北京地铁17 号线工程区间联络通道施工中冻结法的应用

2023-01-08陈安

工程建设与设计 2022年14期

陈安

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100080）

1 工程概况

本项目建设的北京地铁十八里店站至十里河站区间联络通道共分两条，其中1 号联络通道桩号为K15+361.177，2 号联络通道兼1 号废水泵房桩号为K15+827.312。根据项目的实际情况，该区间内的两条联络通道均按废水泵房的结构展开设计，为达到更好的地基稳固效果，特决定利用冻结法加固，结合矿山法施工，并在隧道断面结构处选用台阶法开挖，遇废水池则利用倒挂井壁的技术共同开展作业。

2 冻结法工艺介绍

作为地铁区间联络通道施工中的一项工艺，冻结法的应用可增强地基的稳固性，同时对渗出的地下水进行隔绝，因此在实际操作中，技术人员需要按照项目的实际情况，对冻结方案和相关施工区域内的地层参数做科学合理的规划、制定及了解，便于该工序的顺利开展，且在关键工序冻结孔的布置作业中，施工人员可参照以下数值对单孔展开设置：所用盐水温度控制在-25～-30 ℃；冻结单孔流量＞6 m3/h；冻结终孔间距Lmax≤1 m；冻结时间应满足45 d 以上。

除上述内容外，施工前还需在地铁隧道内部提前设置防护门，以起到支撑和防护等作用，且防护门的使用状态和密闭性要满足施工区域内的实际水土压力，开启时不影响隧道的开挖和砌筑施工，且可应对涌水、涌砂的危险情况，保障联络通道的正常施工。此外，施工中可对冻结工艺中的解冻、注浆以及单孔填充等方面随时展开监测工作，确保施工方案的可行性和持续性。区间联络通道作为地铁建设工程中的隧道连接专用通道，作用明显且单一，其位置多数情况下处于地铁隧道的中间位置或线路最低区域，与集水站和排水泵一并设立，兼具排水、防火和负集等多功能作用。

3 工程重难点分析

本项目地铁区间联络通道项目建设中，受施工地域条件及周边环境等因素制约，在冻结工艺具体的操作中存在以下几项施工难点。

1）地层及环境方面：联络通道施工区域内地层含水量较高且地面空隙大，这会造成冻结穿孔中出现砂水突涌现象，加之隧道内部的泵房位置底层均存在大量粉砂，颇具施工风险。基于此，在冻结钻孔设置过程中，施工人员要确保机械设备使用的稳定性及安全性，并在开孔结束后立即展开注浆作业以增强地基的稳固性，由此降低前期存在的施工风险。作为结构性施工的一种，此次地铁区间工程中的联络通道施工现场空间狭隘且环境一般，这会直接导致泵房顶部混凝土的捣实作业不合格，进而影响该部位的结构抗渗质量。

2）设立支撑架及泄压孔：由于联络通道在隧道内展开作业，因此相关支撑和泄压等方面需要施工人员具体布置。首先是支撑榀的设立，在1 号及2 号的联络通道左右两边各设置2榀架用以隧道支撑，同时预防冻胀压力对所有管片造成破坏；其次在相同位置设置泄压孔2 个，预防冻胀力对管片造成损坏的同时，在冻胀力达到最大峰值时通过泄压阀释放压力，起到保护施工现场的终极效果。

3）工序掌控：受上述两条因素的直接影响，在冻结法具体操作中，施工人员须掌握钻孔、开挖以及冻胀融层对地层造成各项影响，并了解隧道变形情况，展开监测工作的同时随时观察注浆的实际情况，避免施工钻孔作业对周围地面及地下管线造成不良影响。

4 工艺分析

4.1 冻结壁方案设计

在整个冻结法的操作工序中，冻结壁的设计工作既是前提也是基础。故在设计之初，相关工作人员可根据实地考察后的参数作为设计依据，即：（1）冻土强度指标：单轴抗压强度＞3.8 MPa，抗折强度＞2.0 MPa，抗剪强度＞1.8 MPa；（2）冻土平均温度＜-10 ℃；（3）冻结壁厚度：1 号联络通道为2.2 m，2号联络通道为2.4 m；（4）冻结壁温度：与隧道管片交界处的温度＜-5 ℃，其他部位平均温度在10 ℃以下即可。

4.2 泄压孔及测温孔的布置

1）泄压孔布置：由于联络通道内涵盖多个泵房，为提升泄压效果，施工人员需在两座联络通道的冻结帷幕封闭地段，以左右对称的方式安装4 个卸压孔并做好标记，所用的卸压管尺寸最好为φ42 mm×2 mm 的无缝钢管，管长控制在2.0～4.0 m，并在管的最前端设立1 个开口，以梅花的形状布置，以实现冻结帷幕内压力传递的效果。

2）测温孔布置：在2 号和3 号的联络通道及泵房处设立8个测温孔，具体按冷冻站一侧2 个、对侧6 个的方式逐一设立，以达到监测温度的最佳效果。

4.3 具体操作流程

4.3.1 冻结孔开孔作业

1）施工顺序：透孔→调整钻进参数→确定孔位→由上向下依次展开，如此可避免下层冻结孔施工对上面地层的绕动，避免钻孔施工时产生安全事故。

2）孔位定位，设立基准点→孔位放线，此操作过程中，首先核实管片的配筋图和加强筋所处位置是否避开管片主筋、管缝、螺栓及管片肋板，可实现＜100 mm 的随时调整。

3）开孔及孔口密封装置，首先，观察混凝土管片内的受力钢筋干涉情况，及时合理调整孔位；开孔工具选用型号为J-200 的金刚石钻机，结合型号为φ133 mm 的金刚石取芯，且钻头依照最初设计的角度实现开孔作业[1]，孔位深度满足30 cm 时即可停止钻进，最后用钢楔楔断所钻岩心并取出，将其安装于孔口管为φ133 mm×5 mm 的管口处；其次，是对管片的操作，施工人员提前将管片焊好，并在孔口管上接好球阀，随后用钻机接上金刚石钻头，以此从球阀内切割管片钻进。

4.3.2 机械设备的选择与使用

1）冻结管钻进与冻结器安装：钻孔设备型号为MD-80A钻机，数量为1 台；泥浆泵选择BW200 型，钻杆尺寸为φ90 mm×8 mm，同时将冻结的管与管之间利用套管丝扣进行连接，接头处用螺纹紧固并焊接，保证冻结管的同心度和焊接强度；其次按冻结孔的初始设计方位要求，将钻机的导轨固定并根据实际情况调整钻进方向，随之压紧孔口的密封装置，同时打开孔口阀门以此实现钻进作业，且为保证钻进的精准度，在钻进前2 m 方位以人工方式对冻结管方向反复观察，避免钻进过程中孔位发生倾斜等情况，待冻结管作业安装结束后，利用经纬仪对其展开测斜工作，最后打压试漏。

2）制冷系统设计与安装：根据本项目的实际情况，技术人员在联络通道的每个冻结站选用了电机功率为136 k W 的两台冷冻机作为调换使用，并将盐水的温度控制在-28 ℃以下，机组的最大制冷量控制在149 kW；设置电机功率为45 kW 的盐水循环泵2 台，将循环泵的单台流量控制在200 m3/h，扬程设定为60 m；另外，设置了两台最后使用到的清水循环泵，且单台流量250 m3/h，扬程在30 m。

4.3.3 冻结站安装

设备进入场地后就位→操平找正→与地面固定→清洗设备零件及附属管道→检查零部件表面受损情况→组装。其次是管道系统的安装，首先从阀门入手，选择前以设计文件和具体使用工况做前提，成排安装阀门时阀门的手轮中心要保持在同一条线上，最后安装制冷系统管道，在这之前将管内的氧化皮、污杂物和锈蚀清理干净，保持管道内壁的金属性和密封性。

4.3.4 管路连接及保温安装

1）管路连接中所用到的清水管路和盐水干管以焊接的方式进行处理，并结合法兰予以相互连接，最后在隧道的管片或施工操作平台上设立专业的管架，并且将盐水管路的安装远离地面，防止浸水和高低起伏现象，冻结孔以每2～3 个为串联组织并设有一定的间隔，便于区分。

2）保温方面采取PEF 材质的保温板，且保证盐水箱和盐水干管外有0.5 cm 厚的保温板覆盖，其次是联络通道和泵房两侧管片的保温工作，由于混凝土和管片对土层散热要求较高，因此加强冻结帷幕与管片的胶结状态，避免冷量的损失。

4.3.5 维护和停止冻结作业

冻结法操作过程中涉及维护和终止的工序。在维护期间，冻结所用的盐水温度要在-28 ℃以下，整个维护过程中与积极冻结时操作流程相同，对其展开监测工作，以起到冻结系统运转正常的效果，并对冻结壁的温度变化随时展开分析和调整，发现冻结壁温度出现较高或变形现象，立即使用串接管道泵的方式对冻结孔流量进行控制，确保其在合格范围值内；同样，停止冻结在完成混凝土浇筑作业时展开，首先割除冻结管，其次对管展开充填及防渗处理，即填充和注浆，在冻结施工后，隧道管片上割除孔口管深度要求进入管片＜80 mm以下。

4.4 冻结施工质量控制分析

在此次地铁隧道区间联络通道施工作业中，受施工环境和地质条件因素的制约，施工人员使用冻结法钻孔开始前，首先，对施工区域内的地层钻进参数变化做了试验及分析，并结合此处的地质、水文实际情况给出了专业的控制措施，避免后续施工的不安全。其次，为确保施工质量，配备了高精密度的专业设备，对施工中出现的偏孔、盐水制冷和监测系统展开控制，依次提升工程的质量，且在整个冻结孔的钻进过程中重视对孔位的监测[2]，对已完成的冻结孔按每35 m 测斜一次的方法展开监测，并及时处理和纠偏，由此掌握冻结器的运行情况，确保整套冻结法工艺的顺利完成。