垂直冻结工艺在超深地铁车站接收段加固施工中的应用

2024-03-09牛自强NIUZiqiang

价值工程 2024年5期

牛自强 NIU Zi-qiang

（中铁十二局集团有限公司，太原 030000）

0 引言

随着我国经济和社会的飞速发展，城市人口越来越多，城市规模也在不断扩大，原有的地面城市交通设施已不能满足人民群众的需求，因此很多城市陆续开展地铁项目的建设。地铁建设一般采用盾构法进行作业，该方法不但施工速度快而且安全性也高。掘进施工分为始发井和接收井，盾构机在始发井组装调试完毕后往接收井方向进行施工作业，进入接收井后分段拆除完成施工作业，但由于盾构机体积大，在进入接收井时须拆除洞口围护结构，因此在接收井接收段范围内必须做好地基加固处理，确保洞口土体稳定，防止地下水流入，同时防止地层变形对施工影响范围内的地面建筑物及地下管线与构筑物等的破坏。接收段加固方案分为两种，一是预加固（夹心饼干法），对于浅层地质该施工方法操作简单，效果明显，但当地质复杂或深度较深时施工质量无法保证；二是冷冻加固，其适用于深层复杂情况的地质加固，而且还可以有效隔离地下水，其抗渗性是其他方法无法比拟的。在徐州市城市轨道交通6 号线一期工程地铁区间接收井50m 范围为富水粉土粉砂层，由于该地铁车站距离地面较深且地质状况较为复杂，原设计预加固方案并未取得理想效果，为确保施工安全，最大限度控制原地面沉降，项目部在原设计基础下在洞门处增加垂直冻结法加固地层，确保了施工期间的安全，不但安全顺利完成了盾构机的接收工作，而且最大限度地保证了地表沉降处于可控范围内，避免了重大安全隐患的发生。

1 工程概况

市政府站～紫金路站区间从市政府站北端引出，沿汉风路下向北走行，侧穿花园城、在建金融中心A6、A8 地块、肖庄河桥、绿地商务城16 号楼、绿地缤纷城、绿地梵顿公馆、绿地书香苑后进入紫金路站。

隧道一般掘进段主要穿越2-3a-3 黏土层、5-3a-4a黏土层、5-3a-4b 含砂姜黏土层、5-3a-4c 含砂姜黏土层，紫金路站始发段主要穿越2-3a-3 黏土层、5-3a-4c 含砂姜黏土层、5-3a-4b 含砂姜黏土层，市政府站接收段主要穿越2-4-3 砂质粉土层、2-4-4 砂质粉土层、2-3a-3 黏土层。区间隧道起止里程为左（右）DK28+300.713～左（右）DK29+593.178，左线设一处短链4.117m，左线全长1289.348m，右线全长1293.465m。线间距16～63m，隧道开挖直径为6440mm，管片外径为6200mm，区间隧道覆土厚度11.5～19.3m，共设2 座联络通道。

本区间盾构工程筹划为：计划先从紫金路站进行右线始发，掘进至市政府站接收吊出后再从紫金路站左线始发至市政府站。市政府站为地下三层结构，接收端洞口形状为圆形，洞口开口净直径为6.700m。接收端头地连墙厚1.0m，二衬结构厚1.0m。市政府站盾构接收端头原设计采用Φ850@600 三轴搅拌桩+Φ800@400 高压旋喷桩加固+钢套筒接收，加固长度为4m。（图1）

图1 市政府站原设计端头加固剖面图

2 总体施工方案

从取芯效果来看，加固质量偏差，为了保证凿除洞门及接收的安全性，拟采用在原设计基础下在洞门处增加垂直冻结法加固地层，确保其凿除洞门的安全性，本次冻结加固区为长方体，冻结壁沿隧道中心线方向长2.3m，左右和上方是3m，下方是4m，采用钢套筒接收。

单座洞门垂直冻结孔布设为A、B 两排，排间距1.2m，纵向孔间距0.75m，左右线各34 个冻结孔，单孔深度27.56m，总长1874.08m。右线座洞门布置测温孔3 个，左线布置测温孔4 个；每个孔深27m，测温管规格φ48×4.5mm。根据冻结测温监测系统进行实时监测，最终确定冻结壁的发展厚度与冻结效果。

右线冻结管选用φ127×5mm，20#低碳钢无缝钢管，焊接连接。供液管用φ48×4.5mm 钢管，冻结器羊角均用1.5"钢管加工。（图2）

图2 冻结孔及测温孔平面布置图

3 冷冻加固主要施工工艺

3.1 总体施工工艺流程

现场总体施工方案为“垂直冻结孔临时加固土体，然后破除洞门、拔除盾构推进区域冻结管、盾构在钢套筒内接收”即：在通过垂直冻结孔，在地连墙外侧形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，然后在冻土帷幕的保护下进行洞门凿除，洞门凿除完成后，接着拔除盾构推进区域冻结管和钢套筒回填、密封施工，最后盾构在钢套筒内完成接收施工。其主要施工工序为：施工准备→冻结孔施工（同时安装制冷系统，盐水循环系统和检测系统）→积极冻结→探孔→凿除洞门→钢套筒回填、密封→盾构刀盘推进至距外圈冻结孔10m处，盾构掘进区域内冻结管拔除→盾构刀盘进入冻土，向前推进→盾构接收和洞门封堵完成后，排除其余冻结管并对冻结孔回填→进行融沉注浆。

其中，冻结孔施工和冻结管的拔除施工为本工程的关键工序；冻结帷幕与地连墙的交接为重要控制点；冻结温度检测、土体变形、压力监测及盾构推进施工为特殊工序。

3.2 冻结设备及主要技术参数

根据施工现场条件，把冻结站设在市政府站负一层中板上，冷冻机为2 台SKDW136.1H 型螺杆机组，其中1 台备用。盐水泵设置台IS150-315 型，冷却水循环选用IS150-315A 型清水泵2 台，其他冷冻参数详见表1 所示。

表1 主要技术参数表

3.3 垂直冻结孔施工

垂直冻结孔施工工序为：定位→钻孔→下冻结管→测斜→打压试验。首先根据设计在槽壁外测定好各孔位置，然后按设计要求调整好钻机位置进行钻孔作业，在钻进过程中，每加一根钻杆，都要复测一次钻机是否平、钻杆是否在孔位正上方并垂直水平面。为防止孔偏斜，可加长钻铤长度，缓慢钻进。为防止塌孔，钻孔时要预留足够的沉淀空间。

3.4 垂直冻结管加工及安装

冻结管选用Φ127mm×5mm 的无缝钢管，采用坡口内接箍对接焊，第一根冻结管下部焊底锥，所有冻结管要严格检查、丈量、编号、配组。丈量尺寸要有专人记录，最后验收合格后下入。下放冻结管时，谨防冻结管内进水。

下冻结管前要进行冲孔，若泥浆浓度过大，冻结管下放时因浮力过大不能一次下放到位。冻结管下放深度不得少于设计深度0.5m。冻结管下放完要及时进行灯光测斜，冻结孔和测温孔的最大允许偏斜不超过150mm。若终孔的偏斜超过设计值，可拔出冻结管进行扫孔。最后封闭好孔口用水压泵向孔内打压，当压力达到0.8MPa 时，停止打压，关好阀门，观测压力的变化，记录下30 分钟内压力，压力无变化为合格。

3.5 垂直冻结管加工及安装

冷冻机、水泵、冷却塔等设备应按照设备使用说明书的要求进行安装，整个系统安装分为两部分，分别是设备安装和管路安装，其安装流程分别如下所示：①设备安装流程。设备基础放样→施工设备基础（或锚固地脚螺栓）→设备就位、调平、固定→设备之间管路连接、电缆敷设→安装电控系统→冷冻机试漏→冷冻机充氟、加油→清、盐水箱加水→化盐→制冷系统试运转→盐水箱和冷冻机低温容器及管路保温。②管路安装流程。主管路放样→安装管架→安装主管路→安装分支管路→安装压力表接口与温度插座→管路试漏→盐水管路保温。为减少冷量的损失，所有低温管路均需要保温，并保证保温层厚度不小于40mm。由于混凝土导热系数较大，为了减小洞门内外的冷量损失，保证冻土与地连墙胶结的效果，对接收洞门周边地连墙及二衬表面应进行保温，保温方法可采用敷设软泡沫板材料，厚度不小于40mm。

3.6 积极冻结与维护冻结

设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设计要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和测温孔降温情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结，要求一周内盐水温度降至-20℃以下。

维护冻结是从开始凿除洞门时起，至盾构完成接收止。维护冻结期间，各组冻结孔循环正常，以保证各测温孔温度不回升为准。维护冻结过程中，要加强冻结施工监测，确保冻结系统运转正常，及时分析冻土帷幕的温度变化。

4 冻结帷幕和制冷系统设计计算

4.1 设计计算参数

为保证盾构安全接收，盾构接收采用“垂直冻结法+钢套筒接收”的复合工法，冻结加固的目的是保证凿除洞门的安全，按III 类冻结壁设计（承载+地连墙与土体缝隙止水）。参照类似工程，模型材料选取见表2 所示。

表2 模型材料参数

4.2 模型建立及计算

截取一平面作为计算模型，冻结外边界取3 倍冻结壁厚度。冻结管采用Φ127×6mm，计算采用plane55 单元。根据模型冻结30 天温度云图如图3 所示。

图3 冻结30 天温度云图

4.3 计算结果

由设计积极冻结时间为暂定30 天（积极冻结时间可根据实际冻结效果进行调整），要求冻结孔单孔流量5～6m3/h。积极冻结7 天盐水温度降至－18℃以下；凿洞门前盐水温度降至-28℃～-30℃，去、回路盐水温差不大于2℃。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。每米冻结管（包括冷冻排管）的设计散热量不应小于100kcal/h。

5 安全质量保障措施

①为了防止塌孔，缩短冻结孔的下管时间，每组冻结管按设计长度加外露尺寸，在地面加工好，同时把供液管、回液管及焖板均提前焊接好，并完成打压试验。②冻结管在焊接前必须将坡口表面及附近管材内、外壁的漆、垢、锈等清理干净。若坡口附近有水迹，可先用棉纱把水迹擦拭干净，再进行焊接。③冷冻机和水泵固定后要重点检查连轴器的间隙和同心度、轴封和盘根的松紧情况，确认满足设备安装技术要求。④监测冷冻站冻结系统的温度、压力等冻结参数，分析冻结制冷系统运转情况，及时调整冷冻机组参数，在保证冻结效果的前提下，确保其安全、高效运行。