朱澤萱， 劉紅偉， 吳永哲， 楊 平, *， 張 婷

(1. 南京林業(yè)大學土木工程學院， 江蘇 南京 210037； 2. 中交隧道工程局有限公司， 江蘇 南京 210007)

0 引言

近年來，人工凍結法廣泛應用于地層加固和地鐵建設中。由于城市地鐵建設經(jīng)常受環(huán)境條件限制，且沿海地區(qū)地層條件相對較差，凍結法憑借其較強的適應性、凍結后凍土帷幕強度較高等優(yōu)點，被廣泛應用在盾構隧道始發(fā)接收和聯(lián)絡通道施工等[1-6]。尤其對長距離聯(lián)絡通道施工和軟弱地層聯(lián)絡通道施工有無可替代的作用[7]。楊平等[8]成功將垂直凍結法應用在南京地鐵。黃磊等[9]在南寧地鐵東濱區(qū)間成功使用凍結法進行聯(lián)絡通道施工，并進行了凍結溫度等監(jiān)測。岳豐田等[10]結合上海隧道的施工，總結了聯(lián)絡通道凍結法施工工藝和消除凍脹融沉措施。除常規(guī)聯(lián)絡通道外，因繞過地面建筑物、預留管片等各種因素導致聯(lián)絡通道過長或超埋深，甚至會出現(xiàn)異形聯(lián)絡通道[11-12]。為應對聯(lián)絡通道過長或埋深過大問題，常采用雙向打孔的方法，以提高凍結效果，提升安全性[13]。在特殊地層或沒有工程經(jīng)驗的特殊聯(lián)絡通道建設中，往往會先采用數(shù)值模擬對參數(shù)可行性做出預測[14-15]。

雖然各種情況下的聯(lián)絡通道施工已有較豐富案例與研究[16-18]，但對60 m級超長距離聯(lián)絡通道，尤其是超過60 m聯(lián)絡通道的施工技術尚需突破。以往國內采用凍結法施工的最有代表性的超長聯(lián)絡通道為南昌地鐵1號線某區(qū)間聯(lián)絡通道，長35 m。隨著城市發(fā)展，特定環(huán)境下形成的聯(lián)絡通道日趨增多，不斷涌現(xiàn)出新的難題，尤其是長距離水平凍結效果及大范圍凍結后期融沉控制。

福州地鐵2號線紫陽站—五里亭站區(qū)間(簡稱紫五區(qū)間)聯(lián)絡通道的隧道中心距為66.04 m，在國內尚屬首例。本文以紫五區(qū)間聯(lián)絡通道及泵站施工為背景，研究60 m級超長聯(lián)絡通道凍結法設計施工技術。

1 工程概述

福州地鐵紫陽站—五里亭站區(qū)間從紫陽站出發(fā)后沿福馬路向東走行，區(qū)間隧道主要下穿五里亭立交橋樁基，最后接至五里亭站，線路縱斷面呈“V”字坡。2條盾構隧道設置1座聯(lián)絡通道及2座集水井，聯(lián)絡通道位于立交橋附近，受立交橋樁基影響，區(qū)間聯(lián)絡通道及泵站線間距達66 m。聯(lián)絡通道上覆土層厚度約14.7 m，盾構區(qū)間和聯(lián)絡通道處于二元地層結構中，廣泛存在液化砂土和黏土，地層從上而下依次為〈2-4-5〉淤泥質粉細砂(稍密—中密、局部松散、級配不良)、〈2-4-4〉淤泥夾砂(局部軟塑、飽和、高壓縮性)、〈3-1〉粉質黏土(可塑—硬塑，中壓縮性土)。場地內有弱承壓水且存在廣泛的液化砂層和軟土層。

2 60 m級聯(lián)絡通道結構優(yōu)化設計

常規(guī)隧道聯(lián)絡通道線間距為12～15 m，采用的凍結方案大多為單側凍結打孔及單集水井形式。但由于地面條件限制，會出現(xiàn)超過60 m的超長聯(lián)絡通道或異形聯(lián)絡通道，此時常規(guī)方法不能滿足凍結施工的安全性要求，而一味增加凍結管長度則會導致凍結管過長，易發(fā)生偏斜導致施工困難或凍結帷幕不交圈，且單側布置凍結管還會導致凍結帷幕過大，造價偏高，不夠經(jīng)濟。因此，本文依托福州地鐵超長聯(lián)絡通道，對本工程凍結方案和聯(lián)絡通道結構設計方案進行優(yōu)化，以優(yōu)化聯(lián)絡通道結構，增加安全性，減少造價。

2.1 聯(lián)絡通道結構方案

凍結法施工超長聯(lián)絡通道一般方案為： 設置一條超長聯(lián)絡通道，雙側打設凍結孔，并在中間設置一個集水井。該方案在30 m級的聯(lián)絡通道中被廣泛采用，通過在兩側隧道進行雙側打孔，減少單個凍結管長度，易于控制凍結管的偏斜，通過設置搭接區(qū)域的方式確保凍結帷幕薄弱處的強度。

但對于60 m級的聯(lián)絡通道，雙側打孔、中央設置集水井的方案會導致凍結范圍過大，造價高，凍脹融沉更明顯。本工程綜合考慮地面條件限制、周邊環(huán)境、水文地質等條件，同時考慮施工難度等因素，最終確定在盾構隧道內設置1條66 m的超長聯(lián)絡通道，雙側打設凍結孔，并在聯(lián)絡通道兩端分別設置1個集水井。

由于該聯(lián)絡通道凈長達66 m，勢必導致凍結時間較長，還應在聯(lián)絡通道的結構層面進行優(yōu)化，以減少凍結對管片的影響，減小凍脹融沉。

2.2 聯(lián)絡通道結構優(yōu)化

由于本工程聯(lián)絡通道長達66 m，中央設置集水井會導致凍結范圍過大，所以選擇在靠近隧道的左右兩側分別設置2座集水井(見圖1)，分擔了集水作用。因設置在較為靠近隧道的位置，可在靠近隧道的一側進行鈍角處理，方便密集凍結管鉆孔施工。由于集水井處凍結管較短，凍結后形成一個異形凍結帷幕，減小了中間部分凍結帷幕的范圍，極大削減了造價，增加了經(jīng)濟性，同時保證了安全性。

為避免凍結法對超長聯(lián)絡通道管片凍脹影響，將上拱頂高度減少200 mm，聯(lián)絡通道中間段優(yōu)化為凈高度1 510 mm，喇叭口優(yōu)化為1 220 mm，中間通道部分由圓弧反底拱改為平底板，從聯(lián)絡通道中心點至底板處為1 670 mm，比原方案減少1 330 mm，整體縮減了聯(lián)絡通道幾何尺寸。該方案除了利于凍結管布置，還可有效減小凍結帷幕體積，更有利于開挖，縮短開挖期和凍結工期；若凍結時間太長會導致開挖困難，更改結構尺寸可縮短開挖時間和凍結工期，從而減小凍脹融沉的影響。

同時對中心管片結構進行加強，聯(lián)絡通道中心兩側由1環(huán)鋼管片增加至3環(huán)，可以顯著增加結構強度，減少凍結對隧道的影響。

(a) 剖面結構

(b) 斷面結構

3 凍結方案及參數(shù)

3.1 凍結方案設計原則

聯(lián)絡通道凍結法需適應當?shù)氐刭|與水文條件，同時應保證地表、建筑設施穩(wěn)定，凍結帷幕安全。凍結方案設計原則如下：

1)水平孔凍結帷幕強度需滿足聯(lián)絡通道施工安全、質量要求，凍結帷幕范圍應滿足待加固區(qū)域范圍要求。

2)聯(lián)絡通道施工設計工期約為180 d，應在滿足工程要求工期的基礎上，通過優(yōu)化凍結參數(shù)等方法進一步優(yōu)化施工方案。

3)為減小凍結壁體積，縮小聯(lián)絡通道凍結壁尺寸，設置雙集水井，保證凍結效果的同時提高經(jīng)濟性。

4)聯(lián)絡通道位于立交樁基群中，施工方案應充分考慮周邊立交橋樁基沉降變形(不超過10 mm)。

5)凍結期間應嚴格控制管片變形。既有隧道拱頂沉降控制值為5 mm，洞內凈空收斂小于5 mm；聯(lián)絡通道拱頂沉降控制值為20 mm，洞內凈空收斂小于10 mm。

6)減小凍脹與融沉的危害，采取自然解凍融沉注漿措施，控制聯(lián)絡通道和管片變形在允許范圍內。

3.2 凍結設計參數(shù)

60 m級超長距離聯(lián)絡通道在凍結參數(shù)設計上需要考慮一定的安全系數(shù)，本工程凍結主要設計參數(shù)見表1。

3.3 凍結系統(tǒng)

經(jīng)計算，本工程凍結所需冷量為39.633×104kcal/h。依據(jù)凍結方案設計和現(xiàn)場實際情況，在左、右線隧道靠近聯(lián)絡通道處分別設置機房，每個機房各自配備4臺冷凍機組、3IS200-150-315型單臺流量315 m3/h鹽水泵、2臺清水泵、4臺100 t冷卻塔，補充新鮮水30 m3/h，將冷卻系統(tǒng)安裝在紫陽站端頭井。

凍結管為φ108 mm×10 mm鋼管，內絲箍扣連接，測溫孔管淺、深孔直徑分別為φ45 mm、φ108 mm，供液管為φ48 mm×4 mm鋼管，通過焊接連接，鹽水干管和集配液管為φ219 mm×4.5 mm鋼管，清水干管為φ219 mm×5 mm鋼管。

表1 聯(lián)絡通道凍結主要設計參數(shù)

3.4 凍結孔、測溫孔設計

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，同時保證凍土帷幕的完整性、施工安全性、經(jīng)濟性等，凍結孔按照水平、上仰、下俯3種形式布置，凍結孔平、剖面布置如圖2所示。從左、右線隧道分別布設83、82個凍結孔，且在薄弱位置設加強孔，共175個凍結孔，單側凍結孔最長為38.4 m，凍結成孔間距為1.3 m，允許偏差250 mm。

由于凍結孔越長終孔偏斜越大，易造成凍結帷幕不完整，發(fā)生涌砂冒水事故，通常在聯(lián)絡通道中間部位設置凍結孔搭接區(qū)域。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，20 m級聯(lián)絡通道往往采用1.5 m的搭接區(qū)域，而超過60 m的聯(lián)絡通道尚無經(jīng)驗參考，在考慮地質條件和凍結管偏斜等因素后，最終確定6 m的搭接重疊長度，以保證凍結帷幕整體的穩(wěn)定性和施工安全性。

測溫孔共布置22個，上下行線各11個，深度為2～33 m。主體結構測溫孔C1、C2、C5和C6應與凍結孔長度相當，達33 m，用于測量主體凍結帷幕溫度；而C3、C4、C7和C8主要測量開挖洞門附近的溫度，用于判斷開挖時機；C9、C10、C11主要是測量凍結帷幕在泵站處的溫度發(fā)展狀況。溫度監(jiān)測采用電子自動測溫系統(tǒng)和人工復核測溫相結合的雙重監(jiān)測手段。

4 60 m級凍結施工重難點和關鍵技術

4.1 鉆孔技術與工藝

該聯(lián)絡通道為國內首例60 m級聯(lián)絡通道，也是采用凍結法施工的最長聯(lián)絡通道，鉆孔難度極大。60 m級超長距離聯(lián)絡隧道水平凍結施工的核心技術是鉆孔糾偏技術。采用雙向鉆孔布設凍結管，凍結孔的成孔精度是凍結施工能否成功的關鍵。一旦成孔精度不能保證，凍結管的相互搭接處可能出現(xiàn)“開天窗”狀態(tài)，導致凍結效果不佳，甚至引發(fā)工程事故。因此，針對超長凍結孔施工，對鉆頭、鉆具、鉆機設備的選型，鉆進過程中的導向與糾偏及鉆孔工藝進行技術革新與優(yōu)化。

(a) 凍結孔剖面布置

(b) 左線凍結孔平面布置

(c) 右線凍結孔平面布置

4.1.1 鉆孔工藝

1)由于單側鉆孔長度超過30 m，這對鉆孔測斜儀器是很大考驗。經(jīng)國內測斜儀綜合比選，選定SE-1測斜儀。該測斜儀在鉆進過程中能準確定位鉆頭在地下的位置和方向，利用可隨意調整方向的鉆頭(特制鴨嘴楔型鉆頭)改變鉆頭的鉆進方向，同時利用水眼和光信號進行鉆頭位置復核。跟管鉆進示意如圖3所示。

圖3 跟管鉆進示意圖

長距離鉆孔采用特制鉆桿，鉆桿全部加工成內絲，確保連接處鋼管有效厚度不低于6 mm，鋼管與鋼管之間采用絲扣內管箍連接，內管箍厚度不小于2 mm，內管箍兩頭做坡口處理(見圖4)。

圖4 內絲扣連接及坡口處理

2)水平鉆進中鉆頭前端會因重力而下沉，同時鉆具順時針旋轉，產生右旋力，造成成孔向右偏斜。因此，給定反方向的入孔水平方位角與仰(俯)角是補償鉆進偏斜、實現(xiàn)糾偏的重要措施之一，其中：

鉆孔開孔方位角=凍結管設計立位角度±鉆進糾偏水平角；

鉆孔開孔仰角=設計仰(俯)角±鉆進糾偏垂直角。

根據(jù)前期試驗結果，施工中鉆進糾偏水平角取0°～±0.4°，鉆進糾偏垂直角拱部取0.1°～0.3°、底部取0°～0.1°。

除測斜儀和初始鉆孔給定入孔水平方位角與仰(俯)角外，在均勻土層中以保持快速鉆進為宜，在軟硬不均地層中采取低壓慢轉、快速給進的鉆進方法。鉆進應隨鉆定向糾偏，糾偏利用斜板平推導向的原理，通過導向儀記錄偏斜角度，推斷偏斜方向，根據(jù)方向和角度給予反方向糾偏。

孔深至設計深度后，注漿壓力應高于正常鉆進時泵壓0.2～0.4 MPa，絕對泵壓不得超過2.5 MPa，瞬間泵壓不得超過2.8 MPa。終孔20 h后，在孔口補充注漿。通過成孔后注漿，達到填充注漿和壓密注漿的雙重效果，保證凍結孔成孔質量。

4.1.2 長距離鉆孔施工注意事項

鉆孔施工中，由于區(qū)間地下水豐富，地層條件差，鉆孔采用跟管鉆進的方法，在控制地表沉降的同時，減少地層流出物數(shù)量。凍結施工時，應密切關注水土流失情況，并實時估算監(jiān)測土體流失量，若大于成孔體積，應及時注漿控制地表沉降。凍結管采用2 cm寬的內絲箍扣相連，輔以焊接，保證凍結管的同心度。在隨凍結管鉆進糾偏的同時，應通過經(jīng)緯儀繪制鉆孔偏斜圖并及時調整凍結孔偏斜。打設完畢后，對凍結管長度進行復測，保證凍結管入土長度達設計要求。凍結管安裝完畢后，使用保溫隔熱材料封堵凍結管和管片之間的孔隙以保證凍結效果。

4.2 凍脹融沉防治

4.2.1 凍脹防治措施

1)在凍土帷幕內未凍土中設4個卸壓孔，用于卸壓消散作用在管片上的凍結附加力。卸壓孔采用φ89 mm×8 mm無縫鋼管，在凍脹引起地層壓縮時，從卸壓孔排除部分土體。積極凍結時，如果孔內水壓增加，打開孔口閥門卸壓。

2)為了減少凍脹，左右線的開機時間錯開10 d，且集水井處凍結管供液時間相應推后，分區(qū)凍結也方便后面進行分區(qū)開挖。

3)當凍土帷幕交圈后，若通過卸壓孔卸壓仍難以控制凍脹，則可打設部分取土孔進行取土卸壓。

4.2.2 融沉防治措施

1)為消除地層融沉對聯(lián)絡通道產生的不良影響，在結構襯砌上預留注漿管，在凍土帷幕自解凍的時候通過預埋注漿管進行土體注漿。

2)注漿孔應完整、合理涵蓋整個凍土帷幕范圍，聯(lián)絡通道及泵房結構內部預埋注漿孔的密度為1.5～2.5 m2/個，注漿孔布置如圖5所示。

圖5 注漿孔布置圖

3)停止凍結3～7 d后，進行充填注漿，充填注漿分為1次進行，注漿流量宜控制在15 L/min左右。

4)選擇自然解凍，跟蹤注漿控制融沉，單孔注漿流量為20 L/min，并通過預留注漿孔根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行跟蹤注漿至沉降穩(wěn)定。

5)注漿開始前，本工程根據(jù)凍結參數(shù)做了解凍溫度場數(shù)值模擬，獲得了解凍順序，用于指導調整注漿順序和注漿量。在管片中預埋注漿孔，結合維護凍結期間凍結壁發(fā)展狀況，采取了初期跳點、由凍結壁薄至厚、自下而上、少量、多點、多次、均勻循序漸進的方法進行注漿，并根據(jù)隧道、地面、管線、建筑物的沉降和解凍溫度場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，適時調整注漿量和注漿時間間隔，確保沉降穩(wěn)定。

6)融沉注漿漿液體積量按不低于實際凍結帷幕體積的15%進行估算，估算體積按配比換算出注漿所需水泥用量，合理安排注漿順序，融沉注漿60 d內應完成70%的預計注漿量。

7)停止注漿標準采取時間與沉降雙控指標，跟蹤注漿時間不少于150 d。

4.3 開挖構筑技術

聯(lián)絡通道支護采用2次支護方式。第1次支護為初期支護，采用鋼支架加木背板，完成通道部分的開挖后進行1次噴射混凝土作業(yè)。第2次支護為永久支護，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。聯(lián)絡通道初期支護安裝效果如圖6所示。

圖6 聯(lián)絡通道初期支護安裝效果

聯(lián)絡通道開挖后，地層中原有的應力平衡受到破壞，引起通道周圍地層中的應力重新分布，這種重新分布的應力不僅使上部地層產生位移，而且會形成新的附加荷載作用在已加固好的凍土帷幕上，凍土帷幕及凍結管會產生蠕變。為控制這種變形的發(fā)展，凍土開挖后要及時對凍結帷幕進行支護，所以聯(lián)絡通道的臨時支護既作為維護地層穩(wěn)定、確保施工安全的一項重要技術措施，又作為永久支護的一部分，是支護工藝最為關鍵的一步。

正常的聯(lián)絡通道經(jīng)過水平凍結后直接開挖，但60 m級超長聯(lián)絡通道則應對凍結和開挖進行分區(qū)以保證聯(lián)絡通道施工安全性。先進行聯(lián)絡通道主體部分凍結，后進行集水井部分凍結。先通過試挖，然后分別開挖兩側通道主體部分，將聯(lián)絡通道分為5部分，雙向開挖(見圖2)，待聯(lián)絡通道主結構支護完成達到設計強度后再進行集水井開挖。

具體方案為： 第1階段兩頭同時開挖(見圖1)，完成第1道施工縫前的土方開挖、噴射混凝土、防水、鋼筋及混凝土澆筑(在該過程中需要完成排水溝的開挖及排水管的敷設)，然后進入第2階段開挖； 第2階段開始前，需將安全防護門移動到結構預埋的環(huán)形預埋槽鋼上，進行防護門安裝，完成防護門安裝后，開始第2階段的土方開挖、噴射混凝土、防水、鋼筋及混凝土澆筑，然后轉入第3階段； 第3階段開始前，需將安全防護門移動到結構預埋的環(huán)形槽鋼上，進行防護門安裝，完成防護門安裝后，開始第3階段的土方開挖、噴射混凝土、防水、鋼筋及混凝土澆筑。至此完成通道部分開挖及二次襯砌施工。分區(qū)開挖的同時使用多段式防護門，確保已完成結構成品處于安全狀態(tài)。第4階段進行集水井開挖，當集水井內凍結帷幕達到強度后，可進行全斷面逐層開挖。開挖完成后進行支護及噴漿施工，然后進行防水及二次襯砌施工。多段式防護門和分段開挖的方式不僅保證了開挖安全性，還可減小造價。

5 實施效果

凍結孔在精準測斜儀和一系列鉆孔工藝的支持下，打設狀況良好，各凍結孔位置均在最大允許偏差250 mm內，鹽水降溫按預計降溫曲線進行，積極凍結施工時間為60 d。右線J1測溫孔溫度變化曲線見圖7。凍結降溫可分為快速降溫、水相變、繼續(xù)降溫和維護凍結4個階段，測溫孔曲線表明，大約45 d后，各測溫孔下降至穩(wěn)定溫度，此時根據(jù)測溫孔溫度計算凍結帷幕達到了2 m凍結壁厚度，凍結壁與管片交界面平均溫度小于-5 ℃，在隧道交界處的測溫點溫度比其余測點低，搭接區(qū)域凍結狀況良好。此時，凍結壁已達到設計厚度，具備開挖條件，維護凍結期間凍結溫度穩(wěn)定，說明對聯(lián)絡通道的結構優(yōu)化、凍結方案優(yōu)化效果良好。

凍結施工和開挖構筑期間隧道結構穩(wěn)定，通過結構、凍結參數(shù)等措施的優(yōu)化縮短了工期，聯(lián)絡通道開挖工期共240 d，其中開挖施工90 d，注漿施工180 d。地表沉降測點布置如圖8所示。開挖及注漿階段地表沉降曲線如圖9所示，圖中各點為地表沉降各斷面中沉降最大的測點。由圖可知，開挖與注漿階段地表沉降均控制在12 mm內，施工完成后融沉期間地表沉降和管線沉降穩(wěn)定，未發(fā)生大面積沉降。

圖7 右線J1測溫孔溫度變化曲線圖

圖8 地表沉降位移測點布置圖

圖9 開挖及注漿階段地表沉降曲線圖

針對該聯(lián)絡通道特殊性，通過變更優(yōu)化施工方案減少了工程量，節(jié)約投資604萬元。

6 結論與建議

1)60 m級聯(lián)絡通道施工通過設計采用雙集水井結構、調整結構參數(shù)等方法，合理選用凍結參數(shù)、合理設置凍結設備，可達到凍結設計要求、減少凍結帷幕體積、提高安全性和減少造價。

2)通過特定鉆機、跟管鉆進、給定反方向補償角等鉆孔糾偏技術，采用內絲坡口鉆桿、成孔后注漿等方式，保證凍結孔鉆孔成孔質量。

3)通過控制鹽水降溫時間和卸壓控制凍脹，以及前期數(shù)值模擬優(yōu)化、指導注漿開始時間和注漿順序，依據(jù)周邊地表沉降自下而上、少量、多點、多次、均勻地精細化跟蹤注漿，保證聯(lián)絡通道及既有隧道變形滿足要求，實現(xiàn)順利開挖并保證施工質量；采用雙向分步開挖等方式保證了聯(lián)絡通道結構順利開挖，并縮短了開挖工期。

4)針對60 m級超長聯(lián)絡通道，當?shù)乇砭哂忻舾行越Y構，變形控制要求更為嚴格時，如何進一步優(yōu)化凍結設計和控制凍脹融沉是值得進一步研究的課題，如可用措施有： 先進行適當?shù)乃嘞蹈牧?，在?lián)通道上部設置部分取土卸壓孔或后期注漿補償孔?？刂频乇碜冃卧陂L距離水平凍結帷幕形成后的暗挖過程中，隨凍結體持續(xù)凍結，造成聯(lián)絡通道中間區(qū)間凍結時間過長，強度提高，對開挖進度有一定的影響?？蛇M一步研究如何優(yōu)化搭接區(qū)域凍結工期和控制凍結時間，以解決開挖困難的問題。