垂直凍結工藝在超深地鐵車站接收段加固施工中的應用

牛自強 NIU Zi-qiang

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030000）

0 引言

隨著我國經濟和社會的飛速發展，城市人口越來越多，城市規模也在不斷擴大，原有的地面城市交通設施已不能滿足人民群眾的需求，因此很多城市陸續開展地鐵項目的建設。地鐵建設一般采用盾構法進行作業，該方法不但施工速度快而且安全性也高。掘進施工分為始發井和接收井，盾構機在始發井組裝調試完畢后往接收井方向進行施工作業，進入接收井后分段拆除完成施工作業，但由于盾構機體積大，在進入接收井時須拆除洞口圍護結構，因此在接收井接收段范圍內必須做好地基加固處理，確保洞口土體穩定，防止地下水流入，同時防止地層變形對施工影響范圍內的地面建筑物及地下管線與構筑物等的破壞。接收段加固方案分為兩種，一是預加固（夾心餅干法），對于淺層地質該施工方法操作簡單，效果明顯，但當地質復雜或深度較深時施工質量無法保證；二是冷凍加固，其適用于深層復雜情況的地質加固，而且還可以有效隔離地下水，其抗滲性是其他方法無法比擬的。在徐州市城市軌道交通6 號線一期工程地鐵區間接收井50m 范圍為富水粉土粉砂層，由于該地鐵車站距離地面較深且地質狀況較為復雜，原設計預加固方案并未取得理想效果，為確保施工安全，最大限度控制原地面沉降，項目部在原設計基礎下在洞門處增加垂直凍結法加固地層，確保了施工期間的安全，不但安全順利完成了盾構機的接收工作，而且最大限度地保證了地表沉降處于可控范圍內，避免了重大安全隱患的發生。

1 工程概況

市政府站～紫金路站區間從市政府站北端引出，沿漢風路下向北走行，側穿花園城、在建金融中心A6、A8 地塊、肖莊河橋、綠地商務城16 號樓、綠地繽紛城、綠地梵頓公館、綠地書香苑后進入紫金路站。

隧道一般掘進段主要穿越2-3a-3 黏土層、5-3a-4a黏土層、5-3a-4b 含砂姜黏土層、5-3a-4c 含砂姜黏土層，紫金路站始發段主要穿越2-3a-3 黏土層、5-3a-4c 含砂姜黏土層、5-3a-4b 含砂姜黏土層，市政府站接收段主要穿越2-4-3 砂質粉土層、2-4-4 砂質粉土層、2-3a-3 黏土層。區間隧道起止里程為左（右）DK28+300.713～左（右）DK29+593.178，左線設一處短鏈4.117m，左線全長1289.348m，右線全長1293.465m。線間距16～63m，隧道開挖直徑為6440mm，管片外徑為6200mm，區間隧道覆土厚度11.5～19.3m，共設2 座聯絡通道。

本區間盾構工程籌劃為：計劃先從紫金路站進行右線始發，掘進至市政府站接收吊出后再從紫金路站左線始發至市政府站。市政府站為地下三層結構，接收端洞口形狀為圓形，洞口開口凈直徑為6.700m。接收端頭地連墻厚1.0m，二襯結構厚1.0m。市政府站盾構接收端頭原設計采用Φ850@600 三軸攪拌樁+Φ800@400 高壓旋噴樁加固+鋼套筒接收，加固長度為4m。（圖1）

圖1 市政府站原設計端頭加固剖面圖

2 總體施工方案

從取芯效果來看，加固質量偏差，為了保證鑿除洞門及接收的安全性，擬采用在原設計基礎下在洞門處增加垂直凍結法加固地層，確保其鑿除洞門的安全性，本次凍結加固區為長方體，凍結壁沿隧道中心線方向長2.3m，左右和上方是3m，下方是4m，采用鋼套筒接收。

單座洞門垂直凍結孔布設為A、B 兩排，排間距1.2m，縱向孔間距0.75m，左右線各34 個凍結孔，單孔深度27.56m，總長1874.08m。右線座洞門布置測溫孔3 個，左線布置測溫孔4 個；每個孔深27m，測溫管規格φ48×4.5mm。根據凍結測溫監測系統進行實時監測，最終確定凍結壁的發展厚度與凍結效果。

右線凍結管選用φ127×5mm，20#低碳鋼無縫鋼管，焊接連接。供液管用φ48×4.5mm 鋼管，凍結器羊角均用1.5"鋼管加工。（圖2）

圖2 凍結孔及測溫孔平面布置圖

3 冷凍加固主要施工工藝

3.1 總體施工工藝流程

現場總體施工方案為“垂直凍結孔臨時加固土體，然后破除洞門、拔除盾構推進區域凍結管、盾構在鋼套筒內接收”即：在通過垂直凍結孔，在地連墻外側形成強度高、封閉性好的凍土帷幕，然后在凍土帷幕的保護下進行洞門鑿除，洞門鑿除完成后，接著拔除盾構推進區域凍結管和鋼套筒回填、密封施工，最后盾構在鋼套筒內完成接收施工。其主要施工工序為：施工準備→凍結孔施工（同時安裝制冷系統，鹽水循環系統和檢測系統）→積極凍結→探孔→鑿除洞門→鋼套筒回填、密封→盾構刀盤推進至距外圈凍結孔10m處，盾構掘進區域內凍結管拔除→盾構刀盤進入凍土，向前推進→盾構接收和洞門封堵完成后，排除其余凍結管并對凍結孔回填→進行融沉注漿。

其中，凍結孔施工和凍結管的拔除施工為本工程的關鍵工序；凍結帷幕與地連墻的交接為重要控制點；凍結溫度檢測、土體變形、壓力監測及盾構推進施工為特殊工序。

3.2 凍結設備及主要技術參數

根據施工現場條件，把凍結站設在市政府站負一層中板上，冷凍機為2 臺SKDW136.1H 型螺桿機組，其中1 臺備用。鹽水泵設置臺IS150-315 型，冷卻水循環選用IS150-315A 型清水泵2 臺，其他冷凍參數詳見表1 所示。

表1 主要技術參數表

3.3 垂直凍結孔施工

垂直凍結孔施工工序為：定位→鉆孔→下凍結管→測斜→打壓試驗。首先根據設計在槽壁外測定好各孔位置，然后按設計要求調整好鉆機位置進行鉆孔作業，在鉆進過程中，每加一根鉆桿，都要復測一次鉆機是否平、鉆桿是否在孔位正上方并垂直水平面。為防止孔偏斜，可加長鉆鋌長度，緩慢鉆進。為防止塌孔，鉆孔時要預留足夠的沉淀空間。

3.4 垂直凍結管加工及安裝

凍結管選用Φ127mm×5mm 的無縫鋼管，采用坡口內接箍對接焊，第一根凍結管下部焊底錐，所有凍結管要嚴格檢查、丈量、編號、配組。丈量尺寸要有專人記錄，最后驗收合格后下入。下放凍結管時，謹防凍結管內進水。

下凍結管前要進行沖孔，若泥漿濃度過大，凍結管下放時因浮力過大不能一次下放到位。凍結管下放深度不得少于設計深度0.5m。凍結管下放完要及時進行燈光測斜，凍結孔和測溫孔的最大允許偏斜不超過150mm。若終孔的偏斜超過設計值，可拔出凍結管進行掃孔。最后封閉好孔口用水壓泵向孔內打壓，當壓力達到0.8MPa 時，停止打壓，關好閥門，觀測壓力的變化，記錄下30 分鐘內壓力，壓力無變化為合格。

3.5 垂直凍結管加工及安裝

冷凍機、水泵、冷卻塔等設備應按照設備使用說明書的要求進行安裝，整個系統安裝分為兩部分，分別是設備安裝和管路安裝，其安裝流程分別如下所示：①設備安裝流程。設備基礎放樣→施工設備基礎（或錨固地腳螺栓）→設備就位、調平、固定→設備之間管路連接、電纜敷設→安裝電控系統→冷凍機試漏→冷凍機充氟、加油→清、鹽水箱加水→化鹽→制冷系統試運轉→鹽水箱和冷凍機低溫容器及管路保溫。②管路安裝流程。主管路放樣→安裝管架→安裝主管路→安裝分支管路→安裝壓力表接口與溫度插座→管路試漏→鹽水管路保溫。為減少冷量的損失，所有低溫管路均需要保溫，并保證保溫層厚度不小于40mm。由于混凝土導熱系數較大，為了減小洞門內外的冷量損失，保證凍土與地連墻膠結的效果，對接收洞門周邊地連墻及二襯表面應進行保溫，保溫方法可采用敷設軟泡沫板材料，厚度不小于40mm。

3.6 積極凍結與維護凍結

設備安裝完畢后進行調試和試運轉。在試運轉時，要隨時調節壓力、溫度等各狀態參數，使機組在有關工藝規程和設計要求的技術參數條件下運行。在凍結過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和測溫孔降溫情況，必要時調整凍結系統運行參數。凍結系統運轉正常后進入積極凍結，要求一周內鹽水溫度降至-20℃以下。

維護凍結是從開始鑿除洞門時起，至盾構完成接收止。維護凍結期間，各組凍結孔循環正常，以保證各測溫孔溫度不回升為準。維護凍結過程中，要加強凍結施工監測，確保凍結系統運轉正常，及時分析凍土帷幕的溫度變化。

4 凍結帷幕和制冷系統設計計算

4.1 設計計算參數

為保證盾構安全接收，盾構接收采用“垂直凍結法+鋼套筒接收”的復合工法，凍結加固的目的是保證鑿除洞門的安全，按III 類凍結壁設計（承載+地連墻與土體縫隙止水）。參照類似工程，模型材料選取見表2 所示。

表2 模型材料參數

4.2 模型建立及計算

截取一平面作為計算模型，凍結外邊界取3 倍凍結壁厚度。凍結管采用Φ127×6mm，計算采用plane55 單元。根據模型凍結30 天溫度云圖如圖3 所示。

圖3 凍結30 天溫度云圖

4.3 計算結果

由設計積極凍結時間為暫定30 天（積極凍結時間可根據實際凍結效果進行調整），要求凍結孔單孔流量5～6m3/h。積極凍結7 天鹽水溫度降至－18℃以下；鑿洞門前鹽水溫度降至-28℃～-30℃，去、回路鹽水溫差不大于2℃。如鹽水溫度和鹽水流量達不到設計要求，應延長積極凍結時間。每米凍結管（包括冷凍排管）的設計散熱量不應小于100kcal/h。

5 安全質量保障措施

①為了防止塌孔，縮短凍結孔的下管時間，每組凍結管按設計長度加外露尺寸，在地面加工好，同時把供液管、回液管及燜板均提前焊接好，并完成打壓試驗。②凍結管在焊接前必須將坡口表面及附近管材內、外壁的漆、垢、銹等清理干凈。若坡口附近有水跡，可先用棉紗把水跡擦拭干凈，再進行焊接。③冷凍機和水泵固定后要重點檢查連軸器的間隙和同心度、軸封和盤根的松緊情況，確認滿足設備安裝技術要求。④監測冷凍站凍結系統的溫度、壓力等凍結參數，分析凍結制冷系統運轉情況，及時調整冷凍機組參數，在保證凍結效果的前提下，確保其安全、高效運行。

6 結束語

通過在洞門處增加垂直凍結法加固地層，確保了施工期間的安全，不但安全順利完成了盾構機的接收工作，而且最大限度地保證了地表沉降處于可控范圍內，避免了重大安全隱患的發生。通過現場實際應用，該垂直凍結工藝在超深地鐵車站接收段加固施工中取得很好的效果，也為后續類似施工提供了借鑒和參考。