苏州地铁联络通道冻结设计与施工技术研究

李晓超

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 概述

地铁的上、下行两幅隧道之间，出于消防、集排水以及连接两隧道的需要，通常需要设置联络通道，一般在间隔一定的距离进行横向设置。位于地下水丰富土层的联络通道，需要加固其周围的土体，一般在开挖施工前使用冻结法施工工艺，即通过人工制冷技术，使天然的土变为冻土，以这种方法来使土层更加的稳定，使得地下工程的施工安全得到保障。

冻结法施工地铁联络通道，目前在许多大中城市城市已经采用，已形成了一套完整、成熟的施工工艺。所使用的具体方案为:通过对水平和倾斜孔的利用，冻结隧道内的地层，以增加泵房外围和联络通道土体的封闭性，提升其强度，再通过对“新奥法”原理的有效利用，采用矿山法，在冻土中开挖构筑泵站和联络通道。

本文以苏州地铁S1号线鹿城路站～白马泾路站盾构区间联络通道工程为例，针对区间内两座联络通道施工的特点，详细论述了从冻结设计到冻结、开挖、构筑，再到后期融沉注浆整个施工过程的关键技术和控制要点，为今后联络通道冻结法施工提供参考。

2 工程概况

2.1 地铁区间简介

苏州地铁S1号线鹿城路站～白马泾路站区间隧道长约1 228 m(见图1)，设置两座联络通道。1＃联络通道与泵房合建，位置设在里程右DK15+092.230(左DK15+088.744)处，联络通道线间距为14.312 m，联络通道覆土厚度约为17.98 m；2＃联络通道，无泵房，位于里程右DK15+480.00(左DK15+477.369)处，联络通道线间距为11.722 m，联络通道覆土厚度约为15.58 m。

图1 鹿城路站～白马泾路站区间平面图

从结构上看，联络通道为复合式衬砌，断面为直墙拱形，设计图纸暗埋段净宽、高分别为2.50 m和2.75 m，泵房集水池的有效深度为1.20 m。

初期支护所选择的材料为钢筋网、工字钢钢架以及厚度250 mm的C25喷射混凝土，二次衬砌设计为模筑防水钢筋混凝土，厚度为400 mm的C35/P10。

将EVA防水层设置于两层之间，对于带泵房联络通道中泵房与左右线隧道的连接，使用型号为DN200 mm的不锈钢管在结构层底部进行埋设。

2.2 工程地质及水文地质

该工程位于较为平坦的平原地区，该区域内具有较为稳定的地质构造。④2粉土夹粉砂层、④3粉土夹粉质黏土层、⑤1粉质黏土层及⑤2a粉砂层为泵房和联络通道所处的土层，具体见图2。

图2 联络通道兼泵房结构及地质剖面图

孔隙承压、微承压水以及第四纪松散岩类孔隙潜水为工程沿线地下水的类型。①填土、②y淤泥质粉质黏土、⑤1层粉质黏土是潜水主要存在的区域，具有较大的含水量，④2粉土夹粉砂、④3粉砂夹粉土、⑤2粉砂、⑤2a粉土层为微承压水主要存在的区域。

工程场区地下水环境类型为Ⅱ类，对于钢筋混凝土结构来说，地表水、地下潜水能够轻微腐蚀。对于混凝土结构来说，承压、微承压水能够轻微腐蚀；对于钢筋混凝土结构来说，在较长的时间下，承压水能够轻微腐蚀钢筋。

3 冻结设计

3.1 冻结设计参数

(1)冻土帷幕厚度2.0 m；

(2)设计盐水温度为-28～-30℃；

(3)所允许的冻结孔单孔的最低流量为5～7 m3/h；

(4)冻结孔终孔最大间距为1 050 mm，其冻土发展速度和冻结帷幕交圈时间分别为26 mm/d和21 d左右，40 d为达到设计厚度的时间；

(5)使用冻结管规格为φ89×8 mm，型号为20＃低碳无缝钢管，连接方式为使用丝扣进行焊接。用φ42×4 mm的塑料管作为供液管，用φ159×6 mm的无缝钢管作为盐水干管和集配液圈[1]。

3.2 冻结孔布设

在联络通道的周围进行冻结孔的设置，以联络通道泵房结构以及冻结帷幕厚度(2.0 m)为依据，进行三个角度的设置，分别为下俯、近水平和上仰，共设置冻结孔74个，冻结站主侧和对侧隧道内各为50个和24个[2]，具体见图3。

图3 联络通道兼泵房冻结孔布设

3.3 冻结需冷量计算

冻结体系总的需冷量由下式计算:

Q＝1.3×π×d×H×K

式中，H、d和K分别为冻结管总长、直径以及散热系数，d取0.089 mm，K取280 kcal/h˙m2。

计算出本区间1＃和2＃联络通道工程总需冷量分别为58 655 kcal/h和35 685 kcal/h。

4 冻结施工

4.1 冻结孔施工

具体工序:(1)定位开孔；(2)安装孔口管；(3)安装孔口装置；(4)钻孔；(5)测量；(6)对孔底部进行封闭；(7)打压试漏。

冻结孔部分，首先需要进行穿透孔的施工，以此部分的偏差作为后续施工依据，来对钻进的参数进行相应的调整。之后展开施工，从上至下进行，目的是为了使上部地层不受下层冻结孔施工影响，使钻孔过程中尽可能减少事故出现[3]。

为了防止因水土流失所造成的隧道和地面沉降的情况，首先要保证做好孔口的密封，再进行冻结孔钻进。冻结管打设完成后，对于管片和冻结管间出现的间隙问题，需要通过注浆来进行封堵[4]。

4.2 冻结站施工

综合考虑场地条件限制及打钻、开挖构筑交叉施工的影响，本区间共设置一个冷冻站，来供两座联络通道使用，具体设置在距上行线隧道内2＃联络通道不远处，并在1＃联络通道及泵房处搭设打钻及开挖平台，方便联络通道的出土及材料进出。

两座通道钻孔施工及开挖构筑方向均是由上行线隧道向下行线隧道进行，出土方向经由上行线隧道向白马泾鹿城路方向，通过预留洞口出土。

2＃联络通道先进行施工，为了机械设备的有效利用和人员的安排，1＃联络通道应错开约20 d后开始施工，具体见图4。

图4 场地布设及工序筹划

冷冻站内的冷冻机组共有3台，两联络通道各1台，剩下1台为备用，单台机组工况的制冷量需要达到8.75×104kcal/h，需要大于前述联络通道需量，可以满足冻结施工要求[5]。

盐水循环泵与冷却水循环泵，同样也各设置两台，分别用作工作1台和备用1台。

针对1＃联络通道远离冷冻站、盐水输送距离长的特点，为保证盐水流量、流速及热量损失满足冻结设计需求，采取了3个措施:

(1)在盐水去、回路主干管上设置一台增压泵，增大盐水的流速及流量；

(2)盐水输送主干管采用的不是通常的低碳钢管，而是耐压、耐低温PE管，相对减少了冷量损失；

(3)去回路盐水主干管四周采用两层保温板全长度包裹，并在管道接头部位加强包裹，尽量避免管内盐水与外界间进行热交换。

4.3 三维智能温度监测

4.3.1 三维智能温度监测原理及优点

本工程采用三维智能温度监测系统来监测温度，属于创新技术。其原理为:首先采用数字传感器和主控板模块，对联络通道周围土体和循环系统盐水的温度数据进行采集，并通过WIFI、4G网络将数据传输至云端数据处理中心，进一步对数据进行储存、分析及处理，最后实时将处理结果发送至项目现场的终端显示设备上。

本温度监测系统具有以下优点:

(1)温度测量范围大(-50～+80℃)，测量精度高(误差小于0.5℃)；

(2)温度数据的采集、分析通过系统模块全程自动控制处理，保证了温度数据的真实性、可靠性；

(3)温度数据采集频率高，每10 min对整个温度场进行一次整体数据采集分析，能快速、准确地反映出温度场的变化；

(4)可视化程度高，通过终端显示设备可实时查看冻结管三维布设图、各测点温度数据表、温度发展曲线图、3D温度热效应图等，具体见图5。

图5 温度主控模块集成箱及3D热效应图

4.3.2 盐水及土体温度变化

盐水总去、总回路温度变化曲线见图6，从图中可看出，在7 d时间左右，盐水温度达到了约-22℃，15 d时约为-29℃，同时与盐水温度下降梯度的要求相符[6]。

图6 盐水总去总回路温度变化曲线

土体温度测点C6、C7深度约3.5 m，从隧道管片位置往里依次埋设4个测点。其各测点温度下降曲线如图7所示。从图7中可以看出:

图7 C6、C7测点土体温度变化曲线

(1)前期土体温度下降相对较快，后期土体温度下降相对较平缓；

(2)靠近土体内部的测点温度，比外部(管片)的下降相对稍快，随着时间发展两者差距越明显，这可能是由于外部测点受环境影响大，造成部分冷量损失，故其温度下降相对较慢。

4.4 开挖与构筑施工

4.4.1 开挖施工

先进行试挖，在分析了卸压孔和测温孔所测数据之后，以设计的厚度和强度为依据，若冻结帷幕能够达到，方可接着试挖，同时以开挖条件为依据，若试挖可达到，则即可正式大面积地开挖[7]。

将钢管片打开之后，通过对矿山法的利用，展开暗挖施工。联络通道部分，可通过分区分层的方式来展开开挖掘进。

具体顺序:侧喇叭口导洞和支护；然后是正常段施工；对侧喇叭口；冷冻站侧喇叭口；上述环节开挖同时要做好支护；最后上述结构施工均达到设计强度60%之后，方可进行泵站开挖施工。

4.4.2 初期支护措施

冻土开挖的同时，必须做好冻结壁的支护工作，同时作为一项施工安全的重要技术措施，联络通道的初期支护能够使得地层的稳定性得到保证，以使施工安全得到保障，同时它又属于永久支护，所以对于支护工艺来说，能够起决定性作用。

初期支护采用型钢支架+钢筋网喷射混凝土。全部的钢支撑架后，采用木工板作木背板密背，使支架间冻结壁变形的问题得到有效的控制。为了使支护间隙尽可能地缩小，背板与冻结壁之间一般不留缝隙，木背板不可避免地出现松动情况，若存在具有较大支护间隙的情况，可使用木楔子或者增加背板厚度加以解决[8]。

4.4.3 二衬结构施工

二衬结构施工是在防水层施工完成以后进行。对于有集水井的联络通道，要待上部通道部分结构施工完成后，再进行下部集水井开挖及结构施工。对于上部通道结构施工，先进行结构钢筋安装，再进行混凝土浇筑。

混凝土应选用商品混凝土。以结构的特点为依据，混凝土浇筑需分部进行。首先将止水钢板安装于施工缝处，安装好之后浇筑通道底板。根据混凝土设计要求的强度，此部分强度达到后，立侧墙及拱顶模板，接着浇筑混凝土。

这两部分采用混凝土泵车输送整体浇筑，同时辅以外部附着式振捣器，这样做可以使工作更高效，同时混凝土的质量也得到保证。

4.5 充填及融沉注浆

4.5.1 充填注浆

充填注浆也称为内层注浆，其主要是通过预埋的内层注浆孔，压入水泥浆，确保混凝土浇筑时留有的空隙充填密实。一般情况下，以4 m的长度来进行注浆断面的布置，且各布置4个孔，分别布置于底板、两帮以及顶板处各1个孔[9]。

4.5.2 融沉注浆

融沉注浆也称外层注浆，是通过预埋的外层注浆孔(伸入到初期支护外)，压入水泥浆，控制冻结壁融化时发生的土体沉降，同时保证也能充填土方开挖时留有的空隙。

一般情况下，以2 m的长度来进行注浆断面的布置，且各布置4个孔，分别布置于底板、两帮以及顶板(2个)处；集水井内所布设的注浆孔通常为12个，底板和四周各6个孔[10]。

底板注浆从通道中部的注浆孔向两端进行。单孔依次注浆量为0.5 m3，允许最大值不超过1 m3，可允许的最大压力不超过0.5 MPa。此部分注浆结束后，再进行侧墙注浆[11]。

结束标准，首先要在100 d左右的时间内使冻土全部融化。其次，再实测地层沉降，可停止注浆的依据标准为:持续一个月，每半月沉降值≤0.5 mm[12]。

充填注浆也称为内层注浆，其主要是通过预埋的内层注浆孔，压入水泥浆，确保混凝土浇筑时留有的空隙充填密实。一般情况下，以4 m的长度来进行注浆断面的布置，且各布置4个孔，分别布置于底板、两帮以及顶板处各1个孔。

5 结语

本文研究总结了同一个隧道区间内两座联络通道的冻结加固设计以及同步施工的具体方案。综合考虑场地条件、工期、安全、经济效益等因素，两座通道共用一座冷冻站，对盐水流量、温度的控制提出了针对性的措施，创新采用了三维智能温度监测系统，较好地实现了对盐水及土体温度发展变化的全过程、智能监测，为工程的顺利实施提供了保障。