孟宪美

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300000)

1 工程概述

1.1 工程概况

天津地铁4号线成林道站—六纬路站区间右线全长2 517.985 m，左线全长2 538.700 m。区间左线有半径350、450、600、1 000、1 500 m的平曲线各一处，半径400 m的平曲线两处。右线有半径350、462、600、1 000、1 500 m的平曲线各一处，半径400 m的平曲线两处。区间线间距在12.0～27.20 m变化。区间隧道为单洞单线圆形隧道，管片内径∅5 500 mm、管片厚度350 mm、环宽1.5 m/1.2 m，管片混凝土强度等级C50，抗渗等级P10。

1.2 工程地质、水文地质概况

成林道站—六纬路站场地埋深75.00 m 深度范围内，盾构区间内从上到下地层划分及各地层的物理力学指标见表1。根据地基土的岩性分层、室内渗透试验结果，成林道站—六纬路站区间场地埋深50.00 m 以上可划分为潜水含水岩组、第一承压含水岩组和第二承压含水岩组。⑦粉质粘土、⑧1粉质粘土属不透水～微透水层，可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层，初见水位埋深1.40～2.40 m，相当于标高1.24～-0.30 m；静止水位埋深0.70～2.40 m，相当于标高1.49～0.80 m，潜水水位一般年变幅在0.50～1.00 m 左右。⑧2砂质粉土、⑨1粉质粘土、⑨2砂质粉土为第一承压含水层，该承压水水头大沽标高约为-0.50 m；⑩1、粉质粘土、1粉质粘土为第二承压含水层，该承压水水头大沽标高约为-0.50 m。盾构局部穿越⑧2、⑨2粉土承压水层，易引发突发性涌水和涌泥，造成地面塌陷，发生施工事故。

1.3 联络通道概况

本标段盾构区间设有三处联络通道，采用水平冻结法进行土体加固，暗挖法修建联络通道。联络通道采用曲拱直墙断面，通道设计宽度为2.8 m，设计净高为2.9 m，联络通道结构型式见图1。

图1 联络通道结构

2 联络通道施工工艺

联络通道施工工艺流程：第一步，盾构区间采用冷冻法加固联络通道周围土体，平面加固范围为通道中线两侧各6 m(见图2)，Ⅰ区无侧限抗压强度须≥0.8 MPa，渗透系数须<10-8cm/s；Ⅱ区无侧限抗压强度须≥1.5 MPa，渗透系数<10-8cm/s。第二步，采用千斤顶和手拉葫芦先拆除上部4块钢管片，待通道贯通后再拆除下部两块钢管片。第三步，先进行上部通道的开挖和支护，再对泵站开挖和支护。

表1 各地层的物理力学指标

第四步，对联络通道进行支护施工(格栅钢架及挂网施工、湿式喷射砼施工等)。第五步，采用4 mm厚自粘性改性沥青柔性防水卷材进行防水层施工。第五步，二衬采用防水混凝土，防水混凝土的抗渗等级不得小于P8。第六步，二次衬砌后注浆和地层跟踪注浆，注浆顺序为管片底部→喇叭口→通道及集水井[1-2]。

图2 联络通道土体冻结加固范围

3 冻结加固施工方案

3.1 冻结参数确定

设计盐水温度-34 ℃，积极冻结时间为45 d，冻结孔单孔流量≥5 m3/h，冻结帷幕平均温度≤-10 ℃，冻土帷幕交圈时间18～21 d。由于联络通道施工地层地下水丰富，因此在冻结初期需要快速使水冻结，从而保证渗流量减小。冻结施工分三个时段降低盐水温度：第一阶段0～7 d，初始盐水温度为-10 ℃，盐水温度逐渐降至-24 ℃；第二阶段7～15 d，盐水温度降至-30 ℃；第三阶段15～45 d，盐水温度降至-34 ℃以下，工况条件下冻结总需冷量为60 545.59 kcal/h。

3.2 冻结孔设计

冻结孔布置采取从左、右线隧道两侧打孔方式进行，冻结孔个数为77个，冻结孔终孔控制间距为0.05 m，冻结孔允许偏斜为150 mm，冻结管采用∅89 mm×8 mm低碳无缝钢管，冻结管总长度644.5 m；测温孔10个，材质为低碳无缝钢管；卸压孔4个，材质为低碳无缝钢管。冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，联络通道设穿透孔，供对侧隧道冻结孔和冷冻排管需冷用[3-4]，冻结孔具体布置见图3。测温孔钻孔深度为3.5～7.7 m，总孔深为52.5 m；测压孔钻孔深度为3 m，总钻孔深度为12 m。

图3 冻结孔设计情况

3.3 施工监测方案

为确保冻结施工效果，对盐水温度、测温孔温度、卸压孔压力等参数进行了实时监测。盐水温度监测：在总去路、总回路各设置1个监测点，从冷冻机试运行到永久结构施工结束，全程对去回路温差进行监测，监测频率为1次/d。测温孔温度监测： 10个测温孔分别设置在左、右隧道的联络通道，泵房冻结壁上、中、下内外两侧，监测频率为1次/d。卸压孔压力监测在通道拱顶和中心位置各布置两个监测点，泄压孔必须贯通开挖区内的透水层，距离联络通道中轴线均为0.45 m，监测频率为1次/d。监测方案布置示意见图4。

图4 监测方案布置

4 冻结施工效果分析

4.1 盐水温度监测结果

冻结施工期间去路温度、回路温度及去回路温差变化曲线见图5。从图5中可知：随着冻结时间的增加，温度呈逐渐降低的变化特征，其中，在0～7 d内，冻结盐水温度下降速率加快，从-10 ℃下降至-26 ℃，在此阶段内去路温度与回路温度的最大温差达到4 ℃，这是因为在冻结初期，土体内的热交换最为强烈，但如果温度下降幅度过快，则会影响冻结过程的热交换速度，因此在施工后期经过调整，将盐水温度下降速率调慢。当冻结至10 d后，温度下降至-33 ℃；冻结45 d后，盐水温度性降至-34 ℃，随着冻结持续，土体内热交换程度逐渐放缓，去回路温差在逐渐变小并最终趋于稳定。虽然冻结施工过程中盐水温度与设计温度变化过程有些出入，这可能是因为现场施工控制及施工环境影响导致，但是从整体上来看，冻结30 d后，去路盐水温度基本稳定在-34 ℃左右，而回路盐水温度也基本稳定在-32 ℃左右，去路温度与来路温度的差值基本控制在2 ℃左右，差值符合冻结设计要求，因此盐水温度控制相对来讲还是比较合理的。

图5 冻结施工期去、回路温度及差值变化曲线

4.2 测温孔温度监测结果

不同测温孔在冻结45 d后，温度随测温孔深度变化的趋势见表2。从表2中可知：随着测温孔深度的增加，土体温度逐渐降低，这是因为离管片越近，土体与外界环境之间的热交换现象越明显，影响低温盐水与土体之间的热交换，因此在施工时如果有条件的可以在冻结目标区域范围内的管片上铺设隔热材料，从而减少冷量流失到外界环境中[5]；C9测温孔不同深度处的冻结温度温差较大，这是因为C9测温孔附近存在多根交叉冻结管，从而导致不同深度处的冻结效果差别较大；C1、C5、C6、C7、C8这几个测温孔的最终冻结温度在-15 ℃左右，低于其他测温孔的监测得到的冻结温度，这是因为上述几个测温孔位于侧墙和拱顶连接处，处于冻结管布置区域的左右下角，此处冻结壁往往不易交圈，冻结效果相较于其他区域更差；从整体上看，虽然不同区域冻结温度差别较大，但均达到冻结温度低于-10 ℃的要求，表明冻结区域范围内土体被完全冻结。

表2 测温孔监测统计结果℃

4.3 泄压孔压力监测结果

不同泄压孔压力随冻结时间的变化关系见图6(X1和X3为拱顶泄压孔，X2和X4为中心区域泄压孔;X1和X2位于左侧隧道，X3和X4位于右侧隧道)。从图6中可知：在冻结初期(0～13 d)，4个泄压孔的压力均为0;当冻结时间达到13 d后，位于左侧隧道的X1和X2泄压孔压力逐渐开始增大，表明此时泄压孔布置区域内发生相变，相变会引起透水层水压增大，土体开始被冻结并逐渐形成冻结壁；X3泄压孔和X4泄压孔的压力分别从第16 d和第20 d开始增加，拱顶位置处的泄压孔先于中心区域的泄压孔升压，且拱顶处泄压孔压力大于中心区域泄压孔压力，表明拱顶处的土体被冻结时间早于通道中心。拱顶泄压孔在18～20 d左右的压力有较大幅度增长，而中心区域泄压孔在24～26 d左右压力会有较大幅度增长，表明在此冻结时段内周围土体相变十分剧烈。当泄压孔的压力上升到一定程度后，泄压孔的压力就会在0.2～0.3 MPa呈动态波动变化，当冻结时间为35 d时，打开气阀检查有无漏水，因而此时泄压孔压力有所降低，之后又会逐渐增大到原有压力值；当冻结时间为40 d时，打开气阀，仍然无水流出，表明冻结帷幕交圈效果良好。

图6 泄压孔压力随冻结时间的变化曲线

5 结束语

(1)在富水地区进行冻结施工，为防止地下水渗漏，必须在冻结初期快速降低温度，使周围土体连同水体一起冻结，但是只限冻结初期内，也是土体内热交换最为强烈的时间段；在水体冻结完成后，应该将盐水温度下降速率放缓，以防止去回路盐水温度出现较大温差。

(2)在靠近管片处以及冻结管角落处的冻结区域，冻结效果较差，可在冻结区域范围内管片上铺设保温材料，以减少土体与外界环境的热交换，从而保证冻结效果。

(3)盐水去回路差值控制在2 ℃左右，冻结温度均低于-10 ℃，冻结40 d后无水流出，表明本次联络通道冻结施工冻结帷幕交圈效果良好。