沿江隧道联络通道冻结施工技术

付财

摘要：以上海黄浦江底某地铁联络通道冻结法施工为背景，本文详细介绍了该联络通道的冻结设计，钻孔施工方法及过程控制要点，积极冻结过程中防冻胀措施，开挖构筑施工，并介绍了冻结孔割管封堵方法，为以后类似工程提供了借鉴。

Abstract： Based on freezing construction of subway cross passage in the condition of under river in Shanghai， this paper introduces whole process of design， drilling method and the main control key points， the measures to prevent frost heave in the period of frozen wall formation， excavation and construction， the method to cut off the freezing hole. This paper provides reference for similar proiects in the future.

关键词：地鐵;联络通道;冻结法;江底

Key words： subways;cross passage;freezing method;under river

中图分类号：U231+.3                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）24-0167-03

0  引言

在城市地铁区间隧道规划设计中，上下行隧道之间通常需要设计联络通道。联络通道因其紧急疏散和汇集、排放区间积水的双重功能而被相辅应用。地层冻结法由于其具有止水性、较高冻土强度和对复杂地层适应性等特点，已成为地铁联络通道的主要施工方法。常规联络通道的冻结法设计与施工技术已较为成熟，但在超埋深、承压含水层、特殊周围环境等复杂条件下联络通道工程，仍面临着亟待解决的技术难题[1-4]。

本文通过工程实例，详细介绍了在上海黄浦江江底采用冻结法施工的某地铁联络通道设计、施工的全过程，以期为类似工程提供经验。

1  工程概况及施工难点

1.1 工程概况

上海轨道交通某联络通道及泵站位于黄浦江河道，其中心里程为SK33+341.250（XK33+342.779），隧道中心标高-26.023m（-26.022m），联络通道线及泵站线间距12m。联络通道喇叭口顶部上覆土厚度27.239m。采用水平冻结法加固地层，矿山暗挖法施工。通道采用复合式衬砌结构，初期支护与二次衬砌之间设置防水层。联络通道处于黄浦江河道并且位于⑥粉质粘土层、⑦1-1砂质粉土夹粉质粘土层、⑧1-1粉质粘土层中。联络通道及泵站初期支护厚度200mm，二衬厚度侧墙为500mm，拱顶为400mm。

1.2 工程施工难点

根据地质勘察报告，该处土层土质条件差，具有高含水量、高灵敏度、高压缩性、低强度等特点。其中⑦1-1承压水层的承压水位一般均低于潜水位，承压水头一般呈周期性变化，随季节、气候、湖汐等因素而有所变化。其主要施工难点有：

①周边环境复杂：联络通道及泵站位于黄浦江河道，结构顶部覆土8m左右，江水水深14.2m，结构承受的水压大，抗渗要求高。

②结构施工困难：结构施工环境差，空间狭小，通道拱顶混凝土不易浇捣密实，要保证结构不渗漏水难度较大。

③冻结孔封堵强度要求高：联络通道及泵站位于黄浦江河道，且联络通道所处土层为⑦1-1承压水层，水土压力大。若冻结孔封堵强度达不到设计要求，在冻土解冻后封堵部位很有可能出现渗漏滴水现象，甚至出现堵漏体整体脱落情况，对后期隧道运营造成重大安全隐患。

如何进行冻结法的设计和施工，确保钻孔施工的安全，并保证冻结壁厚度能满足开挖施工的安全，控制冻胀和融沉，以及如何进行冻结孔的封堵，避免土体化冻后冻结孔渗漏出水情况，确保后期地铁运营的安全是本工程的重点。

2  冻结设计

2.1 设计计算参数的选取

参考国内类似工程经验，采用有限元法方法经验算，确定冻土壁有效厚度为2.5m，冻土壁平均温度为小于等于-13℃。设计取-13℃冻土的弹性模量和泊松比分别为250MPa和0.25，冻土强度指标为：抗压4.9MPa，抗折2.3MPa，抗剪1.8MPa。

2.2 冻土帷幕承载力验算

水平通道冻土帷幕力学分析采用均质线弹性模型，经计算，上部冻结壁受压为0.478MPa;侧墙上部、下步承受水平地压为0.393MPa、0.424MPa。用有限元法进行冻土帷幕的受力分析与变形计算，计算结果如图1所示。

从计算结果可以看出，压应力为1.39MPa，许用应力为4.9MPa，安全系数为3.53;拉应力为0.59MPa。许用应力为2.3MPa，安全系数为3.9;计算的应力值远小于强度值，冻土帷幕的总体承载能力是足够的。冻土帷幕内侧局部存在应力集中，但是范围很小且冻土帷幕角部是圆弧过渡的，并且冻土帷幕中间尚有土体或支撑，因此是安全的。同理可对集水井冻结壁进行验算，结算结果满足需求。

通过有限元计算，冻结壁强度和位移均满足强度要求，设计采用冻结帷幕厚度2.5m，平均温度-13℃能够满足施工要求。

2.3 冻结设计

针对本工程的工程特点及施工控制要求，积极冻结期为55d，主面冻结孔个数59个，共布置18个测温孔，4个泄压孔，冻结壁设计有效厚度为2.5m，平均温度小于等于-13℃。冻结孔布置如图2所示。

3  冻结法施工

3.1 施工流程

施工准备→冻结孔钻进→冻结管路连接→积极冻结→冻结效果分析→探孔检验→开挖施工→构筑施工→融沉注浆。

3.2 冻结孔施工

①联络通道透孔施工是钻孔阶段的关键风险环节，本联络通道处于黄浦江河道并且⑦1-1承压水层中，为确保钻孔施工的安全，钻孔施工前首先对联络通道中心两侧各20环范围的管片进行二次补偿注浆，注浆材料采用单液水泥浆。②其次根据盾构推进数据及第三方轴线复测数据，对联络通道位置的隧道里程、高程和轴线偏差量进行复测，确保冻结孔开孔位置的准确。③孔位确认无误后进行孔口管的安装。本工程冻结孔基本都处于钢管片上，孔口管采用Φ121mm低碳钢无缝钢管，长度450mm。孔口管安装至钢管片底部后，孔口管与钢管片间采用4根直径为12mm钢筋进行焊接固定。固定完毕后采用微膨胀水泥对钢格仓进行充填，充填厚度250mm。钻孔格仓内侧焊接6mm厚环形钢板，钢板焊接完成后与格仓表面齐平。④对于水泥管片上安装的孔口管，孔口管外围均匀布置4根M12的膨胀螺栓，并于孔口管进行点焊连接。⑤孔口管安装完成后，为了确保开孔及钻孔过程的安全，需要在孔口管上安裝球阀和孔口防喷装置[5]。⑥管片开透后，利用H190型夯管锤进行夯管成孔，利用经纬仪灯光测斜法进行冻结孔测斜工作。⑦为保证冻结站对侧冻结管路的流量，设置4个Φ108×8mm透孔，材质为低碳钢无缝钢管，采用丝扣对焊连接。其余冻结管选用Φ89×8mm低碳钢无缝钢管，采用内节箍对焊连接。供液管采用Φ48×4.5mm焊接钢管。卸压孔选用Φ89×8mm低碳无缝钢管，采取内接箍对焊连接，管壁采用花管形式，管端部安装单向阀。测温管选用Φ89*8mm的低碳钢无缝钢管。⑧每个冻结孔施工完毕后，利用孔口管预留旁通阀对孔口管与冻结管间的环形空间进行注浆，注浆先采用水灰比0.8：1的水泥单液浆，再采用水泥-水玻璃双液浆进行封孔，水泥浆与水玻璃浆体积比为1：1，水泥浆水灰比为1：1。注浆过程中注浆压力不要超过水土压力的2倍。⑨所有冻结孔施工完成后进行管路打压试漏，试压合格后进行安装工作。

3.3 积极冻结

为了减少钢格仓与外界的热对流传导，冻结管路安装完毕后，对所有非钻孔格仓进行挂网喷浆充填，然后利用保温板对冻结壁边界外1m范围内的所有隧道管片进行保温，保温板的导热系数不大于0.04W/m·h，吸水率不大于2%，厚度50mm。保温板材采用专用胶水密贴在隧道管片上，粘结牢固，板材之间不得有缝隙。所有安装完成后进行设备调试及试运转，试运转正常后转入正式冻结。

为了减小冻胀对隧道管片的影响，采取了一系列的措施：①采用低温快速冻结的方式。积极冻结5天，盐水温度降至-18℃。积极冻结13天，盐水温度降至-24℃。②冻结15天时，将上下行线的隧道预应力支撑安装完成。③根据泄压孔压力变化情况，及时进行泄压作业。

冻结过程中，为了防止盐水漏失，在盐水箱安装了液位报警器，实时监测盐水液位的变化情况;并引入自动监测系统，实时对测温孔数据进行记录，还可对去回路盐水温度、去回路清水温度等参数进行实时记录。

3.4 开挖构筑施工

积极冻结55天，通过测温孔温度数据计算，并结合泄压孔压力变化情况、探孔检测情况分析，冻结效果达到设计要求。其他开挖准备工作就绪后，进行试挖。试挖窗口尺寸为400mm*400mm，挖深500mm后，开挖区域内土体干燥、自立，可见零星霜迹，经分析具备正式开挖条件。

正式开挖采取分区方式进行施工。将联络通道分为通道内和集水井两区进行开挖，即完成通道的开挖及初期支护和二次衬砌，且通道衬砌混凝土浇筑完毕2天后，再进行集水井开挖及初期支护和二次衬砌施工。

开挖采用短段掘砌技术，严格控制开挖步距，并及时安装临时钢支架、铺设木背板及挂网喷浆。开挖施工完成后，进行防水施工。防水采用塑料防水板进行全包防水处理，缓冲层采用土工布。

防水施工完成后进行钢筋绑扎，钢筋绑扎完成后进行钢模板的安装，最后利用混凝土输送泵进行混凝土的浇筑。

上部通道混凝土浇筑完成后养护48小时后进行集水井的开挖及构筑施工。

根据本工程的风险等级，隧道防护门在通道结构完成后仍予以保留。集水井结构完成后，才进行的防护门和对侧钢管片的拆除。

3.5 冻结孔割除封孔及充填注浆

结构全部浇筑完成即可进行停冻及冻结孔割除工作。由于本工程风险等级为一级，各组冻结孔停冻与冻结孔割除相配合，按冻结孔分组，逐个停冻。

观察冻结孔无渗漏后割除钢管片格仓顶部6mm厚的钢板，破除充填层，割除格仓内孔口管及冻结管。

对遗弃在地层中的冻结管应进行充填，充填前利用压缩空气排除冻结管内盐水。充填冻结管材料采用强度等级为M10的水泥砂浆，对上仰角的冻结管充填长度不小于管口以内1.5m，对下俯角的冻结管全段充填。

钻孔钢格仓内孔口管割除部位采用10mm厚钢板进行焊接封堵，焊缝及钢格仓一周涂抹遇水膨胀止水胶，然后用圆钢对格仓进行挂网，最后采用C30硫铝酸盐微膨胀水泥对格仓进行充填并找平。

充填注浆采用1：1单液水泥浆，按由下而上的顺序进行，当上一层注浆孔连续返浆后可停止下一层注浆，直至注到拱顶结束。

3.6 地层融沉注浆

结构施工完成后进行了4个月的融沉补偿注浆工作，注浆浆液以水泥-水玻璃双液浆为主，遵循多点、少量、多次、均匀的原则，注浆范围为整个冻结区域。

4  结语

本工程目前已全部结束，根据监测结果分析，整个冻结及开挖构筑期间隧道收敛变形均控制在设计允许范围内，所有割除的冻结孔表观质量较好，无明显渗漏水或开裂现象。对以后类似工程，有以下几点建议：①复杂地层的联络通道工程，进行冻结法设计时，需充分考虑地层条件的影响，并进行合理的验算。②在富水承压土层中进行钻孔施工时，有必要对联络通道区域管片进行二次补偿注浆，同时为确保钻孔施工的安全，应采用二次开孔的方式，并安装孔口密封装置。要特别重视孔口管的安装及固定工作，防止冻结过程中受外力影响导致孔口管脱落。③在积极冻结过程中，要采取有效的措施对冻胀进行控制，尤其涉及到近接冻结、大体量冻结等特殊工程。冻结完成后，要及时进行冻结孔的割除及封堵工作。

参考文献：

[1]杨平，陈瑾，张尚贵，等.软弱地层联络通道冻结法施工温度及位移场全程实测研究[J].岩土工程学报，2017，39（12）：2226-2233.

[2]王书磊.超埋深地铁联络通道冻结法设计与施工[J].建井技术，2016，37（1）：49-54.

[3]李亚巍，王琛，余群舟.武汉江底高承压水联络通道施工风险控制[J].施工技术，2016，45（7）：118-122.

[4]李方政.市政冻结技术的应用与展望[J].建井技术，2017，38（4）：55-60.

[5]王胜利，李宁，赵玉明.复杂地层地铁旁通道冻结孔施工技术[J].现代隧道技术，2009，46（4）：89-93.