复杂地质环境下地铁联络通道冷冻加固技术研究

王力功 WANG Li-gong

（中铁十二局集团有限公司，太原 030000）

0 引言

在地铁建设过程中其正线区间隧道一般采用盾构法进行施工，该方法不但施工速度快而且安全性也高，但区间隧道之间的联络通道由于垂直于线路且受场地限制盾构机无法施工，一般采用矿山法进行开挖。相比于盾构施工，矿山法可在狭小空间进行作业，但该方法施工作业安全风险较高，施工工序繁琐且施工进度较慢，同时若施工不当极易造成周边地表沉降或位移，因此在施工前必须采用有效的地质加固措施。地铁施工加固方案分为两种，一是超前注浆，对于浅层地质该施工方法操作简单，效果明显，但当地质复杂或深度较深时施工质量无法保证；二是冷冻加固，其适用于深层复杂情况的地质加固，而且还可以有效隔离地下水，其抗渗性是其他方法无法比拟的。在徐州市城市轨道交通6 号线一期工程地铁区间隧道联络通道施工中，由于该联络通道位于城市交通主干道路面以下位置，周边地质环境复杂且地下水位较高，因此在施工过程中必须严格控制地面沉降，否则一旦发生地表变形过大，可能造成通行受阻，造成使用功能不正常，影响市民生活，同时也必须确保施工区域在开挖过程中处于安全可控状态。为此采用冷冻加固技术对联络通道周边地质进行加固处理，同时对施工中的各项工序进行严格把控。通过一系列措施，不但有效加快了施工作业，而且大大降低了对地面交通道路的影响，同时也确保了施工区域作业环境的安全，有效减少了重大安全隐患发生的风险。

1 工程概况

市政府站～紫金路站区间从市政府站北端引出，沿汉风路路下向北走行，侧穿在建招银大厦、在建金融中心A6、A8 地块、侧穿肖庄河桥、侧穿绿地商务城16 号楼、侧穿绿地缤纷城、侧穿绿地梵顿公馆、侧穿绿地书香苑后进入紫金路站。区间隧道起止里程为左（右）DK28+300.713～左（右）DK29+593.178，左线设一处短链4.117m，左线全长1289.348m，右线全长1293.465m。线间距16～63m，区间隧道覆土厚度11.5～19.3m，区间于右DK28+539.578（左DK28+540.261）处设置1#联络通道，于右DK29+133.578（左DK29+129.461）处设置2#联络通道。

1#联络通道结构为复合式衬砌，横通道开挖尺寸：长×宽×高为16.8m×4.3m×4.42m；拱部为弧形，直边墙衬砌，初期支护拱部、边墙、底板厚度250mm，二次衬砌拱部、边墙、底板厚度400mm。2#联络通道横通道开挖尺寸：长×宽×高为17m×4.3m×4.42m；拱部为弧形，直边墙衬砌，初期支护拱部、边墙、底板厚度250mm，二次衬砌拱部、边墙、底板厚度400mm。（图1）

图1 项目线路平面示意图

图2 孔口管及孔口装置示意图

2 总体施工方案

联络通道处正线管片采用钢管片和混凝土管片组合而成。1#联络通道位于（2）-3a-3 黏土（可塑）、（5）3a-4b含砂姜黏土（硬塑），2#联络通道位于（2）-3a-3 黏土（可塑）、（5）3a-4b 含砂姜黏土（硬塑）、（5）3a-4c 含砂姜黏土（硬塑）。（2）-3a-3 黏土为微透水层，（5）3a-4b 含砂姜黏土、（5）3a-4c 含砂姜黏土为中等透水层。两座联络通道采用冷冻法加固，全断面法开挖。根据图纸要求，联络通道工作面周边布置冻结孔82 个、测温孔8 个、泄压孔4 个，施工过程中由下至上进行钻孔施工。每处联络通道各设置一处冷冻站，2#联络通道冷冻站设置于右线390～420 环范围内，1#联络通道冷冻站设置与市政府站接收井负二层中板。冷冻站设施安装完成后，对联络通道前后十环管片进行二次注浆加固，加强管片与土体之间的密实程度，注浆完成后开始进行冻结孔施工。

冷冻孔钻孔施工完毕后进行冷冻管及区间临时支护、临时安全门安装，在通道开口处隧道管片开口环中不开口部位均匀设置支撑点隧道支架，以减轻联络通道开挖构筑施工及冷冻施工对隧道产生不利的影响。临时支护安装完毕后开始进行冻结施工，盾构机恢复掘进。

3 联络通道冷冻加固主要施工工艺

3.1 总体施工工艺流程

联络通道总体施工流程为：施工准备→钻孔定位→钻孔→冷冻管测斜→冷冻管打压→冷冻器安装→冷冻系统测试→积极冻结→钢管片焊接→开管片试挖→通道开挖初期支护→通道防水施工→通道结构层施工→充填融沉注浆→验收。

3.2 冻结加固设计

冻结采用盐水循环冻结，盐水最低温度为-28～-30℃。维护冻结盐水温度为≤-28℃。①根据冻结深化设计冻结壁为2m。冻结壁平均温度不高于-10℃。加固土体的渗透系数小于10-9cm/sec。②冻土强度指标为：抗压不小于4.0MPa，抗折不小于1.8MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃）。③积极冻结时间为45 天。④冻结孔最大允许偏斜不大于150mm，终孔间距小于1.2m。施工过程中加强监测，防止冻结管的断裂及渗漏。

3.3 冻结站设备选型

根据施工筹划，每座联络通道分别建一座冻结站，2#联络通道冷冻站设置在区间隧道内该处联络通道南侧（对应区间右线390～420 环）；1#联络通道冷冻站设在市政府站接收井负1 层中板，冷冻站设备规格型号及冷冻量计算如表1 所示。

表1 设备技术参数表

3.4 冷冻孔施工

区间联络通道施工完成后，对左右线联络通道进行位置、高差、夹角、里程进行二次测量复核，总结联络通道中线位置管片偏差等数据，合理调整冻结孔位置。首先对施工后的透孔偏差值进行测量检查，根据所得出的偏差值调整后续的钻孔参数。为减少施工过程中所引起的地层扰动问题，在钻孔过程中先钻下部再钻上部。

冻结孔位置必须按照施工图设计位置进行放样，每个孔口需安装闸阀并做好密封装置，在首孔打开钻进时无突水突泥情况时方可继续钻进施工。在钻进过程中钻机倾斜角度需与孔位倾斜角度一致，开始钻进时采用干钻方式钻进，待干钻无法进尺后打开钻进进水孔继续钻进施工，同时密切观察出水出泥情况，确保周边地质不出现沉降。

冻结管钻孔完成后，应利用孔口管预留旁通阀对孔口管与冻结管环形空间进行注浆，并对注浆压力与注浆量进行双控。注浆结束后观察旁通阀及孔口管法兰处无渗漏后方可拆除球阀及压紧装置。

3.5 积极冻结与维护冻结

冻结设备安装后必须进行调试及试运转，在试运转过程中要密切观察温度、压力等各项参数，使设备运转处于良好可控状态。在冻结过程中，安排专人对盐水流量、温度及冻土壁扩展情况进行观察记录，当冻结效果未达到理想状态时需及时调整相关参数。冻结设备运转正常后方可进入积极冻结节段，在积极冻结过程中，要求盐水温度下降至-18℃的时间＜7 天，温度下降至-24℃的时间＜15 天，同时去路和回路管道盐水之间温差不得大于2℃。在联络通道开挖前盐水温度低于-28℃。每天对盐水温度做好记录整理，以此来分析判断冻结壁的厚度及扩展速度。

在积极冻结过程中，需要根据前期记录的冻结数据判断冻结帷幕的厚度是否达到设计要求，同时判断冻结帷幕与隧道之间的胶结状况，待冻结帷幕与隧道胶结良好且满足要求后方可进入维护冻结阶段。冻结质量控制施工流程如图3 所示。

图3 冻结质量控制施工流程

4 冻结壁计算

4.1 设计计算参数

联络通道冻结壁结构的几何尺寸见设计的施工图，联络通道及泵站冻结壁厚度：2m；冻结壁平均温度为≤-10℃。设计取-10℃冻土的弹性模量和泊松比分别为126.1MPa 和0.267，冻土强度指标为：抗压4.0MPa，抗折1.8MPa，抗剪1.5MPa。冻土壁承载力验算采用许用应力法，根据《旁通道通道冻结技术规程》中的Ⅲ类冻结壁强度检验，安全系数取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。冻土壁承载力验算采用许用应力法，安全系数取：抗压2.0，抗折3.0，抗剪2.0。

4.2 联络通道内力

联络通道冻结壁力学分析采用均质线弹性三维模型，考虑结构埋深较深，初始地应力产生的变形对冻结壁影响较大，故采用中间未冻土开挖模拟的方式进行计算。冻土力学特性参数取冻结壁平均温度下的冻土力学特性值。根据结构对称性，取结构的1/4 作为计算模型。见图4 所示。

图4 通道冻结壁受力有限元计算结果（接口最不利位置）

4.3 冻结壁应力计算

W—冻结壁截面模量，喇叭口：

喇叭口底板、通道正常段和泵站：

A—截面面积，喇叭口：

喇叭口底板、通道正常段和泵站：

最大剪应力：

Q—截面剪力；A—截面面积

4.4 计算结果

由结构力学计算结果可知，冻土的抗压、抗弯和抗剪强度均具备一定安全储备，满足相关规范要求。因此，总体上来说，设计冻结壁能够满足承载力要求。详见表2 所示。

表2 联络通道冻结壁最大应力、位移计算值及安全系数

5 安全质量保障措施

①间隔施工冻结孔，必要时调整中间冻结孔的施工轨迹，减小冻结孔最大成孔间距，使冻结孔间隔均匀。冻结孔成孔后采用经纬仪灯光测斜，测斜前，应检查实际开孔位置与后视点是否一致。②盐水管路系统必须进行压力试验，试验压力不得小于冻结工作面盐水压力的l．5 倍，并持续15min 压力不下降为合格。③解冻过程中，要加强地面和隧道变形监测、冻土融化温度监测，防止对周边环境产生影响。

6 结束语

通过采用冷冻加固技术对联络通道周边地质进行加固处理，同时对施工中的各项工序进行严格把控等一系列措施，不但有效加快了施工作业，而且大大降低了对地面交通道路的影响，同时也确保了施工区域作业环境的安全，有效减少了重大安全隐患发生的风险。通过现场实际应用，该冷冻加固技术在复杂地质环境下地铁联络通道施工地质加固中取得很好的效果，也为后续类似施工提供了借鉴和参考。