楊曉東

（中交路橋建設(shè)有限公司，北京 150096）

1 工程概況

紅旗大街規(guī)劃紅線80m，現(xiàn)狀道路寬42m，區(qū)間起訖里程為DK22+656.179～DK23+285.989，總長(zhǎng)629.810m。其沿線建設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道（處于DK22+990.317），隧道中心埋深約17.5m，為該區(qū)間的重難點(diǎn)施工內(nèi)容。

1.1 聯(lián)絡(luò)通道工程地質(zhì)

根據(jù)地勘資料和鉆探分析結(jié)果可知，建設(shè)場(chǎng)地的地層分布類(lèi)型主要包含全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）、上更新統(tǒng)哈爾濱組沖積洪積層（Q32hral+pl）、中更新統(tǒng)上荒山組湖積層（Q22hl）、中更新統(tǒng)下荒山組沖積層（Q21hal）、下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層（Q12dfgl）及白堊系嫩江組泥巖（砂巖）（K2n）。以地層的成因及物理力學(xué)性質(zhì)為基本判斷依據(jù)，可將已探明的地層劃分為6個(gè)大層，并進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)亞層。

聯(lián)絡(luò)通道所處地層主要特征如下：（1）第6～3層中砂。黃色，飽和，密實(shí)狀態(tài)，分選較好，顆粒均勻，砂質(zhì)純，顆粒成分以石英、長(zhǎng)石居多，局部夾黏性土薄層；頂層埋深12.40～18.90m，平均層厚4.14m，分布具有連續(xù)性。（2）第6～4層粗砂。黃色，飽和，密實(shí)狀態(tài)，分選中等，磨圓一般，砂質(zhì)純，顆粒成分以石英、長(zhǎng)石居多，局部夾黏性土薄層；層厚1.00～10.80m，平均層厚4.65m，分布具有連續(xù)性。

1.2 聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)概況

通過(guò)礦山法組織施工，采取的是復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式。防水為聯(lián)絡(luò)通道施工的重點(diǎn)內(nèi)容，遵循預(yù)防為主的基本原則，采用多重治理手段，并高度注重對(duì)施工縫的防水處理。聯(lián)絡(luò)通道尺寸方面，基本要求為凈寬2.5m和凈高2.6m。襯砌采用二次襯砌形式，各類(lèi)型結(jié)構(gòu)層的厚度要求為初期支護(hù)層250mm和結(jié)構(gòu)層400mm。二襯結(jié)構(gòu)的防水性能應(yīng)得到保障，以C40高性能防水混凝土較為合適，要求其抗?jié)B等級(jí)達(dá)到P10。

2 凍結(jié)加固工藝原理

凍結(jié)法在地層加固領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其主要以人工制冷技術(shù)為核心搭建凍結(jié)管系統(tǒng)，通過(guò)低溫冷媒在其中循環(huán)，將產(chǎn)生的冷量持續(xù)向現(xiàn)場(chǎng)地層傳遞，可使土體水分溫度達(dá)到冰點(diǎn)的溫度要求，最終結(jié)冰。然后利用冰的膠結(jié)作用，使土體形成一個(gè)不透水的整體結(jié)構(gòu)，以大幅度增強(qiáng)土體的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和抗?jié)B性，從而形成隔絕地下水的屏障，有效抵抗巖土壓力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全的開(kāi)挖和支護(hù)作業(yè)。

以制冷方式為依據(jù)，凍結(jié)法可細(xì)分為循環(huán)制冷和直接制冷兩種方式。其中，循環(huán)制冷的核心工作思路在于將氨或氟利昂作為制冷劑，鹽水作為冷媒。該方式造價(jià)低，使用較為普遍。直接制冷所采用的制冷劑則是低溫液氮等相關(guān)材料，在泵裝置的作用下傳輸?shù)蜏匾后w，使其經(jīng)由凍結(jié)管后作用于地層，使地層轉(zhuǎn)為凍結(jié)狀態(tài)[1]。

考慮循環(huán)式制冷方式和直接制冷方式兩種凍結(jié)方式的特點(diǎn)，該工程決定采用循環(huán)式制冷方式凍結(jié)法進(jìn)行施工。具體工作原理如圖1所示。

圖1 循環(huán)式制冷方式凍結(jié)法工作原理圖

由原理圖可知，循環(huán)式制冷方式得以運(yùn)行的核心在于得到制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)及冷媒水循環(huán)三個(gè)循環(huán)的協(xié)同配合。

2.1 制冷劑循環(huán)

蒸發(fā)器內(nèi)存在具有低溫、低壓特性的制冷劑蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)抽出后首先給予壓縮處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏籂顟B(tài)；然后使所得制冷劑蒸汽轉(zhuǎn)入冷凝器內(nèi)，形成具有高溫常壓且呈液體形式的制冷劑；接著使其通過(guò)節(jié)流閥，轉(zhuǎn)為具有低溫低壓特性的制冷劑；最后經(jīng)上述流程后，將所得的制冷劑將轉(zhuǎn)入蒸發(fā)器內(nèi)并發(fā)生吸熱反應(yīng)，成為低溫低壓蒸汽[2]。

2.2 冷卻水循環(huán)

冷卻水經(jīng)過(guò)冷卻水散熱器降溫后進(jìn)入冷凝器內(nèi)為冷凝器降溫后再回到冷卻水散熱器內(nèi)繼續(xù)降溫。冷卻水散熱器有冷卻塔和空氣冷卻器兩種，該項(xiàng)目施工中選用了兩種散熱器，1用1備。

2.3 冷媒水（鹽水）循環(huán)

冷媒水（鹽水）經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器降溫后進(jìn)入凍結(jié)管內(nèi)，為土層降溫后再次回到蒸發(fā)器內(nèi)繼續(xù)降溫。

3 凍結(jié)加固方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，聯(lián)絡(luò)通道采取水平成孔或斜向成孔的方式，各鉆孔分別適配孔口管。鑒于鉆孔施工中易涌出泥水的情況，特在孔口處配置密封裝置。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)孔內(nèi)流出量的檢測(cè)，并結(jié)合地表沉降檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定可行的注漿方案。

（2）凍土帷幕的厚度及強(qiáng)度是重點(diǎn)控制指標(biāo)，其對(duì)聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖質(zhì)量具有較顯著的影響。因此，應(yīng)注重凍結(jié)和開(kāi)挖的關(guān)聯(lián)性，密切關(guān)注凍結(jié)帷幕的變形狀況，以實(shí)際情況為準(zhǔn)，適時(shí)調(diào)整開(kāi)挖施工工藝。

（3）對(duì)于凍脹作用易導(dǎo)致隧道失穩(wěn)的問(wèn)題，宜通過(guò)冷管和保溫層的方式有效規(guī)避。凍結(jié)孔與對(duì)側(cè)隧道管片應(yīng)保持小距離的位置關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采取提高鹽水溫度等措施，以保證凍結(jié)質(zhì)量和效率。此外，可布設(shè)泄壓孔，以削弱土層凍脹對(duì)隧道造成的破壞性影響。

（4）布設(shè)測(cè)溫孔和泄壓孔，然后在其作用下及時(shí)監(jiān)測(cè)凍土帷幕的發(fā)展?fàn)顩r，以便為施工動(dòng)態(tài)化調(diào)整提供參考。

4 凍結(jié)施工應(yīng)用

4.1 凍結(jié)孔施工

（1）定位開(kāi)孔及孔口管安裝：在鑿平孔口區(qū)域布設(shè)4個(gè)φ12mm膨脹螺栓，在魚(yú)鱗扣上緊密纏繞麻絲，砸入孔口管后，將其與膨脹螺栓穩(wěn)定連接，再安裝DN125閘閥，經(jīng)二次開(kāi)孔后，完全穿透砼管片。

（2）孔口裝置安裝：根據(jù)要求選擇孔口裝置，將其穩(wěn)定安裝至閘閥上，并配置適量密封墊片。

（3）鉆孔：鉆孔作業(yè)所用設(shè)備為MD-80型鉆機(jī)，在施工中要合理調(diào)整好鉆機(jī)的位置，對(duì)其采取固定措施，使鉆頭有效進(jìn)入孔口裝置內(nèi)。若無(wú)誤，則將盤(pán)根壓在盤(pán)根盒內(nèi)。

（4）封閉孔底部：封堵孔底（可通過(guò)接長(zhǎng)桿將絲堵至孔內(nèi)）。

（5）測(cè)量：全面檢測(cè)凍結(jié)管，明確其長(zhǎng)度情況，再組織測(cè)斜作業(yè)，保證偏斜率≤1%。

（6）打壓試驗(yàn)：封閉孔口，借助手壓泵打水入孔。隨著水壓的持續(xù)提升，待該值達(dá)到0.8MPa并滿足至少為凍結(jié)工作面鹽水壓力1.5倍的要求后，便可暫停打壓。此后檢驗(yàn)打壓效果，緊閉閥門(mén)，持續(xù)觀測(cè)30min，保證該期間降壓量≤0.05MPa。

4.2 鉆孔偏斜

要求孔位偏差≤100mm，同時(shí)注重對(duì)孔位的選擇，不宜設(shè)置在管片接縫等較薄弱的區(qū)域。

4.3 凍結(jié)孔鉆進(jìn)與凍結(jié)管設(shè)置

（1）通過(guò)跟管鉆進(jìn)的方式有序鉆孔。此方式的優(yōu)勢(shì)在于可有效減少地層流出物，且地面受擾程度相對(duì)較小。

（2）通過(guò)套管絲扣連接凍結(jié)管，設(shè)置好對(duì)接頭螺紋后，對(duì)其采取緊固措施，此后利用手工電弧焊接，密封頭部。

（3）鉆進(jìn)期間加強(qiáng)檢測(cè)，密切關(guān)注孔的傾斜情況，若存在偏差則及時(shí)糾正。凍結(jié)管安裝后，利用經(jīng)緯儀做全面的檢測(cè)，完整記錄數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)繪制鉆孔偏斜圖。

（4）關(guān)注凍結(jié)管與管片的位置情況。若兩者間存在空隙，可通過(guò)堵漏材料有效處理，保證其具有嚴(yán)密性。

（5）將供液管安裝到位，焊接凍結(jié)管端蓋和去、回路羊角。

（6）凍結(jié)作業(yè)落實(shí)到位后，處理側(cè)隧道聯(lián)絡(luò)通道外圍凍結(jié)壁。在該處按照500mm的間距標(biāo)準(zhǔn)，依次敷設(shè)5排φ45mm無(wú)縫鋼管作為冷凍排管。

4.4 凍結(jié)站布置與設(shè)備安裝

凍結(jié)平臺(tái)建設(shè)于海先區(qū)間左線隧道聯(lián)絡(luò)中心處，有序向先鋒站方向搭建成型，尺寸要求為24m（長(zhǎng)）×4.5m（寬）。結(jié)構(gòu)方面，以16#工字鋼為材料搭建骨架，鋪設(shè)50mm厚的木板，型鋼橫向搭在隧道管片上。第一區(qū)域平臺(tái)上搭建凍結(jié)站大門(mén)，第二區(qū)域平臺(tái)安裝鹽水箱及鹽水泵兩部分裝置，第三區(qū)域平臺(tái)配置設(shè)備為冷凍機(jī)、控制柜及配電箱，各類(lèi)電箱、軸風(fēng)機(jī)、清水箱（泵）均安裝至第四區(qū)域平臺(tái)上。此外，為滿足消防需求，在完成凍結(jié)站平臺(tái)的搭建作業(yè)后，需在冷凍機(jī)組的對(duì)側(cè)設(shè)4箱滅火器。

4.5 管路連接、保溫與測(cè)試儀表

取隧道管片斜坡的位置，于該處搭建具有足夠穩(wěn)定性的管架，再設(shè)置鹽水管。為加強(qiáng)對(duì)管道與冷卻水循環(huán)管路連接部分的處理，可在該處設(shè)置伸縮接頭等附件。圍繞鹽水管路展開(kāi)試漏及清洗作業(yè)，再利用阻燃材料保溫，形成厚度約50mm的保溫層，于外側(cè)包扎阻燃布，實(shí)現(xiàn)全方位的防護(hù)。集配液管與凍結(jié)管的連接處可設(shè)置高壓膠管，凍結(jié)管各進(jìn)出口均需安裝閥門(mén)，目的在于后期能根據(jù)實(shí)際需求及時(shí)調(diào)整流量。部分凍結(jié)管位于聯(lián)絡(luò)通道四周，可將該部分按照4個(gè)/組的方式串聯(lián)，剩余凍結(jié)管各組數(shù)量以5～6個(gè)為宜。各組均配置集配液管，對(duì)凍結(jié)器接口依次編號(hào)。

4.6 積極凍結(jié)

以鹽水實(shí)測(cè)溫度為準(zhǔn)，不滿足要求時(shí)需采取降溫措施。正常工況下，凍結(jié)孔的流量應(yīng)達(dá)到5～7m3/h，要求7d在-18℃以下，15d在-24℃以下，開(kāi)挖過(guò)程中溫度需在-28℃以下。除此之外，還需確保去、回路鹽水溫差≤2℃。施工期間若某項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，則必須延長(zhǎng)積極凍結(jié)時(shí)間。

4.7 維護(hù)凍結(jié)

完成初期支護(hù)作業(yè)后，即可組織維護(hù)凍結(jié)的相關(guān)工作。應(yīng)保證此過(guò)程中溫度最大值≤-25℃。此外，在聯(lián)絡(luò)通道開(kāi)挖和主體施工時(shí)，都要采取相適應(yīng)的凍結(jié)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，凍結(jié)技術(shù)在地鐵聯(lián)絡(luò)通道施工期間得到了廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用凍結(jié)法時(shí)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及凍結(jié)工藝施工的要點(diǎn)，圍繞凍結(jié)法的具體施工要點(diǎn)展開(kāi)，重點(diǎn)體現(xiàn)在凍結(jié)設(shè)備配置及安裝、溫度控制、檢測(cè)等方面，能更好地完成地鐵聯(lián)絡(luò)通道的施工工作。