超长联络通道水平冻结加固技术探讨

何 伟 翟永亮

(1.郑州市轨道交通有限公司，河南 郑州 450000； 2.郑州市第一建筑工程集团有限公司，河南 郑州 450000)

1 概述

人工冻结技术在地铁联络通道加固中得到越来越多的应用[1]。联络通道工程是地铁隧道中的一个重要组成部分，兼顾区间隧道的安全疏散和排水功能，同时联络通道施工也具有较高的安全风险[2]。目前国内主要地铁区间的联络通道多采用地层加固+矿山法构筑的设计方案，当地铁隧道所处的地层为软土含水地层，且地面不具备良好的加固条件时，往往采用洞内水平冻结加固的方法[3,4]；如上海、杭州、南京、天津等多地均有较多应用，且安全可靠，具有无法取代的优越性。常规联络通道的冻结加固设计和施工技术均已较为成熟，但是超长、超埋深、地质情况复杂条件下的联络通道施工工程，仍面临着亟待解决的困难和问题[5]。本文就针对郑州市地铁5号线某区间联络通道工程为例，对地质条件复杂、超长不对称联络通道的设计和施工作一介绍。

2 项目概况

郑州市轨道交通5号线金水东路站—郑州东站区间设置联络通道2座，本项目为2号联络通道，左右线间距32.79 m，联络通道中心埋深26.5 m，联络通道所在位置左右线隧道均为圆曲线段。采用“洞内冻结法+矿山法施工”。联络通道开孔位置均采用钢管片拼装。盾构区间隧道内径5.5 m，管片厚度350 mm。2号联络通道由与隧道钢管片相连的喇叭口、水平通道和泵站构成。通道主体结构为直墙拱形钢筋混凝土结构，具体开挖尺寸为：通道开挖尺寸为：26.937 m(长)×4.3 m(宽)×4.55 m(高)。

该联络通道上方为绿地，周边主要构筑物为市政道路和高架桥，其中地面上部距离匝道桥墩水平距离仅为18 m，风险等级为一级。联络通道及泵房处的土层自上而下依次为②36C粉砂、②51细砂、②51B粘质粉土、②51A粘质粉土、②52细砂、③23粉质黏土。联络通道所处位置地下水共分两层，第一层地下水呈局部分布，主要位于区间北端，靠近金水东路站，其稳定水位埋深为9.8 m，高程为77.70 m，主要赋存于②34粘质粉土中，预计水量不大；第二层地下水稳定水位埋深为15.8 m～18.5 m，高程为69 m～71.11 m，主要赋存于②36C层粉砂和②51层细砂和②52层细砂层中。

3 施工风险评估与分析

这种超长联络通道的水平冻结，在国内少见，缺少类似经验，存在以下风险因素：

1)超长隧道不宜冻结。一般联络通道处的主隧道间距12 m～15 m，净距6 m～9 m，而本联络通道长度达到净间距26 m，属于超长旁通道，钻孔和开挖中小量的误差会累积成超标的误差，冻结就很难交圈；同时冻结孔成孔难度较大，如果冻结壁存在薄弱处，开挖时就可能涌水涌砂造成通道坍塌等安全事故。

2)左右线隧道不是平行隧道。该联络通道位于盾构主隧道的平面圆曲线处，两侧隧道不平行，右线钻孔需打斜孔，钻孔容易出现偏差；结构也不是垂直于隧道管片，管片与冻结帷幕相交处不易胶结。

3)联络通道位于细砂层和粉土层交界处，埋深大，钻孔过程中易发生涌水涌砂，如不安装有效密封装置，将引起大量冒砂，危及区间隧道安全。

4)冻结过程中，突发机械故障或停电，造成冻结站停机，冻结壁融化。旁通道较长，相应工程量和工期较长，必须保障冷冻设备的正常运行。

4 超长联络通道水平冻结加固设计

4.1 冻结孔布置原则及设置

针对本联络通道特点，隧道长度大，如想满足冻结帷幕厚度和管片交界面封水的效果，采用常规在隧道一侧为主布孔的方案是不可行的。因此为保证有效冻结，冻结孔采用左右线隧道对称布置的形式，分上仰、水平、下俯三种角度布置，共布置冻结孔132个，左线布置57个，右线布置55个，总长度1 525.918 m；测温孔布置12个，长度2 m～14 m；卸压孔布置在冻结帷幕封闭区域内，左线、右线各2个，长度13 m，均对称布置。冻结孔采用φ89×8 mm无缝钢管。

4.2 冻结壁设计

考虑联络通道开挖构筑时间长，将本通道及泵房处冻结厚度定为2.3 m。同时将冻土平均温度设定为不大于-10 ℃；冻结壁交圈后的温度分布可简化为稳态温度场计算。积极冻结期间，在冻结区附近200 m范围内不得采取降水措施。同时在冻结壁附近隧道的管片内侧敷设50 mm厚泡沫板保温层，敷设范围不得小于冻结壁边界外1 m。冻结时间贯穿联络通道、泵房开挖和主体结构施工始末。停机时间以混凝土强度达到设计值、冻结帷幕平均温度达到-10 ℃且计算厚度达到要求为准。开挖前冻土强度的设计指标为：单轴抗压4.0 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa(-10 ℃)。

4.3 需冷量计算和设备选型

1)需冷量计算。

冻结管的散热系数取250 kcal/(m2·h)，冷量损失系数取1.4，采用Q=1.4πdHK，计算得冻结需冷量为：14.939×104kcal/h。其中左线57个冻结孔，冻结管长度812.872 m，需冷量为：Q=1.4πdHK=7.95×104kcal/h。右线55个冻结孔，冻结管长度713.086 m，需冷量为：Q=1.4πdHK=6.97×104kcal/h。

其中，Q为泵房冻结孔需冷量；H为单个泵房冻结管总长度；d为冻结管直径；K为冻结管散热系数。

2)冻结制冷设备选型及布置。

冷冻机组选用W-YSLGF300型，单台冷冻机实际工况制冷量8.5万kcal/h，为满足本项目冻结所需计算制冷量，需要选用2台冷冻机同时运行。为保障设备突发故障下能连续冻结，采取“一用一备”的方案，配备4台冷冻机组，总装机功率440 kW。为提高冻结站效率，减少因盐水干管线路太长而带来的热量损失，将冻结站设置在左右线的隧道内，制冷效果好，节约用电。

3)其他管路及设备选择。

盐水干管和集配液管均选用φ159×5 mm无缝钢管，冷却水管选用φ127×5 mm钢管。供液管选用φ38×4 mm白色硬塑料管。冷冻排管及泄压管均选用φ45×3 mm无缝钢管，测温孔浅孔采用φ32×3 mm，超过3 m的采用φ89×8 mm钢管。

每个冻结站配备盐水箱1个，容积4.5 m3；冷却水箱1个，容积8 m3。制冷剂选用氟立昂R22制冷剂。冷媒剂用氯化钙溶液作为冷冻循环盐水。盐水比重为1.26。冻结制冷施工冷却水补充量为15 m3/h。

5 水平冻结施工及效果分析

5.1 积极冻结

冻结系统经调试和试运转正常后即可进入积极冻结阶段，此阶段为冻结帷幕的形成阶段，积极冻结期盐水温度为-28 ℃～-30 ℃，设计冻结时间45 d～50 d，冻结孔单孔流量不应小于5 m3/h，积极冻结7 d盐水温度下降至-18 ℃以下；积极冻结15 d盐水温度降至-24 ℃以下；开挖时盐水温度降至-28 ℃以下，去、回路盐水温度不大于2 ℃以上。

在积极冻结过程中，要根据实测盐水、测温孔温度及泄压孔压力数据判断冻土帷幕是否交圈,并推算冻土平均发展速度，计算冻结壁是否达到设计厚度，正式开挖前要在冻结区域内开探孔验证冻土温度及冻结壁厚度，确认冻土帷幕达到设计要求且冻结帷幕内的土层基本无压力后再进行正式开挖。冻土发展半径(mm)=最慢发展速度(mm/d)×冻结天数(d)，发展速度=距最近冻结孔距离/降到0 ℃天数。

5.2 维护冻结

在积极冻结过程中，测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后，可进入维护冻结阶段。维护冻结期温度低于-25 ℃，冻结时间贯穿泵房开挖和主体结构施工始终。

5.3 冻结效果

该联络通道开始正式冻结后，冷冻机组运行6 d后盐水温度降至-28 ℃，之后冷冻盐水温度持续在-28 ℃～-32 ℃，冻结孔单孔流量5.6 m3/h，冻结34 d后冻结帷幕交圈，冻结45 d后冻结帷幕最小厚度2.35 m，左线喇叭口处冻结帷幕厚度2.28 m，右线喇叭口处冻结帷幕厚度2.46 m，冻结帷幕平均温度-11.8 ℃，帷幕与盾构管片相接处胶结情况良好。联络通道开挖后，历时52 d完成超长联络通道和泵房的开挖支护及二次衬砌施工，冻结效果良好，整个维护冻结期间未发生任何安全事故，冻结效果达到设计预期。

1)冻结帷幕温度变化速率。

为了更好地监控冻结加固区域不同时期不同深度土体温度变化，在左右隧道各布置6个测温度，其中左线C1～C4测孔深度2 m，C5,C6测孔深度13.5 m；右线C7,C8测孔深度14 m，C9～C12测孔深度14 m。测孔平均温度监测结果如图1所示。

从图1中可知，在积极冻结初期，冻结区土体温度下降趋势成线性，当土体温度低于冰点后，下降速率放缓，分析为土体内液态水发生相变吸收大量能量所致，冻结壁交圈后帷幕区温度继续下降，下降梯度减小；联络通道开挖构筑期间，土体温度变化不大，基本处于稳定状态。

2)冻结和开挖施工期间的地表沉降。

冻结期间必须对已建成的隧道和地表及周边环境进行变形监测，冻结和融化势必会造成土体的冻涨和沉降，本项目在整个施工过程中，对联络通道及泵房施工影响范围内的地表进行了连续监测，积极冻结期间地表隆起不明显，矿山法开挖及融沉阶段，采取了分阶段注浆的方式，地表最大沉降量12 mm，满足规范和设计要求。

6 结语

本文针对郑州地铁5号线某区间超长不平行联络通道为工程案例，对冻结孔布置、冷冻机组选择、冻结帷幕强度和冻结时间、盐水温度要求等进行了详细介绍，并通过实施取得了很好的效果，通道开挖构筑期间未发生任何渗漏水现象。主要得出如下结论：

1)对于超长联络通道的水平冻结加固，冻结孔宜从隧道两侧对称布置，以保证冻结帷幕交圈时间和冻结壁形成效果；冷冻站在有条件的情况下宜布置在隧道内，减少冻结干管长度，减少冷量损失；

2)冻结期间应对冻结区冻土温度进行连续监测，冻结孔设置的位置应具有代表性，能够监测距离冻结管最远处的区域，测温孔内每隔0.5 m～1.0 m设置一个测量点，减少测温盲点；

3)从测量孔的监测数据可以看出，冻结前期加固土体温度下降速率较快，在接近冰点后会有一个小幅度减缓期，然后继续下降，达到设置冻结温度后，在不改变冷媒介质的状况下，冻结壁温度趋于稳定；

4)由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，须加强隧道变形的监测，做好融沉控制，确保隧道和管线安全。