拱北隧道水平控制性冻结止水帷幕施工方案

刘应亮

(中铁十八局集团有限公司，天津　300222)



拱北隧道水平控制性冻结止水帷幕施工方案

刘应亮

(中铁十八局集团有限公司，天津300222)

摘要:港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段预支护体系采用“超前曲线大管幕+水平控制性冻结止水”相结合的全新管幕冻结法施工。水平控制性冻结止水帷幕施工总体方案是全长整环积极冻结，分段分区维护冻结。在介绍水平冻结止水帷幕施工方案的冻结设计、冻结管布置和冻结施工步序之后，重点分析了该方案难点和施工注意事项，为工程顺利实施奠定了基础。

关键词:港珠澳大桥拱北隧道管幕冻结法冻结方案施工分析

浅埋暗挖大断面隧道超前预支护体系备受各方关注，它能有效地维持掌子面稳定、控制地层变形、预防坍塌等事故，它直接关系到隧道安全和经济效益［1-3］。港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道工程口岸暗挖段预支护体系采用“超前曲线大管幕+水平控制性冻结止水”相结合的全新管幕冻结法，该体系为国内首创。长距离超大断面环形管幕冻结控制技术的研发和应用为国内首次［4-5］，目前管幕施工技术日渐成熟，实现突破。本文就水平控制性冻结止水帷幕施工方案进行介绍，结合工程的特点分析施工难点及注意事项，为下一步人工冻结施工提供方向和指导。

1　工程概况

港珠澳大桥是中国首个涉及“一国两制”的三地世界级跨海工程，港珠澳大桥珠海连接线工程是其八个重要组成部分之一。拱北隧道是港珠澳大桥珠海连接线的控制性工程，全长2 740 m，分三段，中间口岸暗挖段长255 m，采用双层暗挖方案，两端采用明挖施工［6-7］。

拱北隧道暗挖段下穿拱北口岸限定区域，条件复杂，位于曲率半径885. 852～906. 298 m的缓和曲线和圆曲线上，如图1所示。该段地层软弱松散，水位埋藏浅(约地下1 m)，水量丰富。隧道埋深4～5 m，开挖面积为336. 8 m2。

管幕由36根φ1 620 mm钢管组成，其中壁厚24 mm的管幕19根(下半断面)，壁厚20 mm的管幕17根(上半断面)，平均长度257. 927 m/根，管间距35. 5～35. 8 cm，如图2所示。隧道纵向轴线有较大曲率，难以保证两顶管间的止水锁扣成功连接，进而难以保证管幕的封水效果，故采用管幕法与人工地层冻结法相结合的工法。

图1拱北口岸暗挖段的位置

图2管幕剖面(单位: cm)

2水平冻结止水帷幕施工方案

2. 1冻结设计

冻结施工就是使用冷冻加固的方法将顶管间的土体变为冻土，和顶管一起形成密闭的帷幕，冻土帷幕的最主要作用是管间止水。因环境保护要求高，必须严格控制冻土体积以限定冻胀融沉量。为此，提出了控制性冻结设计。奇数管填充微膨胀混凝土为积极冻结主力冻结管，偶数管为维护冻结加强冻结管。主力冻结管全长整环积极冻结，加强冻结管分段分区维护冻结。冻土帷幕最小厚度不得小于2 m，以满足顶管间封水要求。A，B1区冻土帷幕厚度不得大于2. 3 m，B2，C区冻土帷幕厚度不得大于2. 6 m，以满足控制地表变形对土体冻胀的要求，如图3所示。暗挖段主体施工完成后采用偶数管进行回填融沉注浆，已达到控制地表沉降目的。

图3冻结分区示意

2. 2冻结管布置

根据冻结设计，确立“冻起来、抗弱化、控冻胀”的理念，提出“圆形主力冻结管+异形加强冻结管+加热限位管”的冻结管布置方式:为“冻起来”在奇数管内布置安装圆形主力冻结管并填充混泥土;为“抗弱化”在偶数管内布置安装异形加强冻结管，以达到加强冻结抵御开挖阶段冻土弱化目的;为“控冻胀”在奇数管内布置安装加热限位管，以达到控制冻土厚度目的。如图4所示。

图4管幕冷冻管布置示意

2. 3冻结施工步序

冻结施工主要有以下六个步序:

1)冻结准备工作完成后，开启圆形主力冻结管进行全长整环积极冻结。

2)当冻土帷幕发展厚度超出设计值时，开启加热限位管，控制冻土厚度。

3)冻结区域准备开挖45 d前开启异形加强冻结管，对开挖区域加强冻结。

4)隧道进行开挖支护时，圆形主力冻结管和异形加强冻结管共同维持冻土厚度，加热限位管控制冻土厚度过大。

5)隧道二衬、三衬完成，达到保证一定的封水搭接长度要求后，开始停冻冻结管。

6)通过冻结管采用热盐水循环进行强制解冻，利用偶数空管对土体进行跟踪式融沉注浆，注浆完成后对空管充填混凝土。

3　施工难点

1)施工地点临近海边，地下水受海水潮汐影响产生流动而影响冻结效果，顶部冻结区受地下水流动影响，不容易冻结，冻结体发展缓慢。

2)隧道埋深浅，位于珠海，长年气温较高，对制冷效能有直接的影响。

3)施工过程不能影响拱北口岸正常通关功能，施工地表建筑物众多，对施工控制变形条件要求高。由于地层含水量大，冻结时外围水补给充分，冻胀量将会很大，会很直接、快速地向地表释放，从而产生较大的地层位移，影响地面、建筑物使用安全。

4)适应纵向分段、横向分区的积极冻结和维护冻结阶段的冻结状态综合控制方法，通过动态监测控制冻土厚度。

5)暗挖断面尺寸大，冻结施工时间长，冻结各工序转换频繁，与开挖工序配合度较高，确立隧道施工期冻结止水帷幕抗弱化和安全控制方法。

6)冻土融沉量与冻胀量成正比，为了避免地面沉降过大，后期对融沉处理要求同样很高，确立冻胀融沉综合控制方法。

4　施工注意事项

长距离超大断面环形管幕控制性冻结是一项极其新颖的施工模式，其施工难度不言而喻，为保证施工安全及进度，应注意以下几个问题:

1)管幕长，内部空间狭小，布置的管路众多，材料运输和管路焊接数量大，应设计利于人工作业的平行滑动的运输工具，并加强管幕内通风。

2)冻结施工时间长，做好施工组织设计和工期预判，加强冷冻站安装质量，提高自动化程度。

3)隧道顶部受潮汐影响和地层含水量大的冻结敏感区域，要先注水泥水玻璃双液浆改良土体，提高地层力学性能、降低渗透性，有效控制冻胀和融沉。注浆固结和冻结互补，以降低冻结帷幕施工的安全风险。

4)全方位冻土帷幕温度监测。在冻土范围内布置有效的测温孔，采用全自动温度监测系统实现可视化，能及时反映冻土范围。监测系统试运行合格后再填充奇数号管幕，施工中注意监测系统管线的保护，若有损坏及时在偶数空管补设监测点。

5)偶数空管两端应设置临时封堵隔热门，要达到既能隔热较少空气流通又能让施工人员进入调整冻结回路。隧道开挖过程中要减少开挖区域的空气对流，以减少对冻土帷幕的热扰动。

6)隧道开挖、周边构筑物、冻土帷幕温度要全过程实时监测，动态调控冻结方案和控制参数。

7)要达到跟踪式融沉注浆要求，融沉注浆管路要设总管和支管，总管为镀锌钢管，支管为抗冻裂橡胶管，融沉注浆孔和管路要在冷冻施工前完成安装。

5　结语

目前大规模管幕冻结法施工的工程在国内外极为罕见，可供借鉴的工程经验少，但经过业主、设计、施工等单位几年的努力，充分调查、研究及精心组织，管幕工程已经顺利完成，各项监测指标均在可控范围内。水平控制性冻结止水帷幕施工即将开始，要面对的困难还很多。以上分析对人工冻结有一定的指导作用，相信施工中会不断优化调整冻结参数，确保隧道安全，降低施工成本，控制性冻结技术必将会取得丰硕成果。

参考文献

［1］郭卫社．浅埋暗挖法新趋势［J］．隧道建设，2012，32( 6) : 757-762．

［2］祝和意，马晓华．水平冻结法在苏州地铁盾构进出洞中的应用［J］．铁道建筑，2011( 8) : 58-60．

［3］张明聚，李忠凯，孟繁义，等．浅埋暗挖隧道中管棚超前预支护的优化［J］．铁道建筑技术，2012( 8) : 113-115．

［4］曹红林．地铁隧道冻结法施工融沉控制方案及实施［J］．地下空间与工程学报，2010，6( 2) : 387-390，395．

［5］杨太华．越江隧道工程联络通道冻结法施工风险分析［J］．地下空间与工程学报，2010，6( 6) : 1201-1206．

［6］中交第二公路勘察设计研究院有限公司．港珠澳大桥珠海连接线控制线工程拱北隧道施工图设计［Z］．武汉:中交第二公路勘察设计研究院有限公司，2012．

［7］余晶，程勇，贾瑞华．港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道方案论证［J］．公路，2012( 9) : 244-248．

(责任审编赵其文)

Construction scheme on horizontal controllable freezing waterstop curtain used in Gongbei tunnel

LIU Yingliang

( China Railway 18th Bureau Group Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China)

Abstract:T he Gongbei Port T unnel excavation section of Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge and Zhuhai Link applied the advanced large curved pipe curtain and horizontal controllable freezing waterproof method，which was a new pipe curtain freezing method．T he key of this method is a positive freeze of the full-length ring together with segmented partition maintenance freeze．T his paper introduced the freeze design of the horizontal freezing waterproof curtain construction，the layout of freeze pipes and the freeze construction steps．T he potential difficulties and attentions of the construction scheme were given，facilitating the completion of the project．

Key words:Hong Kong-Zhuhai-M acao Bridge; Gongbei tunnel; Pipe curtain freezing method; Freezing scheme; Construction analysis

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0056-03

作者简介:刘应亮( 1980—)，男，高级工程师。

收稿日期:2015-08-25;修回日期: 2015-11-06

中图分类号:U455．49

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．13