍內、凍結帷幕存在大量超挖凍土或凍結帷幕與管片后方存在空腔，都會產生凍結薄弱點，引起泥、水流出，嚴重者會導致通道坍塌。

3.2" 施工風險應對措施

3.2.1" 凍結孔施工風險應對措施

針對凍結孔施工過程中可能出現的風險，結合實際工程經驗，總結了以下4條應對措施。

1）若凍結孔周圍地層不穩定，會對凍結施工造成困難。因此，凍結孔施工前，需要在凍結孔施工范圍內先打探孔（Φ38 mm）來判斷周圍地層是否穩定及是否有可能出現涌水、涌沙現象。

2）凍結孔施工過程中，若有大量泥漿涌出，會破壞周圍地層結構和應力分布，嚴重時會引起地表沉降。為控制凍結孔施工過程中泥漿涌出，將凍結孔開孔分2次進行。第一次用金剛石取芯鉆頭，鉆頭進入管片300 mm后安裝孔口管及密封裝置。第二次在密封裝置的保護下鉆頭穿透管片后，及時密封孔口。必要時可封閉涌水涌砂的鉆孔，使用孔口旁通閥注漿。

3）在鉆孔過程中，若水土流失過于嚴重，會破壞周圍地層結構，甚至導致地表發生沉降。因此，需要將鉆孔過程中的水土流失體積控制在不大于所有凍結管的體積總和范圍內。若水土流失體積過大，可在成孔后及時向土體充填單液水泥漿，防止地層結構發生破壞。

4）鉆孔實際施工情況與設計情況不符或鉆孔質量低，會導致凍結帷幕質量降低，造成不必要的損失。因此，為保證鉆孔實際施工情況不偏離設計材料，在施工前，需要對凍結孔的長度、角度進行校核并記錄。施工過程中，要保證凍結管的焊接質量合格才可繼續鉆進。鉆進結束后，及時對凍結孔進行測斜、打壓檢漏試驗來復測鉆孔深度，保證鉆孔質量。

3.2.2" 開挖與構筑施工風險應對措施

結合實際工程經驗，總結了如下開挖與構筑施工風險應對措施。

1）凍結帷幕出現薄弱點會導致凍結管破裂甚至凍結帷幕破壞。對于因地層或施工因素導致的凍結帷幕薄弱點，在凍結孔施工期間和凍結期間要及時采取措施對薄弱點進行控制，以避免造成進一步的破壞。為確保凍結帷幕的有效厚度和強度滿足設計要求，開挖過程中不得超挖。

2）凍結孔位置出現偏離會導致部分區域溫度難以達到凍結溫度，形成凍結帷幕薄弱區。為避免形成薄弱區，可通過在可能的凍結最薄弱部位打探孔來確定凍土強度已經達到設計要求后，再進行下一步施工。

3）在聯絡通道（兼泵房）開挖過程中，若凍結帷幕因為存在薄弱區或周圍地層應力重分布而發生變形，會造成不必要的損失。因此，需要按照監測要求及時檢測凍結帷幕的變形，根據變形情況及時調整初期支護方式。

4）初支和凍結壁之間的空隙也會導致凍結壁的變形。因此，加強初期支護壁后方的充填密實度，保證凍結壁與初期支護層之間無間隙，可在一定程度上控制凍結帷幕的變形。

5）施工過程中若發現凍結帷幕變形量過大，則需要在減少聯絡通道開挖步距的同時，進一步加強凍結強度，并縮短初期支護間距。若施工過程中發現涌水突泥現象，則采用棉絮、雙快水泥等及時充填，防止其擴大導致通道周圍土體坍塌。

4" 結束語

武漢軌道交通5號線和平公園站—紅鋼城站區間工程地質和水文地質條件復雜，周圍分布民用建筑、高架橋墩和大量地下管線，施工條件復雜。凍結法被成功應用于此聯絡通道施工中，施工風險得到有效控制，工程順利完工。說明凍結法在復雜條件下的地鐵隧道聯絡通道施工中具有一定的優越性，可為類似條件下的聯絡通道施工提供一定的參考。

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