富水砂層聯絡通道凍結法設計與施工

摘 要：隨著地鐵建設，凍結法已在富水區間聯絡通道中得到較為廣泛的應用。該文以太原市軌道交通1號線一期工程首次下穿汾河的迎澤橋西站—桃園站區間2#聯絡通道為例，分析和總結富水砂層聯絡通道設計與施工關鍵技術，包括地層凍結加固、開挖與構筑施工、凍脹與融沉控制措施等。結論表明，凍結法在富水砂層聯絡通道中施工安全可靠，凍脹和融沉可控，降低對周邊建（構）筑物的影響，可為類似的地鐵區間聯絡通道建設提供參考借鑒。

關鍵詞：凍結法；富水砂層；地鐵區間；聯絡通道；施工技術

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0145-05

Abstract： With the subway construction， the freezing method has been widely used in the water-rich section. This paper takes the Yingze Bridge West Station-Taoyuan Station in the first phase of Taiyuan Rail Transit Line 1 project as an example， analyzes and summarizes the key technologies of the design and construction of the connection channel of water-rich sand layer， including stratum freezing reinforcement， excavation and construction construction， frost heave and thaw settlement control measures， etc. The conclusion shows that the construction of the freezing method in the contact passage of water-rich sand layer is safe and reliable， and the frost heave and thaw settlement can be controlled， which reduces the influence on the surrounding structures， and can provide reference for similar subway section connection channel construction.

Keywords： freezing method; water-rich sand layer; subway section; contact passage; construction technology

聯絡通道是設置在隧道之間的橫向通道，它是隧道工程的重要組成部分，具有緊急疏散和匯集、排放積水的雙重功能[1]。聯絡通道施工方法主要有攪拌樁加固暗挖法、機械法以及凍結法，其中凍結法是在聯絡通道施工前，利用人工制冷技術，使地層中的水結冰，把天然巖土變成凍土，形成凍結壁，增強土體的強度和穩定性，隔絕地下水與聯絡通道的聯系，在凍結壁的保護下進行開挖的特殊施工技術[2]。凍結法的最大優點為適應性強、無污染、有效隔絕地下水、安全性高，能明顯降低富水和不穩定特征的地層帶來的危害[3]。本文以太原市軌道交通1號線一期工程某區間聯絡通道為例，分析和總結了富水砂層聯絡通道設計與施工關鍵技術。

1 工程概況

1.1 聯絡通道工程概況

迎澤橋西站—桃園路站區間，起點里程為Z（Y）DK10+222.888，終點里程為Z（Y）DK11+501.444。左線短鏈0.511 m，左線區間長度為1 278.045 m，右線區間長度為1 278.556 m，區間設置兩處聯絡通道。2#聯絡通道兼泵房中心里程為ZDK10+931.853，YDK10+933.930，地面標高785.43 m，拱頂標高約775.327 m，拱頂埋深約27.72 m，常水位標高783.62 m，抗浮水位標高783.93 m，所處地層主要為2-1-22粉質黏土、2-5-2中砂、2-5-3中砂，采用凍結法加固，暗挖法施工。通道段內部凈寬2.8 m，側墻、拱頂厚度400 mm，底板厚度850 mm，集水井側墻厚度400 mm，底板厚度500 mm。聯絡通道地質剖面如圖1所示。

聯絡通道所處位置區間管片采用鋼筋混凝土管片，管片內徑為Φ5.5 m，外徑為Φ6.2 m，管片厚度0.35 m。聯絡通道初期支護采用格柵拱架+C25早強噴混，初支厚度為0.3 m，二砌采用標號為C45P12模筑鋼筋混凝土，厚度為0.4 m，初支和二砌之間設防水層。

1.2 地質及水文概況

1.2.1 地質概況

本工程所處地貌類型為汾河漫灘及汾河河床，陸上地面標高約784.2～788.4 m，汾河河底標高約781.0～782.4 m。聯絡通道處地層巖性特征如下。

2-1-22粉質黏土：灰黃～褐灰色，呈硬可塑狀態為主，具中壓縮性；土質不均，局部相變為黏質粉土；切面較光滑，干強度中等，有光澤。

2-5-2中砂：黃褐色～灰褐色，呈中密狀態為主，具中壓縮性；土質不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

2-5-3中砂：黃褐色～灰褐色，呈密實狀態，具中～低壓縮性；土質不均，偶見角礫，夾薄層黏性土。

3-3-12黏質粉土：黃褐～灰黃色，呈中密狀態為主，具中壓縮性；土質不均，夾薄層黏性土；切面粗糙，干強度低，無光澤，搖震反應迅速。

1.2.2 水文概況

1）地表水。汾河主槽寬約310 m，堤距寬450 m。河床較為平坦，河床底部以粉（砂）性土為主，其與地下水聯系密切。

2）地下水。本工程地下水為松散層孔隙潛水，潛水主要賦存于沖、洪積相砂類土、粉土中。聯絡通道處實測潛水穩定水位埋深1.30～5.30 m（對應標高781.52～784.23 m）。枯水期為每年十二月至次年一月，豐水期為七月至九月，地下水位年變幅為0.8～1.4 m。

2 凍結法加固設計

2.1 凍結壁設計

凍結壁的設計不僅關乎聯絡通道開挖安全風險控制，而且關系到凍脹與融沉控制，合理的凍結壁指標是凍結法設計的關鍵。2#聯絡通道由于位于汾河河岸下方，過大的凍脹、融沉變形不僅對土層穩定極為不利，隨之可能引發的地下滲流環境改變更是對整個工程的安全構成極大威脅，鄭立夫等[4]針對地表凍脹融沉變形控制，對凍結壁厚度進行了研究，當凍結壁厚度為2.5 m及以下時變形基本滿足規程要求。結合本工程實際，綜合考慮聯絡通道開挖支護及區間管片附加應力和變形的控制，本工程凍結壁有效厚度采用2 m，凍土強度的設計指標為：單軸抗壓強度大于等于4.0 MPa，抗折強度大于等于1.8 MPa，抗剪強度大于等于1.5 MPa（-10 ℃）；區間管片與凍結壁最外側交界處平均溫度小于-5 ℃，凍結壁其他部位設計平均溫度為-10 ℃[5]。聯絡通道凍結壁剖面圖如圖2所示。

2.2 凍結孔的布置

1）凍結孔的布置根據凍結壁及結構輪廓，按照上仰、水平、下俯3種角度設置。

2）為了保證聯絡通道開挖時的安全，采用在2條隧道分別鉆孔的方案，即在另一條隧道底部打2排孔插花兜底，將聯絡通道封閉。

3）為避免在施工下方泵房凍結孔時從兩側區間打設至中間時發生碰撞，調整一側隧道凍結孔的方位角0.1～0.2°，避開對側鉆孔。鉆孔前仔細核查管片鋼筋位置，在避開其位置的前提下可對鉆孔角度進行微調。

4）2#聯絡通道凍結孔數設計74個，聯絡通道對側沿通道外圍凍結壁敷設5排冷凍排管，排管間距為450 mm。

2.3 測溫孔和泄壓孔布置

為了實時監測凍結溫度場的變化情況，2#聯絡通道共設置10個測溫孔，在區間左線設置2個測溫孔，區間右線設置8個測溫孔，以監測凍結壁平均溫度和厚度、區間管片與凍結壁交界處溫度以及聯絡通道周圍土體凍結情況。

為釋放土體凍脹壓力及檢測凍結壁交圈情況，在聯絡通道兩側非凍結處的管片處設置泄壓孔，在區間左線和右線各布置2個泄壓孔。

2.4 凍結主要參數

聯絡通道主要凍結技術參數見表1。

3 聯絡通道凍結、開挖及構筑施工

3.1 聯絡通道凍結施工

3.1.1 凍結施工流程

凍結工藝施工流程如圖3所示。

3.1.2 凍結鉆孔施工

鉆孔施工前應準備好應急物資，凍結鉆孔施工流程為：開孔定位及安裝孔口管→安裝孔口裝置→開始鉆孔→進行測量→鉆孔底部封閉→打壓試漏。

鉆孔施工風險大，為保證施工安全，凍結管連接方式使用絲扣對接后再用焊條進行焊接。鉆孔時使用高壓力、高性能的逆止閥，防止逆止閥失效造成凍結管內涌水涌沙。聯絡通道所處地層鉆孔時可能出現凍結管抱鉆，鉆進困難等情況，可使用膨潤土改良土體，減小鉆進阻力。膨潤土提前攪拌均勻，鉆進過程中使用泥漿泵壓漿。

每個凍結孔鉆孔完成后要進行注漿封孔，如果鉆孔過程中出沙量較大還應進行補償注漿，因聯絡通道上方有管線，鉆孔施工時應密切關注地面沉降情況，補償注漿量要根據鉆孔時出沙情況及沉降監測數據進行調整。

3.1.3 凍結制冷系統安裝

根據現場出土及運輸吊裝口的安排將凍結站布設在隧道內，凍結站凍結制冷設備選型：選用TBS510.JF型冷凍機組3臺，每臺冷凍機組工況制冷量12.9萬Kcal/h，電機功率90 kW，2臺運行，一臺備用。備用機組完成管路連接并調試，確保備用冷凍機隨時能開機運轉。鹽水循環泵采用4臺，其中2臺為備用，揚程為32 m，單組流量200 m3/h，電機總功率30 kW。冷卻水循環泵采用2臺，其中1臺為備用，揚程為20 m，單組流量160 m3/h，電機總功率22 kW。

冷凍站的設備主要由鹽水箱、鹽水循環泵、配電箱、冷凍機組、冷卻池和冷卻水循環泵等組成。凍結站系統包括冷卻水系統、鹽水系統及氟系統，安裝時應先安裝設備后敷設管路，三大循環系統安裝完成后進行測試。

3.1.4 管片保溫、凍結施工及維護凍結

聯絡通道周圍區間管片設置保溫層，設置范圍為聯絡通道凍結壁外邊界2 m。保溫層材料采用厚度3 cm阻燃保溫板鋪設，保溫板刷膠黏貼在隧道管片上，每塊保溫板之間使用鐵絲綁扎，連接緊密，不留縫隙。

根據太原其他聯絡通道凍結法施工規律，開始凍結后，鹽水溫度降至-18 ℃以下需積極凍結7 d左右，鹽水溫度降到-24 ℃以下需積極凍結15 d左右。凍結施工開始后，每天要對三大系統進行檢查，觀測是否存在滲漏現象，一旦發現滲漏情況，立即關閉系統閥門，同時根據滲漏情況采取相應補救措施[6]。

從聯絡通道開挖到澆筑結構前，鹽水溫度要保持低于-28 ℃。在維護凍結過程中，監測頻率要與積極凍結時保持一致，確保凍結系統正常運行。

3.2 開挖及構筑施工

在凍結交圈前隧道預應力支撐需安裝完成，聯絡通道應先開挖、施工通道結構；待通道結構、洞門環梁施工完成且達到設計強度后，向下開挖泵房，施作泵房結構。聯絡通道施工工藝流程如圖4所示。

防護門耐壓設計值大于0.357 MPa，安裝后需對其進行耐壓試驗，在空壓機保持運行時試驗氣壓需保持不小于0.275 MPa。開挖采用短段掘砌技術，開挖步距為0.5 m，與初支格柵鋼拱架間距保持一致。每開挖一榀，要及時安裝初支拱架，掛鋼筋網以及預埋注漿管，聯絡通道支架全部立好后噴混。開挖過程中將有部分凍結管被暴露，為確保施工安全，保證凍結效果，把暴露的凍結孔串為一循環系統，每組去回路循環系統由單獨閥門控制，開挖施工時發現異常情況及時關閉閥門，防止鹽水外泄。

4 凍脹與融沉控制措施

4.1 地層凍脹與融沉防治

在凍結過程中，水凍結成冰，其體積相較原來增大約9%。當體積增大，土體顆粒產生相對位移，進而形成地層凍脹；在解凍過程中，溫度逐漸升高，土體中冰消融成水，其體積將原位減小約8.3%[7]，溶脹和融沉由此產生。對于凍脹和融沉規律及控制，梅源等[8]、洪榮寶等[9]、郭偉等[10]均對其進行了研究，結合本工程實際，針對地層凍脹和融沉采取以下措施。

1）在聯絡通道凍結壁附近未凍土中兩側各布設2個卸壓孔，采用Φ45×3 mm鋼管制作成花管形式。根據地面沉降監測，加強凍結過程中的監測并及時卸壓，通過對周圍泥水進行釋放來有效地減小凍脹壓力。卸壓孔的最大壓力需控制在0.4 MPa以下。

2）為減小土體凍脹量，采取快速凍結的方法，同時也可降低凍融時的土體收縮。

3）凍結壁解凍時會產生少量收縮，從而使地層發生融沉現象。為了減小地層融沉引發的地面沉降，采用自然解凍，跟蹤注漿遵循“多點、少量、多次、均勻”的原則[11]。

4）在施工過程中，要對地表、管線、建筑物和隧道結構的變形進行實時監測，根據監測數據進行分析，及時調整施工措施。

4.2 充填注漿和融沉注漿

注漿以單液水泥漿為主，輔助使用C-S雙液漿，單液漿的水泥等級強度采用P.0 42.5級，水灰比根據地層情況一般為0.8～1；雙液漿的水泥等級強度采用P.0 42.5級，水玻璃為35～42°Be，水泥漿液和水玻璃漿液按照1∶1的比例混合注入。充填注漿采用水泥單液注漿。

充填注漿主要填充聯絡通道拱頂初支與二襯之間的空隙以及初支和凍結壁之間的空隙。停止凍結后一周之內且混凝土結構強度達到設計強度60%以上開始充填注漿，到停止凍結后30 d結束。注漿流量宜控制在15 L/min左右。

融沉注漿在停止冷凍后根據地表沉降監測及凍結壁溫度場變化情況選擇注漿時機，但不得超過停止冷凍后半個月，注漿持續時間為3～4個月，此融沉注漿采用單液漿為主，雙液注漿為輔。注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿流量宜控制在15～20 L/min。融沉注漿順序為：聯絡通道位置左右線區間底部和內側管片注漿→聯絡通道底部注漿→聯絡通道側墻注漿→拱頂注漿。

5 結束語

本文以太原市軌道交通1號線一期工程迎澤橋西站—桃園站區間2#聯絡通道為例，總結了凍結法在富水砂層聯絡通道工程中的應用。凍結法可有控制富水砂層中聯絡通道開挖風險，本聯絡通道在2023年8月21日開始施工，2023年10月8日施工完畢，通過合理的凍脹與融沉控制措施，地表沉降最大值為3.91 mm，未發生地下滲流環境改變等重大風險，保障了汾河的生態環境安全，驗證了本工程施工技術的可靠性，可以為類似的聯絡通道凍結工程提供參考。

參考文獻：

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[8] 梅源，趙良杰，周東波，等.凍結法在富水砂層暗挖施工中的應用[J].中國鐵道科學，2020，41（4）：1-10.

[9] 洪榮寶，蔡海兵，魯嬋瑞.地鐵隧道凍結法施工地層融沉研究進展及展望[J].建井技術，2020，41（3）：13-20，52.

[10] 郭偉.盾構隧道長聯絡通道凍結法施工技術與應用[J].交通節能與環保，2024，20（1）：215-221.

[11] 王慶禮．富水砂層凍結暗挖法C形聯絡通道設計與工程實踐[J/OL]．隧道建設（中英文），1-9.https：//link.cnki.net/urlid/44.1745.U.20240202.1729.004.html.

作者簡介：田興未（1991-），男，工程師。研究方向為地下結構與巖土。