冷冻法施工技术在盾构区间联络通道施工中的应用研究

武相坤 WU Xiang-kun；豆红尧 DOU Hong-yao；张元师 ZHANG Yuan-shi；钱栋栋 QIAN Dong-dong

（①中车智能交通工程技术有限公司，北京 100078；②江苏中车城市发展有限公司，无锡 214105；③中国铁路沈阳局集团有限公司工电检测所，沈阳 110001）

0 引言

当前，国家大力发展城市轨道交通，轻轨或地铁在软土或沙土地区施工难度大，风险高。冷冻法作为一种土体加固施工技术，在软弱土层的联络通道开挖及衬砌施工过程中具有重要作用[1-3]。本文以台州市域铁路S1 线一期工程为例，首次在该地区轨道交通中应用冷冻法技术施工，通过对冷冻结果分析验证冷冻法施工在该地区软弱土层加固效果，研究是否具有扩大推广应用意义。

1 工程设计概况

1.1 工程概况

万昌路站～温岭体育场站区间，线路出万昌路站沿中华路向东南方向行进，下穿东月河桥，沿体育场路至温岭体育场站，线路基本敷设于中华路和体育场路下。区间1#联络通道兼泵房位于里程右S1DK45+300.000 （左S1ZDK45+300.84），1#联络通道兼泵房长7.072m；通道口宽1.5m；高2.25m；通道内宽2.9m；通道高内3m；泵房长5.2m；宽3m；高4.08m。联络通道由水平通道以及与隧道管片相连的喇叭口构成，采用水平冻结技术对地层进行加固，然后采用暗挖法施工。联络通道结构详见图1。

图1 1# 联络通道兼泵房结构剖面图

1.2 地质条件

1#联络通道兼泵房埋深18.224m，所处地层为2-4 砾砂、3-2 黏土和3-3 黏土层，隧道上覆土层为1-0 黏土、1黏土和2-2 淤泥，隧道下卧土层为3-3 黏土。场地分布的地下水主要有下部碎砾石层中的孔隙微承压水和赋存于浅部黏性土层中的孔隙潜水。

1.3 冻结帷幕设计

①联络通道由专业单位进行冻结设计，冻结壁有效厚度为2m，冻结壁平均温度为-10℃；②冻土强度的设计指标：单轴抗压强度≥4.0MPa，弯折抗拉强度≥1.8MPa，抗剪强度≥1.5MPa（-10℃）。

2 施工技术方法

根据联络通道结构形式和冻结帷幕设计要求，冻结孔按下俯、水平、上仰3 种角度布置在泵站和联络通道的四周，同时考虑到安全，为增强冻结效果，在通道下方布设一排冻结孔，把积水泵坑和通道作为2 个独立的区域进行冻结，这样可将联络通道中间（最危险断面）处视为封闭。1#联络通道兼泵站冻结孔数为76 个（冷冻站侧隧道内布置53 个冻结孔，冷冻站对侧布置23 个冻结孔）。

3 施工工艺及技术参数

3.1 冻结施工技术流程

图2 为冻结施工流程图。

图2 冻结施工流程图

图3 盐水去路和回路温度曲线图

3.2 施工技术参数

施工技术参数见表1。

表1 冻结施工主要技术参数表

4 冷冻施工效果分析

4.1 盐水降温情况分析

1#联络通道于2021年9月18日开始积极冻结，至11月14日，冻结历时45d。 2021年9月24日积极冻结7d，测得盐水温度下降至-21℃，符合设计要求（设计冻结7d，要求盐水温度降至-18℃以下）；10月5日积极冻结15d，测得盐水温度降至-26℃，符合设计要求（设计冻结15d，要求盐水温度降至-24℃以下）；10月21日盐水温度降至-30℃。最终去、回路盐水温差不大于2℃，以上均符合设计要求。

4.2 测温孔温度监测及分析

开挖面布置了8 个温度孔，其编号分别为C1、C2、C3、C4 、C5、C6、C7、C8，鉴于篇幅，以C4 为例，其温度变化曲线详见图4。C4 测温点距离最近冻结孔930mm，于2021年10月28日温度降至0℃以下，历时29 天，平均每天扩展速度32mm/d。

图4 4# 测温孔温度变化曲线图

根据冻结壁扩展厚度计算公式：Eyj=Vdp·t

式中：Eyj——预计冻结壁厚度，m；Vdp——冻结壁平均扩展速度，m/d；T——冻结时间，d。

通过统计监测数据，冻土的最慢发展速度为29.6mm/d，冻结45d 后通过计算得到发展半径r＝1332mm，按冻结发展半径1332mm 作图，从交圈图上测量出：联络通道冻结帷幕最薄有效厚度为2131.8mm，大于设计要求的联络通道冻结帷幕最薄有效厚度2000mm。

利用《建井工程手册》冻结施工成冰公式确定1#联络通道冻结帷幕的平均温度，见下公式：

式中：toc——通过零度边界线计算冻结壁的平均温度，℃；tc——冻结壁平均温度，℃；tb——盐水温度，取-30℃；l——冻结孔间距，取1.1m；E——冻结壁厚度，取2.13m；tn——井帮冻结帷幕温度，取-5.4℃；经计算：冻结壁平均温度为-10.58℃，达到设计要求。

5 有限元方法验算

5.1 设计计算参数

根据1#联络通道埋深及所处位置地层设计，冻土帷幕有效厚度为2.0m，冻土帷幕平均温度为≤-10℃。设计取-10℃冻土的弹性模量（150MPa）和泊松比（0.3），冻土强度指标为：抗压强度4.0MPa，抗折强度1.8MPa，抗剪强度1.5MPa。冻结之后承载力验算采用容许应力法，强度检验安全系数抗压取2.0，抗折取3.0，抗剪取2.0。根据开挖向下变形特性，冻土帷幕顶面所受土压力按主动土压力计算，侧面承受水土压力静止侧压力系数计算时取0.7，土的平均重度取18.5kN/m3。

5.2 冻土帷幕承载力验算

验算过程采用均质线弹性平面应变模型，对1#通道冻土帷幕进行力学分析。取冻土帷幕平均温度下的冻土力学特性值作为力学特性参数。根据1#通道对称性，取结构的1/4 作为计算模型。冻土帷幕承载力验算如下：

冻土帷幕顶面土压力：

冻结壁顶板反力主要受静水压力和开挖时因顶板向下变形，上部土体的作用力。

冻土帷幕侧面土压力：

K0－0.7，静止侧压力系数。

通过有限元分析冻土帷幕的受力与变力，从分析结果可得出：冻结后土体应力值远小于强度，安全系数高于指标要求，冻土帷幕的承载力满足要求。

计算显示在隧道外侧的交接处、隧道内侧与冻结壁接处局部存在应力集中，但是范围比较小，且冻土帷幕角度为圆弧过渡，而且冻土帷幕中间尚有土体或支撑体。（图5、图6、表2）

表2 通道冻土帷幕应力、位移计算值及安全系数

图5 通道冻土帷幕有限元计算模型

图6 水平通道冻土帷幕有限元计算模型

6 结论

冷冻法施工过程中应加强监测，以保证土体冻结的安全性和可靠性。根据日常温度监测进行计算得知该联络通道冻结壁平均温度为-10.6℃、冻结帷幕最薄有效厚度为2.13m、井壁处探孔温度为-5.4℃，均满足设计要求，土体冷冻质量好，加固效果得到保证，证明在台州地区软土采用冷冻法施工可以满足强度和安全性要求，为联络通道后续开挖及衬砌施工提供了技术保障和安全作业条件，也为同类工程冷冻加固施工提供了借鉴和参考。