张永焕 谭 瑞

中国建筑第八工程局轨道交通分公司

冻结法在富水圆砾层地铁联络通道中的应用

张永焕 谭 瑞

中国建筑第八工程局轨道交通分公司

人工冻结法是一种土层的临时物理加固方法，在岩土工程开挖之前，利用人工制冷技术，通过冻结孔对周围地层进行制冷，使地层中的水结冰，将松散含水岩土变成冻土，形成强度高，封闭性好的冻结壁抵抗周围岩土的压力，确保工程开挖的安全。本文结合南宁地铁工程富水圆砾层联络通道冻结设计和施工过程，总结了在富水地下工程中冻结法施工的冻结设计参数标准、冻结前准备工作和控制标准、后期融沉注浆的监测要求等。

地铁：冻结法；富水圆砾层；联络通道

1 工程概况

1.1 工程概况

南宁市轨道交通2号线秀厢站～三十三中站区间采用盾构法施工，长度为640米，于右线设置一处联络通道兼废水泵房为直墙圆拱式结构，净宽2.5m，净高2.9m，采用浅埋暗挖法施工，结构形式采用复合式衬砌。

1.2 水文地质概况

联络通道及泵房处结构覆土约13.8m，拱顶主要位于粉土③2，洞身主要位于粉土③2及圆砾层⑤1-1，场地地貌形态主要为侵蚀堆积河谷阶地邕江高阶地地貌，揭露地层为填土层，第四纪冲洪积层，基岩为古近系岩层；根据钻探及附近工程资料，结合地下水赋存条件、含水介质及水力特征的分析，地下水主要类型为基岩裂隙水。该含水层富水性较好、透水性较好，受大气降水和地表水补给，水量中等，具承压性。联络通道地质剖面图如下所示：

2 冻结法施工设计及应用

2.1 冻结设计

设计采用水平冻结法加固地层制冷方式为氟利昂－盐水冻结系统。

2.1.1冻结壁设计

冻结壁设计为1.8m，参照类似工程冻土物理力学性质试验，冻土强度的设计指标取为：单轴抗压不小于3.6MPa，弯折抗拉不小于2.0MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃下）。为保证冻土平均温度达到设计时计算值，冻结壁验收时平均温度应不高于-10℃，开挖区冻结孔布置圈上与隧道管片交界面平均温度不高于-5℃。开挖时盐水温度在-28℃以下，去、回路盐水温差不大于2℃。

2.1.2冻结孔和测温孔布置

联络通道泵房布置冻结孔总数50个,其中4个穿透孔，长度在5～10米，总长度约375m；布置9个测温孔，测温管选用Φ32钢管,长度2.5～6m不等,管前端焊接密封，。目的主要是测量冻结壁范围不同部位的温度变化。

2.2 冻结孔施工

2.2.1冻结孔定位

依据施工基准点，按施工图进行孔位放线，孔位布置要依据管片配筋图，在避开主筋、螺栓和钢管片肋板的前提下可适当调整。

2.2.2开孔及孔口密封

开孔深度控制不得钻穿管片，取出后打入加工好的孔口管，至少有4个点固定在管片上，然后安装孔口密封装置。当每个钻孔完成后，孔口法兰与冻结管之间间隙用钢板焊接密封。

2.2.3冻结孔钻进

钻孔设备在钻头部位安装一个特制单向阀门，采用水循环钻进，钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，钻孔的偏斜应控制在150mm以内。

2.2.4冻结管安装

冻结管长度不得小于设计长度，冻结管之间采用丝扣连接，螺纹紧固后再用电弧焊焊接，确保其连接质量。下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，冻结孔终孔最大允许间距为130cm，集水井处冻结孔终孔最大允许间距为140cm，超出允许值的可进行补孔或作延长冻结时间进行处理。

2.3 积极冻结

冻结站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、温度等参数，使机组在工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。冻结系统运转正常后进入积极冻结。要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h；7天后盐水温度降至-18℃以下，15天后盐水温度降至-24℃以下，去回路温差不大于2℃；开挖前盐水温度降至-28℃以下。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。

2.4 开挖二衬

确定进行开挖之前需结合测温孔资料、探孔情况等方面的数据，在满足设计要求条件后进行开挖。由于土体冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时可以采用全断面一次开挖，在开挖过程中根据揭露土体的加固效果，及监控监测信息，及时调整开挖步距和支护强度，并还要及时对暴露的冻结帷幕进行保温。

结构层混凝土选用商品防水混凝土，混凝土强度、抗渗等级按设计要求。因结构浇筑时间长，可在混凝土内加入一定量的缓凝剂。

2.5 维护冻结

在积极冻结过程中，要根据实测温度资料判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度，并且监测冻结帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻结帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后，可进入维护冻结阶段。维护冻结期温度为不大于-26℃，冻结时间贯穿联络通道泵房开挖和主体结构施工始终。

2.6 冻结孔（测温孔）处理

在二衬施工完成后，根据监测数据分析，待达到设计要求，冷冻设备拆除完成后，将冻结孔进行封孔处理。冻结孔（测温孔）封孔如图所示：

2.7 融沉注浆施工

控制地面和隧道的沉降变形是融沉注浆的目的。因此在结构施工结束后因及时进行充填注浆。另外注浆施工过程中，浆液的压力可以通过在相邻注浆孔安装压力表来反映。监测地表沉降、监测管片隆沉和收敛变形和监测联络通道结构变形的综合监测数据是注浆参数调整的依据。

2.8 测量和监测

根据施工经验，结合连络通道和融沉注浆的特点、设计要求及有关规范规定，对本联络通道施工中检测项目和监测控制值要求如下表：

表1 各监测项目控制值

3 冻结法施工效果分析

3.1 冻结效果分析

冻结效果的分析可以从冻结帷幕厚度的确定、冻土平均温度和探孔情况二个方面来分析。

3.1.1冻结帷幕厚度

综合卸压孔和测温孔数据分析，联络通道冻土最慢发展速度为30.00 mm/d。以最慢发展速度（11月18日，冻结39天）计算冻土发展半径r＝30.00×39=1170mm，按冻结发展半径1170mm作图，从图上测量出：通道部位冻结帷幕最薄有效厚度为2080mm，因此冻结帷幕厚度已满足设计不小于1.8m要求。

3.1.2冻土平均温度的确定

根据公式法计算（设计依据）：

其中：

tb＝盐水温度， -29.5℃

l＝孔间距， 1.2m

E＝冻土厚度， 2.08m

tB＝开挖面温度，-8℃

3.1.3探孔情况

11月10日，在联络通道的通道段内堆积沙袋清理完后随机向下部泵房位置打设5个探孔，探孔深度1.0米至2.0米不等，目的是探明底部泵房内原含水层的地下水情况，经探孔情况揭示底部泵房无明显泥沙、水等流出，满足开挖条件。

3.2 冻结效果评估

根据上述冻结分析及探孔情况表明，冻结效果良好，冻结帷幕厚度2.08米满足设计要求不小于1.8米的要求，冻土帷幕平均温度-10.31℃满足设计要求不高于-10℃的要求，探孔无明显出水情况，满足冻结加固条件，故可以开挖施工。

4 结束语

该区间联络通道冻结法施工期间，冷冻机于10月11日正式运转，至10月15日盐水去、回路温度达到-18℃，10月23日盐水去、回路温度达到-24℃以下，到10月29日盐水去路温度达到-28℃以下，盐水温度一直保持在-28℃以下，温差不大于2℃，满足设计要求，。在积极冻结期，冷冻机组达到满负荷运转，整个过程中冻结效果均达到设计要求（积极冻结期间盐水温度及温差变化见下图），确保联络通道及泵站尽快达到冻结开挖条件，及时进行结构施工。为类似的工程提供了可借鉴的施工经验。