区间联络通道施工冷冻法技术应用研究

李 杰

(太原市轨道交通发展有限公司,山西 太原 030000)

太原地铁2号线一期工程作为我市轨道交通线网的骨架线路，由南向北依次穿越小店、综改、迎泽、杏花岭和尖草坪五个行政区，起于人民南路站，向北沿人民路、长治路、解放路敷设，止于西涧河站。2号线一期工程线路全长23.647 km，共设车站23座，其中换乘站7座。区间隧道的联络通道埋深较大，采用旋喷桩进行地层加固质量较难保证，施工风险较大。本联络通道所处地层主要为中砂、粉质黏土层，地下水埋深6.85 m～9.41 m。该区间主要位于长治路上，勘察揭露的人工填土为杂填土和素填土，松散，干燥，欠压实，自稳性差，吸水性较好，综上所述：本联络通道采用冷冻法加固，矿山法施工。

1 工程概述

轨道交通2号线一期工程学府街—长风街盾构区间，区间右线总长917.775 m(左线917.819 m)。根据线路设计在458.8 m处设置一处逃生使用的区间联络通道以及废水泵房。联络通道的水平线间的距离为14.2 m，顶部覆土约为18.94 m，地下水位埋深约为9.1 m。

联络通道结构为曲拱直墙断面，覆土厚度约19 m，待隧道贯通后采用矿山法施工。联络通道暗埋段净宽设计为2.80 m，净高2.90 m。支护结构型式为复合式衬砌，初期支护由300 mm厚C25喷射混凝土格栅钢架、钢筋网组成；二次衬砌实施采用设计C45P10标准的模筑防水混凝土，在初期支护并二次衬砌间以全包式防水隔离层隔离。

2 施工方案选择及工艺

2.1 方案和工艺流程简介

1)区间联络通道在加固土体的过程中可以采用冻结法施工，首先以工业盐水作为冷媒，通过埋入通道外围的冻结管将联络通道周圈土体不断降温形成物理力学性能更好的冻土，实现封闭的可承受外部水土压力的冻土帷幕结构，结合实体冻结的方式对集水井进行冻结，最后在冻土帷幕结构中开始联络通道及泵房的施工掘砌。本文着重对区间联络通道采用冻结法的冻结帷幕、强度校验、安全系数校验以及冷冻工艺等环节进行介绍。

施工组织设计需结合详细的地质勘探文件、周边环境现状确定，故采用“隧道内水平盐水冷冻+矿山法人工暗挖”的工艺工法。详细措施如下：

首先进行水平钻孔和部分倾斜钻孔，再向冻结管内注入工业盐水，通过制冷设备，使隧道区间之间的土层冻结加固，随后再将联络通道和泵房开挖面的周边土体冷冻，最终形成具有全方位截断地下水、支撑强度高等特征的冻土帷幕。

2)在冻结帷幕的保护下，采用矿山法人工水平开挖联络通道，随挖随支，通道结构完成后，再向下开挖泵房结构。此项工程施工的关键环节包括冻结孔施工和联络通道的初期支护等。施工管理的重要控制点为供液管的敷设以及与管片之间的连接情况；还包括：冻结帷幕温度监测、卸压孔监测、冻结效果评估检测、联络通道开挖支护等特殊工序的管理。

2.2 冻结帷幕力学模型

根据地质资料，学府街站—长风街站区间联络通道埋深18.94 m，埋深最大，计算联络通道垂直土压力(P)、侧向下荷载(Px)、侧向上荷载(Ps)、公式如下(注：由于冻胀，土体向上膨胀，上、下垂直方向土压力、上部土体被动土压力应对应相等):

P=γ·H=γ·(Ho+Hx)+20=312.7 kPa;

Pcs=ξ·Ps=234.9 kPa;

Pcx=ξ·Px=293.1 kPa。

其中，侧压力系数取0.56；h为开挖净高+冻土厚度。

冻土帷幕设计厚度为2 m+x，通道开挖轮廓5.40 m×4.30 m，通过计算结构内部弯矩、轴力，求取截面内压应力、拉应力、剪应力。

2.3 各截面弯矩及轴力

各截面弯矩及轴力见表1。

2.4 强度校验及安全系数校验

强度校验及安全系数校验见表2。

表2 联络通道中部冻土结构各截面安全系数

表2中安全系数K为冻土的强度与相应冻土结构在相关位置上应力的比值。联络通道断面所属土层以粉细砂层、粉质黏土、黏质粉土层为主，冻土强度以平均冻土的温度在-10 ℃时的粉质黏土为准，σ压=4.5 MPa,σ拉=2.2 MPa,τ剪=2.0 MPa。表2中数据显示，各截面的压应力的安全系数K=2.3以上，拉应力安全系数值K=3.4，剪应力安全系数K=2.7，安全，冻结壁厚度选取2 m+x厚能满足全断面开挖要求。

2.5 冻结施工

2.5.1管片壁后二次预注浆

为确保联络通道工程的安全有序进行，降低钻孔过程中施工风险，在打钻安装冻结管前应进行管片壁后的预注浆环节。预注浆范围为联络通道两侧各10环管片，左右线共计40环范围内压注水泥浆液。注浆量根据管片后土质情况及前期注浆情况确定，注浆压力不超过0.25 MPa。

壁后预注浆同时也能起到降低后期开挖通道期间风险的作用。

2.5.2冻结孔施工工序

冻结孔打设前对联络通道左右线里程偏差确认并对打孔角度进行修正后打孔。联络通道的方位轴线如图1所示，要先确定出隧道的A点和B点，测量A点和B点的坐标后，以AB的连线作为方位线，做延长线至两侧隧道后管片上，再分别定位出C点和D点，作为施工时定位线。

开孔及终孔测量、封孔、打压试验、冻结孔的施工工序为：

1)定位、开孔：隧道内通过全站仪将各孔位置定位，通过孔位在混凝土管片上定位开孔。

2)孔口管安装：选用工具型号及类型：相应功率匹配的金刚石钻机、φ130 mm金刚石取芯钻头；钻孔深度要求控制在200 mm～250 mm间，不得钻穿混凝土管片，采用钢楔撬断岩心然后取出，将已成品孔口管打入，使用具有至少4个固定点在管片上完成固定，下一步将孔口密封材料安装完成。当每个孔口施工完成后，使用钢板将孔口法兰和冻结管之间间隙焊接成密封整体。

3)钻孔：钻机就位后，钻杆穿入孔口管，钻头部位安装一个特制单向阀门，孔口管上安装旁通阀门，用盘根密封钻杆与孔口管缝隙；在旁通阀观察在钻进时的出水和出砂情况。通过开关旁通阀控制出泥浆量，确保地面安全，控制沉降。

4)封孔：用接长杆在孔的底部将丝堵上，在卸扣时使用反扣将丝堵上紧。

5)打压试验：在冻结管的长度和角度均验收合格之后，再实施打压试漏试验，并将压力控制在1.0 MPa(且不小于冻结工作面盐水压力的1.5倍)时，方可停止打压，将阀门关好，注意观测压力方面的变化，30 min内的压力下降不超过0.05 MPa，并保压15 min以上，若压力不下降，则为合格。

3 结语

通过建立冻结帷幕力学模型和计算各截面弯矩及轴力以及强度校验、安全系数校验等环节，得出冷冻技术的相关数据能够满足现场实际实施。以实验合格的数据通过冷冻施工方案专家评审，方可进行下步现场施工，用理论数据指导工作，用实际情况验证理论数据，保证安全、质量双控。在施工前严格做好技术交底；核查区内的建筑物和管线，以及设施、设备；核查范围内环境、工程地质与水文地质条件合理选择施工机具。