冻结法施工在商合杭高铁邻近铁路既有线施工条件下的应用

刘燕明

摘要：随着我国高铁网建设，邻近既有线条件进行深基坑施工是经常遇到的情况，针对邻近既有线严禁水土流失，设备高度受限等，常规钻孔桩加止水帷幕造价高昂且存在许多弊端，商合杭高铁商丘站旅客地道出入口基坑采用冻结法施工，避免了水土流失和设备受限，大幅缩减了工期，对今后邻近营业线基坑施工具有教强指导意义。

Abstract： With the construction of China's high-speed rail network， the construction of deep foundation pits adjacent to existing lines is often encountered. For the adjacent existing lines， soil erosion is strictly prohibited， the height of equipment is limited， and the cost of conventional bored piles plus water curtains is high and there are many drawbacks. The foundation pit of the passenger tunnel entrance and exit of Shangqiu-Hefei-Hangzhou High-speed Railway Shangqiu Station is constructed by freezing method， which avoids soil erosion and equipment limitation， and greatly shortens the construction period.

关键词：冻结法;邻近既有线施工;应用

Key words： freezing method;construction adjacent to existing lines;application

中图分类号：U233                                          文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0188-03

1  工程概况

商合杭高铁商丘站七、八站台旅客地道出入口为郑徐客专预留接口条件，由于郑徐客专已投入使用，且地道出入口结构紧邻郑徐客专股道和高铁站房，为邻近营业线A类施工，地基沉降变形和水土流失要求极为严格，作业设备也受限。旅客地道出入口所处工程地质为杂填土和饱和粉土，极易发生突水冒泥。旅客地道出入口结构总高度分别为12.31m（含集水井），其中地面以上部分3.31m，地面以下部分分别约为8.73m。

工程地质条件：地面以下0～1.7m为杂填土，主要以建筑垃圾为主，充填约30%的粉土;1.7～9.4m为粉土，σ0=120kPa，褐黄色，密实，潮湿，其中7.2～7.5m为粉质粘土夹层;9.4～19.2m，粉质粘土，σ0=140kPa，褐黄色，11.3m以上灰褐色，硬塑，含铁锰质氧化物及零星姜石，其中14.6～15.4m含姜石量约占5%，一般粒径2～3mm，最大粒径10mm，其中18.3～18.7m为粉土夹层。

2  施工方案选择及冻结设计依据

根据郑徐场施工经验，结合邻近营业线施工特点，出入口结构基坑关键是保证不发生水土流失和控制既有设备部发生沉降变形，拟采取冻结法加固土体及封水，然后用明挖法进行出入口地面以下部分的开挖构筑施工。

2.1 施工方案选择的基本原则

①冻结加固技术性能必须满足出入口通道施工的安全和质量要求;

②冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性;

③施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力;

④施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。

2.2 施工方案选择

依据提供的地质资料以及类似工程中的经验，确定采用周边垂直孔冻结和利用底部粘土层隔水法进行封水及加固。

2.3 冻结设计的依据

①出入口的宽度，左侧出入口为带集水井的，结构宽度最大处为6600mm，右侧为不带集水井的，结构宽度最大处为7100mm，实际开挖时要在结构宽度外侧留有1200～1500mm的空间。

②出入口地面以下部分长度分别为21m（带集水井），考虑靠近地面位置无地下水，因此只需冻结至楼梯第二个平台处。

③出入口地面以下埋深分别约为8.73m（含集水井）。

④地质资料显示：地面以下9.4～19.2m为粉质粘土，σ0=140kPa，褐黄色，11.3m以上灰褐色，硬塑。

3  冻结设计

根据土层性质计算，冻结壁设计厚度1.8m，根据施工需求冻结深度为13m。

3.1 冻结孔布置

带集水井的出入口的冻结孔的布置确定在14700*10800的矩形范围内，共设计54个主冻结孔，深度13m，单排孔部分的孔间距为900mm，双排孔部分的孔间距为1000mm;开挖深度超过5m范围的冻结孔的外侧增加一排辅助孔，该出入口外侧辅助孔设计24个，深度11米，辅助孔与主排孔的排间距为750mm，孔位与主排孔间隔布置，孔间距1000mm，与相邻主排孔的间距为901mm。

不带集水井的出入口的冻结孔布置确定在8100*10800的矩形范围内，共设计42个主冻结孔，深度13m，孔间距为900mm;开挖深度超过5m范围的冻结孔的外侧增加一排辅助孔，该出入口外侧辅助孔设计8个，深度8m，辅助孔与主排孔的排间距为750mm，孔位与主排孔间隔布置，孔间距900mm，与相邻主排孔的间距为875mm。

冻结管规格选用Φ108×4mm无缝钢管。

两个出入口的冻结孔布置如图3。

3.2 测温孔布置

每个出入口设计测温孔4个，深度均为13m，分别布置在矩形冻结范围的四个冻结面，为确保测温孔温度监测的实用性，在每个测温孔内布设不少于5个测点，测温孔布置位置根据现场实际而定。

①测温孔管选用：Φ57×3.5mm无缝钢管;

②测温孔管底端焊接密封装置，确保管内不得渗水。

3.3 水文孔布置

每个出入口在冻结帷幕封闭区域内各布置1个水文孔，深度7m。另外在冻结范围以外也布置一个深度相同的水文观测孔，用来对比。

水文孔管选用Φ108×4mm无缝钢管;底端焊接底锥，在含水层位置设置花管，并缠尼龙纱网。

3.4 冻结需冷量计算

3.4.1 设计参数

①积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃。

②冻结时间：开挖前积极冻结期45天，开挖后维护期30天（暂定）。

③冻结孔单孔（串孔）流量不小于5m3/h。

3.4.2 冻结需冷量计算（按一个站台的两个出入口计算）

Q=π·d·H·K

式中：H—冻结管总长度：1576m;

d—冻结管直径：Φ108mm;

K—冻结管散热系数：350。

将上述参数代入公式得出需冷量如下：

18.72×104Kcal/h

3.4.3 冻结站最大需冷量计算

Qmax =1.15Q=21.52×104Kcal/h

3.5 主要冻结技术参数

主要冻结技术参数见表1。

4  冻结制冷设计

4.1 冻结设备选型

4.1.1 制冷机组选型

根据最大需冷量，选择CWZ290型（或同等制冷能力的）盐水机组3台（其中2台运转，1台备用），该机组单台制冷量为11×104Kcal/h，电机功率137kW。

4.1.2 盐水泵选型

根据盐水总循环量，选用IS200-150离心式水泵（单台功率30kW）3台作为盐水泵（两台运转，一台备用）。

盐水管路选用Φ159×5mm无缝钢管。

4.1.3 清水泵选型

根据冷却水总循环量，选用IRG150-250离心式管道泵（单台功率15kW）3台作为清水泵（2台运转，一台备用），配套使用4台KST-80型冷却塔。（表2）

5  经验总结

5.1 主要风险点

①因冻结土体必须在持续供冷的情况下才能维持冻结帷幕的稳定，当一旦发生停电，停水及冻结设备故障时，冻结站不能正常运行，会造成冻结帷幕的融化，有效厚度减少，温度上升而强度降低，甚至发生薄弱环节漏水等风险。

②冻结状态下的基坑临时支护与深基坑支护。

③部分冻结管穿过出入口结构，或影响到结构施工，在割除这些冻结管后冻结壁会逐渐融化。

④由于该站地道主通道已经建成，施工过程中应采取有效措施控制冻胀，避免因冻胀对既有通道产生位移。

5.2 主要风险的控制措施

①防止冻结不连续控制措施。

主要冻结设备全部留有备份，并联安装，当发生设备故障时，做到及时启动。开挖期在现场备发电机组，防止意外的长时间停电影响或现场采用第二线路电源。在现场采用大蓄水池，以满足停水后不少于2天的水量需求。

②初期开挖时，受外界温度影响，开挖后的侧壁可能会产生片帮，应采取相关措施（如搭设遮阳棚，钉保温板，側帮喷浆支护等）防止开挖侧片帮。

③合理调整施工工序，保证在割除影响结构施工的冻结管后3日内完成结构施工。

④为控制冻胀的影响，主要采取如下几点方面的措施：

靠近已有通道的部分冻结孔采用局部冻结方式（左侧Z19～Z25号孔，右侧Z34～Z40号孔），上部5.5m为非冻结段，尽量减少冻胀对已有通道结构的影响。

靠近已有通道结构两侧的个别冻结孔（左侧Z15和Z29号孔，右侧Z2和Z30号孔）滞后于其它冻结孔开启5～7天，形成暂时冻结窗口释放部分冻胀力。

考虑在既有通道内部，靠近冻结管600～1000mm范围打若干泄压孔，孔口装设球阀，该孔冻结期间主要用来释放靠近既有结构的冻结管对结构底部形成的冻胀力，冻结结束后可以作为注浆孔。

根据测温孔温度变化情况，当冻结壁厚度达到设计要求后即调整盐水温度，控制冻土继续发展。

冻结停止后，结合冻结体的融化，及时对地层进行补注浆，控制融沉危害。

参考文献：

[1]GB/T51277-2018，矿山立井冻结法施工及质量验收标准[S].2018.

[2]李岩.竖向直排冻结条件水平东张立研究[J].岩土力学，2013.

[3]郑州铁路局铁路营业线施工安全管理实施细则（郑铁办[2013]50号.