徐州地铁2号线冷冻法施工应用及研究

张红艳

摘 要：徐州市地铁2号线沿线地质条件较为复杂，其中区间泵房及联络通道多数处于轻微～中等液化的粉土、砂土中。本文通过对采用冷冻法施工的汉源大道站～新元大道站区间的泵房及联络通道的主要施工工艺及技术措施的说明，提炼归纳出此类不良地质条件下冷冻法施工的关键点及注意事项，确保了泵房及联络通道的安全成型。

关键词：冷冻;施工工艺;注意事项;液化

中图分类号：U455.49 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0107-02

1 工程概况

1.1 基本情况

徐州市地铁2号线是徐州市主城区南北向的骨干线路，全长24.29km，共设车站20座。根据地质情况，有部分区间的泵房及联络通道设计采用冷冻法施工，汉源大道站～新元大道站区间的泵房及联络通道便是其中之一，本文以此为例进行应用和研究说明。

1.2 工程地质

汉源大道～新元大道站区间泵房及联络通道处地层从地面表层至下层的地质情况依次为②5-3砂质粉土、②4-3粉质黏土、⑤3-4黏土、⑤3-4B砂质粉土、⑤3-4A含砂姜黏土、⑤3-4黏土。

1.3 设计参数

漢源大道站～新元大道站区间泵房及联络通道冻结壁的最小厚度为1.8m，冻结孔的布设需要按照上仰孔、近水平孔、下俯孔三种角度方式，布置在联络通道的四周，冻结孔的数量为73个，其中冻结孔数冻结站一侧隧道内53个，对侧隧道内20个。

2 须冷量计算机及相关设备选择

2.1 冻结需冷量的计算

冻结管的散热系数取250kcal/m2·h，冷量损失系数取1.3，采用Q=πdHKmc，得冻结需冷量式中：

H-冻结管的总长度，d-冻结管的直径，Km-冻结管的散热系数。

经过计算得出：汉源大道～新元大道区间泵房及联络通道制冷量需要：

Q=π1.3*0.089*547.464*250+π1.3*0.045*88.5 *250+0.25*π*115*250*0.159=5.74万Kcal/h

根据计算选用单台制冷量为8.5万Kcal/h JYSLGF300型螺杆机组两台，其中预留1台备用。

2.2 单个冻结系统的辅助设备

（1）8SH-13A型盐水泵两台，流量为270m3/h，电机功率为37kw，其中预留一台备用。（2）冷却水循环设备选用IS150-125-250型清水泵两台，流量200m3/h，电机功率18.5kw，其中预留一台备用。（3）冻结管为Φ89×8mm，采用丝扣连接。冷冻排管为Φ45×4mm，六排布置，排管间距为40cm。（4）测温管为Φ45×4mm无缝钢管、泄压管选用Φ89×8mm20#低碳无缝钢管。（5）供液管选用Φ48×4mm PE管。（6）盐水干管和集配液管选用Φ159×5.5mm无缝钢管+Φ160×7mmPE管。

3 冷冻法施工工艺及技术措施

3.1 冻结孔施工

根据地勘报告，在冻结孔施工过程中，要高度重视并做好各种防止泥水流失防患措施。在冻结孔施工之前，对施工人员进行安全技术交底，开孔时要采取二次开孔施工方法，第一次不开穿管片，第二次开穿管片时要在装好球阀后在球阀内开孔，冻结孔钻进时一定要装好孔口密封装置，防止水土流失导致地面及隧道沉降。

冻结孔施工工序如下：定位开孔→孔口管安装→孔口装置安装→钻孔→测量→封闭孔底→打压测漏。如图1所示：

3.2 冷冻站布置与设备安装

在隧道内联络通道附近设置一个冻结站（近汉源大道侧），向联络通道供冷。冻结站占地面积约220m2，站内主要设备包括清水泵、盐水泵、变压器、冷冻机、冷却塔、盐水箱及配电控制柜等。设备安装必须严格按设备对应配套说明书中的要求执行。考虑冷冻机运转必须要连续，无法停机检修，在运转前必须联系专业人员对冷冻机进行检修，以保证冷冻机可靠连续运转。如图2所示。

3.3 冻结系统试运转、积极冻结与试开挖

设备安装完毕后必须要进行调试和试运转。在进行试运转时，要随时根据要求调节压力、温度等各种状态参数，使机组在符合相关工艺规程和设备要求的技术参数条件下正常运行。在冻结过程中，要定时检测盐水的温度、盐水的流量和冻土帷幕的扩展情况。必要时调整冻结系统的运行参数，待冻结系统全部运转正常后，方可进入积极冻结。

在积极冻结的过程中，要根据现场实际测量的温度数据来判断冻土帷幕是否交圈，以及是否达到设计要求的冻结厚度。同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况。通过测量温度来判断冻土帷幕交圈，并达到设计厚度，而且与隧道完全胶结后，再挖掘探孔，确认冻土帷幕内土层基本无压力，方可正式开始掘进。如图3所示：

3.4 开挖与构筑

由于联络通道内空间相对较小，开挖时采用人工利用风镐进行开挖。汉源大道站至新元大道站区间的泵房及联络通道首先开挖通道部分，待通道开挖完成、二衬混凝土浇筑完成强度达到70%后，再进行泵站开挖及结构施工，联络通道兼泵房结构完成以后进行充填及融沉注浆。如图4所示。

3.5 地层跟踪注浆及其它

在开挖初期支护时，预埋注浆管深度至初期衬砌后，汉源大道～新元大道站区间泵房及联络通道共有注浆孔41个，融沉补偿注浆浆液以单液水泥浆为辅，水泥-水玻璃双液浆为主。

注浆范围为全部冻结土体。融沉补偿注浆必须要遵循少量、多次、多点、均匀的原则。单孔每次注浆量为100～300L，注浆压力不得大于0.5MPa。

融沉注浆一方面要保证冻土全部融化，融化时间一般为3～4个月，另一方面以沉降控制，当24h内联络通道顶部地面沉降观测值大于0.5mm，或累计沉降观测值大于3mm时，需立即进行融沉补偿注浆;当联络通道顶部地面累计隆起3mm，应立即停止注浆。具体施工参数要根据地面变形监测情况随时进行调整。

3.6 工程监测

冷冻法的全部施工过程，包括冻结开始到掘进，以及永久支护结构成型的整个时间段，被冻结的土体热力學性质发生了剧烈的变化，并对施工环境产生了一定的影响。施工监控量测为随时掌握和控制施工过程中的参数调整提供了主要依据，是工程安全的重要保障。

主要监测内容有：冻结孔偏斜冻结器密封性能监测、温度监测、压力监测、盐水流量与盐水温度监测、冻土帷幕监测等。

4 冷冻法施工注意事项及关键点总结

（1）采用金刚石材质的取芯钻在管片点位上开孔，孔口密封装置安装完成后，用冻结管替代钻杆直接钻进，以减少地层中水土流失。（2）为减少冻结孔施工时地层中泥水流失，需使用功率大的钻机进行施工，尽量使用无泥浆钻进。如在钻孔过程中发生泥水流失，成孔后应立即进行补浆充填。（3）由于管片的导热系数比较大，会直接影响隧道管片与冷冻土体的胶接效果，进而影响冻结帷幕的整体稳定性和闭水性。因此，在管片外部增加隔热保温措施，以减缓冷量损失，另可在对侧隧道布置六排冷冻排管。（4）加强冻结过程中的监测。在冻结影响区内布置测温孔，用以正确判断冻结孔是否交圈，同时确定冻结帷幕厚度。对侧隧道管片与附近土体的胶接情况会影响到整个联络通道冻结施工的安全。因此，必须在对侧隧道管片后增设测温点，全面监测管片后冻结帷幕的形成过程。（5）在联络通道的两端设置泄压孔，以削弱土体冻胀对隧道的影响。（6）各冻结孔交圈前，在隧道内设置预应力支架，尽量减少冻胀对现有隧道的影响。（7）开挖前，在联络通道的开挖侧安装安全防护门;联络通道的初期支护完成后，可拆除防护门，并打开对侧隧道的钢管片。（8）在开挖冷冻后的土体时，需加强监测开挖面的温度及冻结壁收敛值，如遇开挖面温度骤升或冻结壁收敛值增大，需立即加强开挖面暴露冻土的保温措施，同时安装型钢拱架，调整开挖工法，同时加强冻结效果。（9）由于冻胀和冻土融沉效果强烈，会影响到冻土周边土层受力体系的平衡，进而隧道容易发生水平位移、沉降和收敛，因此在整个施工过程中，隧道的监控量测是确保隧道安全的重要措施。（10）应提前在隧道衬砌层中预埋注浆管，以便后期对土层融沉注浆补偿，注浆应与冻结帷幕融化的过程协调同步进行。（11）加强在冷冻法施工区域内的既有地面建筑和管线的实时监测。

5 结语

徐州轨道交通2号线一期工程沿线地质条件复杂，主要分布有全新统冲积粉砂、粉土，多为轻微液化～中等液化土层，且厚度变化较大，总体上工程性质较差。区间泵房及联络通道多数设计为盾构隧道贯通后的暗挖施工，在徐州市同类工程施工中，当采用三轴搅拌桩地面加固或洞内超前小导管洞内注浆加固并辅以降水施工等施工方案时，暗挖施工极易引发涌水、涌砂、塌方等工程灾害，严重时后果不可估量。

在具有轻微～中等液化的粉土、砂土中，采用冷冻法进行泵房及联络通道暗挖施工，成功避免了此类地层不易加固的缺陷。汉源大道站～新元大道站区间泵房及联络通道采用冷冻法施工，历时120天，完成从冷冻站设置到衬砌浇筑等主要施工工序，是此类不良地质条件下暗挖施工的成功范例之一，可为类似施工提供借鉴和参考。

参考文献

[1] 中煤科工集团南京设计研究院有限公司.联络通道冻结设计图[Z].2019.

[2] 王胜利，李宁，赵王明.复杂地层地铁旁通道冻结孔施工技术[J].现代隧道技术，2009（04）：89-93.

[3] 李荣智，陈馈，史基盛.南京地铁联络通道冷冻法施工技术[J].建筑机械化，2004，25（2）：33-35.