城際鐵路工程中的盾構聯絡通道凍結法施工工藝

摘要：本文以某城際項目中的土建工程為主要研究對象，詳細闡述了凍結法施工的關鍵技術環節及其在工程實踐中的應用效果。為深入了解凍結法施工對聯絡通道及周圍環境的影響，構建了三維數值模型，通過模型假設與施工過程模擬，分析了凍結帷幕的形成過程、凍土的物理力學性質變化以及開挖過程中隧道管片的受力狀態。此外，在施工過程中及完工后，進行了地表沉降、墻頂變形及地下水位等多方面的監測，以全面評估凍結法施工的效果。結果分析表明：采用凍結法施工的聯絡通道開挖對隧道管片的影響較小，凍結帷幕具有較高的強度和良好的穩定性，能夠有效抵抗土壓力和水壓力，確保施工安全。

關鍵詞：城際鐵路；聯絡通道；數值模擬；凍結土施工工藝；應力與變形

中圖分類號：U455.49" "文獻標識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0030-04

Freezing Construction Technology of Shield Contact Channel in Intercity Railway Project

ZHANG Yufeng

（China Railway 16th Bureau Group Beijing Metro Engineering Construction Co.，Ltd.，Beijing〓101100，China）

Abstract：This paper takes the civil engineering in an intercity project as the main research object，and expounds in detail the key technical links of the freezing method construction and its application effect in the engineering practice.In order to deeply understand the influence of freezing construction on the connecting passage and its surrounding environment，a three-dimensional numerical model is constructed，through the model hypothesis and construction process simulation，the forming process of frozen curtain，the change of physical and mechanical properties of frozen soil and the stress state of tunnel segment during excavation are analyzed.In addition， ground settlement，wall top deformation and groundwater level were monitored during and after construction to evaluate the effect of freezing method.The results show that the excavation of connecting passage by freezing method has little influence on tunnel segments，and the freezing curtain has high strength and good stability，and can effectively resist the earth pressure and water pressure，ensure construction safety.

Keywords：intercity railway；communication channel；numerical simulation；frozen soil construction technology；stress and deformation

0 引言

為保證城際鐵路在運營過程中的安全與穩定，需要將相鄰的兩個隧道連接，該連接部位被稱為聯絡通道。聯絡通道，即城際鐵路建設過程中的一個重要組成部分，更是城市交通建設項目必不可少的一個環節。聯絡通道主要負責城際鐵路之間的連接和交流，使其更好地服務于人們日常的生產與生活。城際鐵路聯絡通道實則是一條地下的通道，其目的是為城際鐵路能夠提供一個快速且方便的連接通道，有效縮短城市間的交通距離，進而保證城際鐵路的安全運行和順暢。近年來，隨著凍結法施工工藝技術的愈加成熟，其在城際鐵路工程中得到了廣泛的應用。凍結法施工是一種借助物理技術連接隧道的方法，具有施工周期短、成本低、噪聲小及對周邊環境污染低等特點。因此，該施工工藝在城際鐵路中的應用愈加廣泛，特別是在含水且松軟的地層中具有其他施工工藝不可替代的優勢。

1 案例概況

本文以廣州東至花都天貴城際項目中的七工區土建工程為例，該工區包含一站一區間，具體為鳳凰南路站（含人防工程）、鳳凰南路站-馬鞍山公園站盾構區間（含鳳馬區間盾構井）土建工程。其中鳳凰南路站位于鳳凰南路與永利路交叉口，呈南北方向敷設，車站為明挖地下兩層單柱雙跨島式站臺車站，外包總長約515 m，標準段寬度約23.7 m，車站中心里程處頂板覆土約3 m，基坑深20.3 m。總建筑面積30 117.32 m2（其中主體建筑面積25 130.49 m2，附屬建筑面積4 986.83 m2）。共設置5個出入口及3組風亭。鳳凰南路站-馬鞍山公園站盾構區間，左線長4 111.446 m，右線長4 109.786 m；隧道埋深12.0 m～29.3 m；區間正線設置9個聯絡通道，其中2#，7#聯絡通道兼做廢水泵房。根據設計圖紙，需要于新街河北側、鳳凰南路東側設置一處盾構井，外包總長約60 m，標準段和端頭井的寬度分別為32.8 m，26.7 m，基坑深35.97 m。

為保證掌子面土體在開挖過程中的穩定，需要在橫通道掌子面的位置設置6根規格相同的注漿小導管，可降低掌子面土體塌落的風險。對于1#，2#和4#聯絡通道，地處軟弱底層，需凍結后再進行暗挖施工；3#，5#和6#聯絡通道處于微風化層石灰巖地層，采取洞內保留注漿加固措施，加固范圍為隧道周邊2 m；7#聯絡通道處于5C-1B粉質粘土（巖土力學參數見表1）、微風化石灰巖，設計階段采取洞內注漿加固措施，加固范圍為隧道周邊2 m；此聯絡通道開挖范圍上部約1 m為5C-1B殘積層粉質粘土，注漿加固措施不足，開挖存在安全風險，需進一步與設計部門溝通以確定其他措施；8#，9#聯絡通道處于強風化層，采取洞內注漿加固措施后，可進行暗挖施工。

2 凍結法施工工藝

凍結法是城際鐵路盾構聯絡通道中一種常見的施工工藝，該工藝首先通過凍結周圍土體，形成一個整體，然后使用相應的工具進行挖掘，在此過程中，凍結土層能夠有效支撐并為地下工程提供一個可靠保護。凍結法施工具有安全可靠、振動小、噪聲小、開挖面積大及施工效率高等特點，主要步驟包括凍結器的安裝、凍結土溫度的控制及開挖過程中土體的處理[1]。

2.1 凍結器安裝

凍結器的安裝是城際鐵路工程中盾構聯絡通道施工的第一步，用以實施凍結施工工藝。安裝方法有兩種：即直接安裝和間接安裝。其中，直接安裝是將凍結器直接安裝在地下，使其在地下土體中能夠產生足夠的低溫來凍結土體。間接安裝是先鋪設一種特殊的防水材料于地下土體中，并注入冷卻劑進行人工制冷，從而凍結需要開挖的土體。

2.2 凍結土溫度控制

在應用凍結法施工前，需要對挖掘的土體進行冷凍，因此，凍結溫度的控制顯得尤為重要。通常情況下，需要凍結土體的溫度必須低于0 ℃，以確保土體完全凍結[2]。

2.3 開挖過程中土體處理

凍結施工的另一個重要的環節是對已經凍結的土體進行處理，在開挖過程中，需要同時對土體進行移動和挖掘，確保徹底清理。在移動和挖掘土體的過程中，還需密切監測其狀態，以確保質量控制和人員安全。

3 聯絡通道數值模擬

3.1 模型構建

聯絡通道數值模擬的模型構建需要以原工程地質地形條件資料為理論依據，將工程項目的CAD圖導入Rhino軟件中進行建模。根據圣維南原理，只有所構建的模型選取足夠大，才能保證邊界開挖時不受擾動的影響。數值模型范圍：沿著隧道軸線方向83 m，高程65 m，垂直隧道軸線135 m，采用Kubrix共劃分124 061個網絡單元格，包括23 061個節點，模型坐標原點位于（0，0，0）點，即沿隧道軸線方向X軸（水平軸）、Z軸（垂直隧道向上軸）、Y軸（垂直隧道軸線向內垂直軸），構建的模型表面為自由面，模型的前、后、左、右面設定為固定邊界，在模型的底面施加豎向法進行約束。在聯絡通道開挖過程中，為了準確測得周圍動土帷幕的變形情況，需要在Z軸方向拱頂位置設置5個不同的監測點來監測拱頂的沉降和隆起，并在X軸方向兩側也各設置5個不同的監測點來監測其周邊的收斂變形。因此，在模型的構建時需要在以上相同的位置設置監測點。

3.2 模型假設

為了便于施工模擬和關鍵問題的發現，同時又不影響模擬結果，需要在模型中進行以下假設。

①不考慮水泵房對聯絡通道和隧道的影響，在模擬過程中拓寬下部凍結壁的寬度；②在本項目中，由于凍土和未凍結的土均屬于彈塑性材料，且該彈塑性材料符合Mohr-Coulomb的破壞準則，對于聯絡通道內需要加固的土體、鋼筋混凝土支護結構也均為彈塑性材料；③凍土和未凍結的土均為各向同性體，凍土帷幕預計厚度為2.5 m；④根據凍土試驗結果：-10°的凍土帷幕的抗壓強度為5.0 MPa，抗拉強度為2.5 MPa，抗剪強度為2.1 MPa；⑤假定聯絡通道在開挖前的地層處于初始平衡的狀態下，即在隧道開挖完成后，需要將所有的位移和速度清零，最終得到的結果是隧道在開挖后凍土的受力和變形狀態。

3.3 施工過程模擬

1） 區間正線設置9個聯絡通道全部采用凍結法施工，施工過程中共需要3個循環，單個循環的進尺為3 m。

2） 聯絡通道毛洞應力釋放率為30%，初期支護后的應力釋放率為70%。

3） 進入下一個循環，單個循環的具體過程：上臺階開挖3 m，應力釋放30%，初噴混凝土時一起安裝鋼拱架，應力釋放率為70%；下臺階開挖3 m，應力釋放率為30%，初噴混凝土時一起安裝鋼拱架，應力釋放率為70%。

4 施工期間和竣工后的監測工作

4.1 地表沉降監測

1） 根據設計要求，在基坑周邊2 m～3 m范圍選擇具有代表性位置，設置與基坑邊線垂直的橫向監測斷面，每側至少布設兩排，排距為3 m～8 m，第一排距基坑邊距不宜大于2 m，每排測點間距為10 m～20 m，車站周邊共布設117個測點。

2） 作業過程中嚴格遵守規范。每次觀測由固定測量人員、固定儀器按相同的觀測路線進行，觀測記錄精確至0.01 mm，計算結果均精確至0.01 mm。

4.2 墻頂監測

1） 墻頂水平、豎向位移監測點宜為共用點，采用Φ12 mm螺紋鋼，頂部安置專用棱鏡，螺紋鋼預埋在墻頂梁上或制作簡易的觀測墩，以便于土釘墻散水。樁頂位移監測點埋設如圖1所示。

2） 采用閉合水準路線，將各監測點以支線形式納入其中施工監測。沉降觀測的精度指標：環線閉合差為±0.6 mm，每站高差中誤差為±0.3 mm，視線高≥0.3 m。每次觀測時，必須對三個工作基點測設一條閉合線路，以保證有必要的檢核條件，減少測量誤差的發生。其閉合差為±1.0 mm，監測點相對基準點高差中誤差≤0.5 mm，視線高≥0.3 m。每次觀測時，必須按附合水準路線至少聯測兩個水準基點，以保證測量數據的準確性。

4.3 地下水位觀測

1） 坑外地下水位觀測孔采用Φ50 mmPVC管材料，采用鉆孔法埋設。鉆機成孔至設計深度后清孔。一般深度在20 m左右。

2） 水位孔底部以上2 m處安放PVC透水管，在其外側用濾網包好（濾網段一般≥2 m）。然后逐節將水位管插入孔內至設計深度。在透水管的深度范圍內回填黃沙，保持良好的透水性，其他段采用回填土或泥球將空隙填實。

5 結果分析

5.1 聯絡通道開挖對隧道管片帶來的影響

1） 在隧道聯絡通道施工過程中需要拆除區間內的少部分管片，然而，拆除后管片容易導致盾構變形，并最終對其產生嚴重影響。同時，聯絡通道內土體的開挖也必然會重新分布周圍應力，從而對管片造成一定的影響。

2） 聯絡通道在開挖后，會造成少部分的管片處于受拉狀態，且這一受拉狀態主要集中在開口環的對側，剪應力則集中在管片的兩側，最大正剪應力集中在開口環的位置。

3） 聯絡通道的開挖對隧道內管片的穩定性會產生一定影響，導致凍結土與管片接觸部位應力集中，也是施工過程中最為薄弱的環節。因此，聯絡通道在開挖過程中應加強對開口位置管片的變形監測，以及聯絡通道洞口處管片的加固，防止管片在開挖過程中造成的破壞。

5.2 凍結帷幕的強度與變形分析

1） 在凍結帷幕完全封閉的施工區域內，為了監測并控制因凍結過程及后續開挖作業可能產生的壓力變化，需要在預設的泄壓孔（或稱減壓孔）位置安裝一個壓力表。通過壓力表觀察凍結帷幕的變化情況，根據觀察情況，判斷凍結帷幕的形成和凍脹壓力。

2） 帷幕凍結過程中，根據壓力表上的數據判斷凍結帷幕是否達到設計的厚度，檢查其與隧道的膠結情況，如果凍結帷幕與隧道完全連接在一起后，即可進入維護凍結階段，凍結期間的溫度應嚴格控制在-25 ℃～-28 ℃，凍結時間應根據帷幕的實際情況進行確定。

3） 仔細分析測溫孔和測壓孔內的數據，判斷帷幕是否達到設計要求的厚度，并經過探孔確認后方可進一步開挖。

4） 考慮到施工現場環境的復雜性，采用凍結法施工工藝可滿足工程項目的實際需求。

6 聯絡通道凍結法施工在工程中的應用

基于上述數值模擬和施工現場的數據，根據凍結帷幕的應力分布狀態、變形情況及聯絡通道在開挖過程中對管片造成的影響，凍結施工工藝在本工程項目中的應用需要注意以下問題。

本工程項目采用凍結法施工工藝，由于聯絡通道的周邊已經凍結，凍結管道需要從聯絡通道的一側沿著中間位置打設，可準確了解數值模擬中凍結管道的布置情況，凍結管道布設完畢后，需及時布置測溫孔和測壓孔，以消除管片的應力情況。隧道內的管片在拆除前，需要在隧道內取適當的土體進行物理學參數試驗，以確定隧道土體的強度，如果土體的強度達到設計要求強度的80%，方可拆除管片。待所有的管片拆除后，對隧道的洞門使用雙排小導管進行加固，然后，沿著隧道的走向進行探孔，探孔的深度為2 m即可，探孔過程中根據小導管的出水情況，判斷隧道洞口加固效果，如果加固效果良好且不出現異常情況方可繼續加固。在此過程中，由于隧道的右線需要挖掘，因此在管片拆除和聯絡通道施工完成后，對隧道左線的管片進行拆除。之前需確定拆除范圍，并準備拆除時需要的工具和材料。在進行拆除時，應先將上部的管片全部拆除，待此步驟完成后，方可進行開口施工[3]。

7 結語

綜上所述，本文通過對城際鐵路工程中盾構聯絡通道凍結法施工工藝的深入探討，系統地闡述了該工藝的基本原理、施工流程、關鍵技術措施及其在實際工程中的應用效果。凍結法作為一種高效、可靠的地層加固技術，在軟土地區及地下水豐富的地下工程中展現出了顯著的優勢。在盾構聯絡通道施工中，凍結法通過向地層中輸送低溫冷媒，形成連續的凍土帷幕，有效切斷了地下水對開挖面的影響，顯著提高了土體的強度和穩定性，為后續的開挖作業提供了堅實的保障。

參 考 文 獻

[1]胡俊杰，胡敏清，田中勝，等.軟土條件下聯絡通道凍結施工[J].工程建設與設計，2022（12）：165-167.

[2]趙恩旺.冷凍法聯絡通道施工風險因素探究[J].工程建設與設計，2020（6）：154-155.

[3]李輝.地鐵工程建設中高流速富水砂層聯絡通道冷凍法施工工藝[J].建筑安全，2022，37（8）：20-23.

編輯：劉 巖