李宏飛

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032)

在城市軌道建設(shè)中，據(jù)規(guī)范要求，兩條單線區(qū)間隧道需設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道[1]，成為兩條隧道之間的通道，起到連通、排水、消防疏散、防火的作用。目前常見(jiàn)的橫通道施工前的加固方法有管棚法、深層攪拌樁法、人工凍結(jié)法等，其中人工凍結(jié)法是使用人工制冷技術(shù)，使地層中的水凍結(jié)，把天然巖土變成凍土以加強(qiáng)其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，隔絕地下水與地下工程的聯(lián)系以便在凍結(jié)壁保護(hù)下進(jìn)行施工。人工凍結(jié)法具有安全可靠、適應(yīng)面廣、靈活性好的特點(diǎn)從而得到廣泛應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)人工凍結(jié)法聯(lián)絡(luò)通道的施工進(jìn)行了廣泛研究：20 世紀(jì)中葉，波蘭、德國(guó)等國(guó)家開(kāi)始開(kāi)展人工凍結(jié)法技術(shù)研究并運(yùn)用于實(shí)際工程，1955 年我國(guó)首次采用凍結(jié)法在開(kāi)灤林西風(fēng)鑿井并取得成功，隨著我國(guó)地下空間迅速發(fā)展，2000 年以來(lái)人工凍結(jié)法在我國(guó)發(fā)展迅速。岳豐田[2]針對(duì)黃浦江底砂質(zhì)粉土地層大斷面隧道聯(lián)絡(luò)通道施工的難題，采用凍結(jié)法進(jìn)行施工，形成可靠?jī)鼋Y(jié)帷幕，有效保障施工安全；喬衛(wèi)國(guó)[3]以南京地鐵淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層聯(lián)絡(luò)通道冷凍法施工，對(duì)鹽水溫度等進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，提出可靠施工建議；覃偉[4]采用雙隧道打孔凍結(jié)方案進(jìn)行隧道冷凍施工，保障了南京地鐵2 號(hào)線砂土地層聯(lián)絡(luò)施工順利進(jìn)行。

蘇州地鐵3 號(hào)線17 標(biāo)方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道所處的地層主要為軟弱富水砂層，地層穩(wěn)定性差，易發(fā)生涌水冒砂、地層擾動(dòng)過(guò)大影響施工安全，為保障施工進(jìn)度及安全，連接通道施工采用人工凍結(jié)法。本文依托方青區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工，確定了凍結(jié)孔的布置和凍結(jié)參數(shù)的選擇，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析，對(duì)鹽水溫度、凍脹壓力、地表沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，總結(jié)人工冷凍法凍結(jié)發(fā)展規(guī)律，為類似工程提高參考。

1 工程概況

蘇州市軌道交通3 號(hào)線包括兩座相鄰車站，為方灣街站和青劍路站，在3 號(hào)線工程方青盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)，為了滿足區(qū)間緊急疏散和排水的要求，設(shè)置一處聯(lián)絡(luò)通道。聯(lián)絡(luò)通道所在土層主要為⑤1 粉質(zhì)粘土及⑤1a 粉土夾粉砂層，隧底土層主要為⑤1 粉質(zhì)粘土。工程范圍內(nèi)涉及地下水主要為潛水。聯(lián)絡(luò)通道地層位置圖如圖1 所示。

聯(lián)絡(luò)通道地面南邊為某廠房，距離聯(lián)絡(luò)通道42m，北邊為某公司地面停車場(chǎng)，距離聯(lián)絡(luò)通道28m。聯(lián)絡(luò)通道及泵房對(duì)應(yīng)地面南、北兩側(cè)均有有燃?xì)夤艿兰白詠?lái)水管道等且聯(lián)絡(luò)通道附近供水、燃?xì)夤芫€較多，距離較近，施工時(shí)需注意對(duì)地下管線的保護(hù)，周邊情況具體分布如表1所示。

表1 聯(lián)絡(luò)通道附近構(gòu)筑物及管線匯總表

2 工程主要風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策

1）開(kāi)挖后軟弱富水砂層難以自穩(wěn)，地層穩(wěn)定性差，含水率大，易發(fā)生涌水、涌砂、地層擾動(dòng)過(guò)大等問(wèn)題，影響施工安全，必須對(duì)施工周邊土體進(jìn)行加固以保障施工安全。經(jīng)比選選擇冷凍法施工，并確定了“凍結(jié)法加固土體，礦山法開(kāi)挖通道”的施工方案。人工冷凍法安全可靠，靈活性較好，可靈活繞開(kāi)障礙物。

2）聯(lián)絡(luò)通道附近有供水、燃?xì)夤芫€，施工時(shí)尤其是后期融沉注漿時(shí)需注意對(duì)管線的保護(hù)。

3）影響聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)帷幕穩(wěn)定性的因素較多，以土層凍結(jié)情況最為明顯[5]。本工程富水地層的特殊地質(zhì)條件會(huì)加劇土層凍脹的情況，不利于隧道的穩(wěn)定性，故增設(shè)泄壓孔，加強(qiáng)對(duì)凍脹壓力的監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解凍脹壓力的變化情況以做出相應(yīng)對(duì)策。

3 凍結(jié)施工設(shè)計(jì)

3.1 凍結(jié)孔的布置

凍結(jié)孔按照上仰、近水平、下俯3 種角度布置在通道的四周，布設(shè)77 個(gè)凍結(jié)孔。其中凍結(jié)孔數(shù)左線隧道內(nèi)58 個(gè)，右線隧道內(nèi)19 個(gè)。設(shè)計(jì)測(cè)溫孔9個(gè)，其中左線2個(gè)，右線7個(gè)。卸壓孔4個(gè)，每側(cè)隧道各布置2 個(gè)。凍結(jié)孔、測(cè)溫孔布置如圖2 所示。

圖2 凍結(jié)孔、測(cè)溫孔布置圖

3.2 凍結(jié)參數(shù)

為更好選擇冷凍設(shè)備，提高冷凍效率，計(jì)算凍結(jié)站需冷量，凍結(jié)孔需冷量計(jì)算公式為

Q＝1.2πdHK

式中Q——凍結(jié)孔需冷量；

H——凍結(jié)總長(zhǎng)度（含冷排管長(zhǎng)度）；

d——凍結(jié)管直徑；

K——凍結(jié)管散熱系數(shù)，取250kcal/hm2。

計(jì)算得出，方青區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道及泵房需冷量為7.08×104kcal/h。

據(jù)計(jì)算結(jié)果單個(gè)聯(lián)絡(luò)通道冷凍機(jī)房選用170WDEDD 型螺桿機(jī)組（標(biāo)況制冷量11.7×104kcal/h）2 臺(tái)，其中1 臺(tái)備用。選用ISW150-315 型鹽水循環(huán)泵，單臺(tái)流量200m3/h，電機(jī)功率30kW。冷卻水循環(huán)選用IRG125-125 型清水泵2 臺(tái)，流量160m3/h，電機(jī)功率15kW。為提高冷卻效率，補(bǔ)充選用SLB-80 型冷卻塔2 臺(tái)。結(jié)合本區(qū)間軟弱富水砂層的特殊地質(zhì)條件，積極凍結(jié)45d。

3.3 凍結(jié)開(kāi)挖方式

聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，結(jié)構(gòu)為復(fù)合式襯砌。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)凈寬為2.5m，凈高為2.75m，采用二次支護(hù)方式。采用C35 高性能防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)為P10。襯砌采用二次襯砌方式，所有初期支護(hù)層厚度均為250mm。

4 凍結(jié)施工技術(shù)措施

凍結(jié)孔施工工序依次為：定位、開(kāi)孔→孔口管安裝→孔口裝置安裝→鉆孔→封閉孔底部→測(cè)量→打壓試驗(yàn)，具體如下。

1）定位開(kāi)孔及孔口管安裝 按設(shè)計(jì)要求確定隧道段上各凍結(jié)孔的位置，然后用開(kāi)孔器（配備金剛石鉆頭取心）按設(shè)計(jì)角度開(kāi)孔。開(kāi)口直徑為130mm，開(kāi)孔深度為250mm 時(shí)，停止取芯，安裝孔口管。

2）孔口裝置安裝 用螺絲將孔口裝置安裝在閘閥上，同時(shí)安裝好密封墊片。

3）鉆孔 用1 臺(tái)MD-80 型鉆機(jī)鉆孔，按要求調(diào)整好鉆機(jī)位置并固定，將鉆頭裝入孔口裝置，將盤根輕壓入盤根盒內(nèi)，采用干式鉆進(jìn)，同時(shí)打開(kāi)小閥門，隨時(shí)注意觀察出砂、出水情況，保證地面安全。

4）封閉孔底部 用絲堵封閉好孔底部。

5）測(cè)量 凍結(jié)管安裝完畢后，對(duì)凍結(jié)管長(zhǎng)度進(jìn)行復(fù)測(cè)，用燈光測(cè)斜儀進(jìn)行測(cè)量。凍結(jié)孔允許偏斜率應(yīng)不超過(guò)1%。

6）打壓試驗(yàn) 把孔口進(jìn)行封閉，用手壓泵打水到孔內(nèi)，當(dāng)壓力達(dá)到0.8MPa，并且不低于凍結(jié)工作面鹽水壓力的1.5 倍時(shí)，打壓結(jié)束，關(guān)閉閥門，觀測(cè)壓力的變化，30min 可減少0.05MPa，穩(wěn)定15min 壓力無(wú)變化者為試壓合格。

凍結(jié)孔施工完成后，采用跟管法鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)凍結(jié)管，既減少了地層流出物的數(shù)量，也有利于控制地面沉降。

5 冷凍過(guò)程監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

5.1 鹽水溫度監(jiān)測(cè)分析

由熱力學(xué)基本定律可知：熱量是由高溫物體自發(fā)的傳遞到低溫物體。當(dāng)?shù)蜏佧}水注入凍結(jié)孔后，土體中的熱量自發(fā)的源源不斷的傳遞至鹽水中，使得鹽水回路的溫度高于去路溫度。隨著鹽水的注入，土體凍結(jié)程度不斷發(fā)展，凍結(jié)壁厚度增加，土體溫度不斷降低。土體與鹽水之間熱量交換的頻率隨著土體和鹽水之間的溫差變小而緩慢降低（圖3）。

圖3 鹽水溫度監(jiān)測(cè)分析圖

蘇州市軌道交通3 號(hào)線工程17 標(biāo)段方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程積極凍結(jié)15d后，鹽水回路溫度-29.9℃，去回路溫差穩(wěn)定在1.5℃以下，熱量交換速率明顯降低，凍結(jié)后去回路溫差總體上明顯呈降低趨勢(shì)，體現(xiàn)土體凍結(jié)程度迅速發(fā)展，凍結(jié)施工作用顯著。積極凍結(jié)45d 后鹽水溫度去路為-31.9℃，回路溫度-31.1℃，去回路溫差為0.8℃，溫差低于1.2℃，鹽水回路溫度降至-28℃以下，滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明土層的熱負(fù)荷減少，凍土帷幕形成良好。

5.2 土體溫度監(jiān)測(cè)分析

1）測(cè)溫孔溫度分析 共設(shè)9 個(gè)測(cè)溫孔，其中左線布置2 個(gè)，右線布置7 個(gè)，采用C1-C9 表示。測(cè)溫孔內(nèi)設(shè)有3～5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。C9 用來(lái)測(cè)量上部喇叭口凍結(jié)帷幕發(fā)展情況，C3 用來(lái)測(cè)量右線底部喇叭口凍結(jié)帷幕發(fā)展情況，C1、C2、C4、C5、C6、C7 與凍結(jié)孔平行打設(shè)，用來(lái)測(cè)量?jī)鼋Y(jié)帷幕剖面發(fā)展情況。測(cè)溫孔凍結(jié)發(fā)展速度分析如表2 所示。

表2 測(cè)溫孔凍結(jié)發(fā)展速度一覽表

由表2可知：凍土最慢發(fā)展速度為30mm/d，以最慢發(fā)展速度凍結(jié)46d 凍土發(fā)展半徑r＝30×46＝1380mm。按最不利情況（半徑為1 380mm）計(jì)算的凍結(jié)帷幕發(fā)展半徑作凍結(jié)帷幕交圈圖可知，通道部位凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2 400mm，通道口凍結(jié)帷幕最薄有效厚度為2 363mm，凍結(jié)帷幕有效厚度大于設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)帷幕厚度滿足設(shè)計(jì)要求，滿足開(kāi)挖要求。

2）計(jì)算凍結(jié)帷幕平均溫度 依據(jù)《建井工程手冊(cè)》凍結(jié)施工成冰公式，對(duì)凍結(jié)帷幕的平均溫度計(jì)算如下

式中toc——按零度邊界線計(jì)算的凍結(jié)壁平均溫度；

tc——凍結(jié)壁平均溫度；

tb——鹽水溫度；

l——凍結(jié)孔間距；

E——凍結(jié)壁厚度；

tn——測(cè)點(diǎn)溫度。

計(jì)算得凍結(jié)帷幕有效厚度平均溫度為-12.02℃，低于設(shè)計(jì)-10℃，符合設(shè)計(jì)要求。

5.3 凍脹壓力監(jiān)測(cè)

陳肖柏[6]等認(rèn)為形成凍土與土層性質(zhì)、含水量、滲透性、凍結(jié)溫度和周圍壓力等因素有關(guān)。凍脹形成一般先是土層中孔隙水結(jié)冰產(chǎn)生基本凍脹，水變成冰其體積約增9%，而土體凍脹量約為3%，富水砂層中水體變形大，凍脹壓力更值得關(guān)注。在制冷劑作用下，聯(lián)絡(luò)通道土體產(chǎn)生變形，土層密封空間內(nèi)凍脹變形會(huì)產(chǎn)生向外的凍脹壓力，各凍結(jié)孔之間的凍脹壓力交互使得凍脹壓力逐漸增大（圖4）。根據(jù)規(guī)范，泄壓孔壓力穩(wěn)定且泄壓孔中12h 無(wú)泥水流出，可以判定通道凍結(jié)壁開(kāi)始交圈，滿足凍結(jié)施工條件。

圖4 凍脹壓力監(jiān)測(cè)圖

為明確軟弱富水砂層中聯(lián)絡(luò)通道的凍脹規(guī)律，在隧道旁通道共布設(shè)4 個(gè)泄壓孔，其中右線為X1 和X2，左線為X3 和X4。開(kāi)始凍結(jié)時(shí)泄壓孔的初始?jí)毫θ繛?，22d 后泄壓孔X2 壓力發(fā)生突變，迅速上漲到0.15MPa；泄壓孔X4 變化增大較慢，31d 時(shí)壓力上漲到0.15MPa。30d 后，各泄壓孔壓力均達(dá)到0.15MPa。

通過(guò)對(duì)泄壓孔的觀察，22d 后泄壓孔中無(wú)泥水流出，泄壓孔壓力保持穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)測(cè)溫孔和卸壓孔的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，得出凍土帷幕交圈前后的溫度發(fā)展規(guī)律，滿足凍結(jié)施工條件。

6 結(jié)論

1）蘇州市軌道交通3 號(hào)線工程17 標(biāo)段方灣街站-青劍路站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道工程，鉆孔數(shù)量和質(zhì)量符合要求，凍結(jié)過(guò)程良好，與工程同步進(jìn)行了凍結(jié)溫度、凍土壓力、隧道變形的監(jiān)測(cè)，得到了土體凍結(jié)的一些規(guī)律，指導(dǎo)了工程施工。

2）凍結(jié)46d 后，凍結(jié)壁厚度滿足設(shè)計(jì)要求，凍結(jié)壁平均溫度滿足設(shè)計(jì)要求，鹽水去回路溫差滿足設(shè)計(jì)要求，泄壓孔壓力穩(wěn)定，凍結(jié)壁開(kāi)始交圈，已具備開(kāi)挖條件。

本工程成功使用人工凍結(jié)法在軟弱富水粉砂層中完成凍結(jié)施工，為類似軟弱富水地層中人工凍結(jié)法施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。