冻结法在富水砂层地铁联络通道施工中的应用

刘海鹏

中煤特殊凿井有限责任公司 安徽淮北 235000

冻结法加固土体、矿山法暗挖已成为地铁隧道单侧泵站的主要施工方法。但土体在冻结过程中体积会发生膨胀，解冻融化过程中由于冻土体排水固结、冻土体积减小，会引起较大的压密沉降和地表融沉，对隧道、道路管线和附近建筑造成一定的影响。地铁隧道单侧泵站结构完成后，常规的自然解冻及跟踪注浆的工法，一般需要4-6 个月时间。由于冻结壁自然解冻持续时间长，后期地层的融沉注浆质量难以得到有效保证。现实中地铁隧道旁通道及侧向泵站施工还面临着铺轨施工工期和进度的考验，冻结法施工沉降未稳定就铺设轨道道床，后期将面临道床与隧道一起沉降的问题，影响列车通车上线调试和运行安全。因此，加快冻土体解冻的速度，有效控制隧道融沉，成为当前急需解决的问题。采取快融注浆的方法就是利用原冻结管及部分原盐水循环系统，将冻结管中的冷盐水换成热盐水进行循环，使冻结土体的温度逐渐上升，冻土中的冰快速融化，达到快速解冻土体、缩短融沉时间的目的。在快速解冻过程中，需要及时跟踪注浆控制沉降，保护好隧道及地面环境。

1 冻结加固工艺原理

冻结法在地层加固领域得到了广泛应用，其主要以人工制冷技术为核心搭建冻结管系统，通过低温冷媒在其中循环，将产生的冷量持续向现场地层传递，可使土体水分温度达到冰点的温度要求，最终结冰。然后利用冰的胶结作用，使土体形成一个不透水的整体结构，以大幅度增强土体的强度、稳定性和抗渗性，从而形成隔绝地下水的屏障，有效抵抗岩土压力，进而实现安全的开挖和支护作业。以制冷方式为依据，冻结法可细分为循环制冷和直接制冷两种方式。其中，循环制冷的核心工作思路在于将氨或氟利昂作为制冷剂，盐水作为冷媒。该方式造价低，使用较为普遍。直接制冷所采用的制冷剂则是低温液氮等相关材料，在泵装置的作用下传输低温液体，使其经由冻结管后作用于地层，使地层转为冻结状态。考虑循环式制冷方式和直接制冷方式两种冻结方式的特点，该工程决定采用循环式制冷方式冻结法进行施工。循环式制冷方式得以运行的核心在于得到制冷剂循环、冷却水循环及冷媒水循环三个循环的协同配合。

2 冻结孔施工

先施工透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整钻进参数。然后根据联络通道施工的孔位，采用由下向上的顺序进行施工，这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。

（1）定位开孔及孔口管安装：在凿平孔口区域布设4 个φ12mm 膨胀螺栓，在鱼鳞扣上紧密缠绕麻丝，砸入孔口管后，将其与膨胀螺栓稳定连接，再安装DN125 闸阀，经二次开孔后，完全穿透砼管片。

（2）孔口装置安装：根据要求选择孔口装置，将其稳定安装至闸阀上，并配置适量密封垫片。

（3）钻孔：钻孔作业所用设备为MD-80 型钻机，在施工中要合理调整好钻机的位置，对其采取固定措施，使钻头有效进入孔口装置内。若无误，则将盘根压在盘根盒内。

（4）封闭孔底部：封堵孔底（可通过接长杆将丝堵至孔内）。

（5）测量：全面检测冻结管，明确其长度情况，再组织测斜作业，保证偏斜率≤1%。

（6）打压试验：封闭孔口，借助手压泵打水入孔。随着水压的持续提升，待该值达到0．8MPa 并满足至少为冻结工作面盐水压力1．5 倍的要求后，便可暂停打压。此后检验打压效果，紧闭阀门，持续观测30min，保证该期间降压量≤0．05MPa。

3 工程质量与安全技术保证措施

3.1 预防冻结孔施工漏水的措施

首先，应采用二次开孔工艺，使用膨胀螺丝对孔口管进行固定处理，并在管口位置安装好阀门。其次，应先充填钢管片格仓并焊上盖板后再在钢管片上开孔。与此同时，处理冻结管时，应使用夯管法进行处理，夯管过程中，必须确保安装孔口密封压紧装置与水平钻进法相同。最后，应事先准备好冻结管盖板与橡胶止浆塞，如果冻结管发生破裂，则对其进行及时的封堵。

3.2 冻结孔施工安全质量技术措施

首先，应准确找到需要进行开孔的孔位，并在隧道两边分别布设点位，从而为施工中的校验、控制冻结孔等工作的开展。同时，应增加钻机到开口之间的距离，并架设孔外导向装置和开口短导向管，以此降低开孔后误差。其次，考虑到管片中钢筋的密集程度，使用开孔器进行开孔之前，应按照管片施工图准确找到隧道管片中结构钢筋的位置，从而避开钢筋，并对开孔位置进行调整，确保其与设计之间的偏差控制在100mm 以内。最后，进行第一个冻结孔施工时，应对地层钻进过程中的参数变化情况进行分析与观察，详细检查与观测地质、水文情况，如有发生异常，应立即采取针对性措施进行处理。

3.3 地层冻结安全质量技术措施

对地层冻结安全质量进行控制时，如果冻结孔偏斜较大，可增设辅助冻结孔，确保冻土帷幕不留薄弱环节。同时，选择效率高、体积小、制冷量大、便于运输安装和操作控制的螺杆冷冻机组，并采用串并联循环方式，加大盐水在冻结管内的流量，加快冻结管的热交换。

3.4 冻结孔钻进

一般情况下，进行冻结孔钻进施工时，应先安装简易钻头，直接进行无水钻进。无法进行深入钻进时，应在钻头位置安装单向阀门，使用带水钻进的方法继续进行钻进。当冻结管达到设计深度后，对单向阀进行冲洗，并对冻结管的端部进行密封处理。为了确保钻进精度符合要求，应对开孔段进行精准的控制。钻进前2m 时，必须对冻结管的方向进行反复核对，而后对钻机的位置进行适当的调整，并在确保经经纬仪、精密罗盘检测无偏移等问题后，才能够继续进行钻进。按照冻结孔实际的施工位置，合理的调整钻机的位置，并将其固定好，完成固定后，将钻头装入到孔口装置中，在盘根盒内轻压盘根，钻进的过程中，应先使用干式钻进法，当钻进比较难时，且无法前进，则应使用注水式钻进法，并打开小阀门，对出水、出砂情况进行观察，通过控制阀门开关控制出浆量，保证地面安全，避免出现地面下沉的情况。冻结管下入孔内前要先配管，保证冻结管同心度。下好冻结管后，采用经纬仪灯光测斜法检测，然后复测冻结孔深度，并进行打压试漏。冻结孔试漏压力控制在0．8-1．0MPa，稳定15min 压力无变化或前15min 压降＜0．05MPa，后15min 不降为试压合格。在冻结管内下入供液管。供液管底端连接150mm 长的支架，准8mm 钢筋焊接。然后安装去、回路羊角和冻结管端盖。冻结管安装完毕后，用堵漏材料密封冻结管与孔口管之间的间隙，然后拆卸孔口密封装置。

3.5 管路连接、保温与测试仪表

取隧道管片斜坡的位置，于该处搭建具有足够稳定性的管架，再设置盐水管。为加强对管道与冷却水循环管路连接部分的处理，可在该处设置伸缩接头等附件。围绕盐水管路展开试漏及清洗作业，再利用阻燃材料保温，形成厚度约50mm 的保温层，于外侧包扎阻燃布，实现全方位的防护。集配液管与冻结管的连接处可设置高压胶管，冻结管各进出口均需安装阀门，目的在于后期能根据实际需求及时调整流量。部分冻结管位于联络通道四周，可将该部分按照4 个/组的方式串联，剩余冻结管各组数量以5-6 个为宜。各组均配置集配液管，对冻结器接口依次编号。

4 结语

（1）快速解冻采用双盐水箱设置，先用低温盐水循环，并逐步加热到30℃的热盐水循环0．5h 后，再转换至加热到70℃的盐水箱进行循环解冻，可有效地控制断管风险，整个盐水加热解冻期间没有出现断管的现象。

（2）加强监测并及时注浆是有效控制隧道及地面沉降的保证，根据隧道、地面、管线以及建筑物的沉降和解冻温度场的监测，实时掌握解冻发展情况，调整注浆量和注浆时间间隔，保证冻土融化空间的及时填充，从而减小隧道和地面沉降。

（3）快速解冻不需要拔出冻结管安装注浆花管，可在拆除冻结站后组织实施，既减少了用电量，也避免了拔出冻结管的施工风险。

（4）合理分区，跳孔连接分组，适时循环热盐水快速解冻，并采取合理的注浆参数（注浆压力、注浆量、流量等）及时注浆，这是保证注浆质量控制隧道及地面沉降稳定的关键。