冻结法在常州地铁联络通道工程中的应用研究*

代国忠 刘德顺 朱加 施维成

（1.常州工学院土木建筑工程学院 213032；2.常州市轨道交通发展有限公司 213022）

引言

近年来，随着城市地下空间工程的不断发展，冻结法施工技术被广泛应用于上海、北京、深圳、南京、常州等城市地铁工程施工中［1－3］。冻土帷幕是一种临时支护结构，待永久支护形成后，停止冻结，冻结壁融化。采用冻结法施工，可有效隔绝地下水，冻土帷幕的形状和强度可视施工场地条件灵活布置和调整，冻土强度可达5MPa～10MPa，能有效提高工效；冻结法施工对周围环境无污染，无异物进入土壤，噪音小，冻结结束后，冻土墙融化，不影响建筑物周围地下结构使用安全［4－7］。

常州市轨道交通1号线一期工程北起北海路站－南端南夏墅站，全长约33.837km，其中地下线长约31.673km，高架线约2.61km。全线共设有28座盾构区间联络通道，因联络通道施工区域狭小，大型开挖机械无法施工，只能采用人工开挖，开挖的土层主要是富含大量承压水的粉砂层及粉土层。为了规避联络通道开挖中出现涌水、漏沙等风险，经过方案优选与论证，常州市地铁1号线联络通道主要采用冻结法施工。

1 工程及地质条件概况

常州地铁1号线某联络通道由与隧道管片相连的喇叭口、水平通道构成，其中心距为11.6m。联络通道的水平通道为直墙圆弧拱结构，通道采用的初次衬砌（木背板＋型钢支架＋喷射C25混凝土）厚度不小于150mm，二次衬砌厚度为450mm的C35P10模筑防水钢筋混凝土。联络通道开挖轮廓高为4.24m，宽为3.30m（喇叭口部分高为4.54m，宽为3.90m）。

根据地质资料，联络通道位于⑤2层粉砂层、⑤3层砂质粉土夹粉砂层。地层地下水主要为潜水及承压水，主要为大运河和长江水的侧向补给，水量较丰富。⑤层承压水水位埋深3.00m～6.10m，含水层渗透系数为2.9×10－3～3.0×10－3（cm／s）。联络通道紧邻污水处理站及工业厂房，周边管线众多。

2 冻结帷幕设计

2.1 冻结帷幕设计参数

（1）冻结帷幕厚度

① 冻结圆柱半径计算［8］：

式中：t1为回路盐水温度（t1＝－30.5℃）；r为测温孔离冻结管的距离（r＝0.85m）；r1为冻结管内半径（r1＝0.0365m）；t为测温孔温度（t＝－4.8℃）。计算得冻土交圈的冻结圆柱半径r2＝1.53m，实取r2＝1.5m。

② 冻结帷幕厚度计算［8］：

式中：l为冻结管最大间距（l＝1.1m），计算所得冻结帷幕厚度E＝2.79m。冻结帷幕厚度在喇叭口处取1.5m，通道处取1.8m，可满足设计要求。

（2）冻结帷幕平均温度

① 边界冻结壁平均温度计算［8］：

② 冻结壁平均温度计算［8］：

计算得：toc＝－9.96℃，tc＝－11.16℃。

（3）冻土强度的设计指标

冻土单轴抗压强度不小于3.5MPa，抗折强度不小于2.0MPa，抗剪强度不小于1.5MPa。

联络通道冻结帷幕设计如图1所示。

图1 联络通道冻结帷幕设计Fig.1 Frozen curtain design of the connected aisle

2.2 冻结孔、测温孔及泄压孔设计

联络通道设置冻结孔54个（冷冻站侧隧道内布置40个冻结孔，冷冻站对侧布置14个冻结孔），两侧墙冻结孔最大允许间距为1.1m，拱顶和底板则为1.0m。设置透孔4个，对冷冻站对侧冻结孔和冷冻排管供冷。冻结管采用20＃（Q235B）钢材的φ89×8mm的低碳无缝钢管。冻结管耐压不低于0.8MPa，且不低于冻结工作面盐水压力的1.5倍。施工冻结孔时的土体流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降［9］。联络通道冻结站对侧隧道上沿通道外围冻结壁敷设6排冷冻排管（45×3mm无缝钢管），间距不大于400mm，冷冻排管敷设应密贴隧道管片。

联络通道设测温孔12个，分别布置在通道内外和两侧隧道内，其中冷冻站侧布置4个，冷冻站对侧隧道布置8个，深度2m～3.8m；布置泄压孔4个，布置在冻结帷幕中间，左、右线各2个，深度均为3m。

2.3 冷冻机的选择

冻结需冷量的计算公式为［8］：

式中：d为冻结管直径，d＝0.089m；H为冻结管总长度，H＝302.3m；K为冻结管散热系数，K＝323.3kcal／h／m2。经计算 Q＝35520kcal／h。

选用JYSLGF300型冷冻机，制冷剂选用氟立昂R22，冷媒剂选用比重为1.26kg／L的氯化钙溶液。冷冻站设置在区间隧道内联络通道的一侧附近，冻结孔单孔流量不小于3m3／h，每米冻结管设计散热量不应小于100kcal／h。

3 施工工艺及技术措施

3.1 冻结孔施工

使用MD－60钻机进行冻结孔施工。先施工透孔，然后根据联络通道施工的孔位，采用由上向下的顺序进行施工，可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率［10］。冻结孔施工工序为：定位、开孔→孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底部→打压试验。冻结孔施工之后，安装冻结管，并用堵漏材料密封冻结管与管片之间的间隙，在冻结管内安装供液管。工程钻孔及冷冻装置安装时间为30d。

3.2 积极冻结

工程设计要求积极冻结7d盐水温度降至－18℃ 以下，15d盐水温度降至 －24℃以下，13d盐水温度降至－28℃以下，开挖时盐水温度降至－28℃以下，总去、总回路盐水温差不大于2℃。

实际积极冻结4d盐水温度降至－18℃以下，7d盐水温度降至－24℃以下，13d盐水温度降至－28℃以下。冻结42d时，总去、总回路盐水温度分别为－31.3℃和－30.5℃，其温差为0.8℃，冻结帷幕厚度最薄为2.5m，冻结帷幕平均温度为－11℃，满足设计要求。工程积极冻结时间确定为45d。

3.3 维护冻结

从开挖到结构层施工完之前，盐水温度要保持不高于－28℃，去回路温差不大于2℃。维护冻结过程中，加强冻结施工监测，确保冻结系统运转正常，及时分析冻土帷幕的温度变化。开挖期间，不允许提高盐水温度和减小盐水流量［11］。工程维护冻结时间为30d。

3.4 停止冻结

浇筑完联络通道二衬混凝土，完善停机前流程，停止冻结，对冻结管进行充填防渗处理。

3.5 施工技术措施

为减小地层冻胀和融沉，根据有关工程经验，制定以下冻胀和融沉防治措施。

（1）采用局部冻结方案，减少冻土体积，从而有效减少冻土的冻胀量。

（2）在冻土帷幕内未冻土中设置4个泄压孔，通过泄压消散作用在管片上的冻结附加力。积极冻结时，如果孔内水压增加，打开孔口阀门泄压。

（3）通过监测冻结过程中隧道管片的变形，预计冻结施工对隧道结构的最终影响，为调整、确定冻结施工参数提供可靠依据。通过调整盐水流量和盐水温度，控制冻土帷幕厚度。

（4）冻土帷幕解冻时有少量收缩，从而使地层产生融沉。为了消除地层融沉可能对联络通道产生的不良影响，在结构衬砌上预留注浆管注浆，以补偿冻土帷幕融沉。

（5）停止冻结后，采取强制解冻融沉注浆，控制地面及隧道不均匀沉降。

4 结语

1.联络通道采用水平冻结法施工，冻结效果符合预期，隧道开挖及构筑工程进展顺利，总工期为110d，实现了进度目标。

2.工程一次验收合格率达到100%，全部达到工程质量验收标准，实现了质量目标。

3.经工程监测，联络通道施工地面沉降和周边管线沉降均小于10mm，没有发生明显的冻胀融沉，也没有对周围环境造成影响，实现了环境目标。

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