冻结技术在青岛地铁富水砂层联络通道的应用研究

　　摘要：结合青岛地铁1号线某项目施工实例，介绍地铁盾构区间联络通道在富水砂层条件下冻结技术的应用研究，就冻结孔布置、冻结设备和参数的选择等方面进行较为详细的阐述，总结出联络通道冻结法技术施工风险的控制措施，并在工程应用中收到了良好的效果，为今后富水砂层地质条件下类似的联络通道施工具有较大的借鉴和指导意义。

　　关键词盾构区间联络通道富水砂层冻结技术

　　1.前沿

　　冻结技术起源于天然冻结现象，凭借着安全可靠性好、环境污染小、加固土体强度较高、止水性能好、灵活性好等特点，已普遍应用于国内城市轨道交通工程中盾构区间联络通道开挖、复杂地质条件下暗挖隧道的地层加固等领域。本工程作为青岛首个引入冻结法施工的地铁项目，依托冻结法技术应用，成功解决了富水砂层条件下重大风险施工等问题。

　　水平冻结法技术是指首先在开挖掌子面范围内打设一定数量的冻结孔，冻结孔须与联络通道开挖方向基本平行或者轻度倾斜，然后在冻结孔内安装循环管道，通过循环管内的低温盐水流动循环，使冻结孔周边的含水土体冻结，形成一圈止水性能好、抗压强度高的帷幕，等待加固土体达到设计强度、帷幕达到设计厚度后进行联络通道土体开挖施工。冻结法施工中的重难点是判断是否有效形成冻结帷幕;并依据冻结帷幕厚度、冻结土体的强度和温度、冻结时间长短等条件来确定开挖时间节点。

　　联络通道是富水砂层地铁盾构区间施工的管控难点，也是地铁盾构区间施工安全风险极高的工程。国内有些城市地铁建设过程中富水砂层条件下的联络通道施工发生过不少事故，因此应予以高度重视。

　　2.工程概况

　　青岛地铁1号线某盾构区间联络通道结构覆土17m，地勘报告显示自上而下的土层依次为：⑪粘土、⑪/1含粘性土粗砂、⑫粗砂～砾砂、⑯/9强风化安山岩，其中联络通道地层位于⑪粘土、⑫粗砂～砾砂当中;场区地下水赋存在第四系基岩和松散砂土层的裂隙中，地下水的稳定水位埋深为8.05～8.20米，绝对标高为3.818～4.59米;地下水流速及流向为第11-1层中砂-粗砂层，整体流速为0.1～0.75m/d;第12层粗砂-砾砂层，整体流速0.15～4.81m/d。

　　3.联络通道土体加固方案比选

　　联络通道土体原设计采用∅600@450旋喷桩加固的方式对富水砂层附近地层进行加固;开挖前进行水平取芯，芯样局部不完整，且有水涌出，带少量泥沙，考虑富水砂层深孔旋喷存在缺陷，止水效果不明显，为确保安全开挖，再次进行了洞内水平双液浆加固，加固中管片局部位移，地面裂缝长度扩大后停止注浆;然后采取地面增设降水井、洞内增设泄水孔的方式进行降水，但开挖安全仍无法保证，存在涌水涌砂的风险。

　　根据青岛地铁1号线工程实际情况，参照其他城市同类地质条件的工程经验，鉴于联络通道周边地层已多次扰动，施工条件复杂等情况，确定采用局部加强的水平冻结技术对现状地层进行加固，确保开挖安全。

　　4.冻结法施工方案

　　本工程冻结法施工方案是首先利用水平孔或倾斜孔使含水土体冻结，联络通道开挖土体及周边土体得到冻结加固，然后进行联络通道管片破除和土体暗挖施工，待二衬结构施工完毕后进行自然解冻和融沉注浆;冻结孔布置、制冷系统/盐水系统设备安装、积极冻结、开挖初期支护为本工程的关键节点;冻结施工沉降监测、土体冻结强度、冻结温度及孔内压力监测是冻结施工的管控重点。

　　4.1冻结帷幕设计

　　冻结帷幕设计首先对盾构区间联络通道结构的受力情况进行分析，然后通过假设在设计冻结温度和冻结帷幕厚度下的冻结强度，分析计算冻结帷幕安全指标系数，从而得到冻结孔的布置设计。此工程设计冻结孔共计92个(右线65个，左线27个)。

　　4.2冻结设备和参数的选择

　　冻结设备选用的冷冻机机组型号为JYSLGF300III，工况制冷量12.3×104Kcal/h，电机功率110kw，数量2台，其中1台备用。冻结系统辅助设备有：(1)盐水循环泵选用型号为IS200-150-315，电机功率55kw，扬程32m，流量315m3/h，数量2台，1台备用;(2)冷却水循环设备选用的清水泵型号为10SH-19，电机功率22kw，流量187m3/h，数量两台，其中1台备用;(3)冷却系统主要采用喷淋冷却设备，补充新鲜水指标为15m3/h。

　　冻结供冷系统设计参数是积极冻结盐水温度达到-28℃～-30℃，去路与回路盐水温差额小于2℃，冻结孔的单孔流量不小于5～8m3/h;积极冻结时间设计指标为60天，维护冻结期间温度小于-28℃。

　　5.冻结施工风险管控措施

　　5.1冻结前的风险管控措施

　　(1)安装预应力支架

　　冻结过程中盾构管片结构因冻结压力的作用，使盾构区间发生横向结构变形。为减少变形，在冻结壁交圈之前在盾构区间内设置预应力支架。本工程联络通道共设8榀预应力支架，在盾构区间联络通道预留洞口两侧的第二、三环隧道管片中间处设置。

　　(2)布置测温计

　　为掌握冻结帷幕的形成过程和结果，冻结壁是否交圈，冻结帷幕厚度及冻结温度是否满足设计要求，在左右线盾构区间联络通道洞口共设置12个测温孔(右线布置2个，左线布置10个)，深度2m～10m。

　　(3)布置卸压孔

　　为了减少冻胀对工程上方地面以及盾构区间管片的影响，在盾构区间左右线联络通道开挖掌子面内布置4个卸压孔(左、右线各2个)，通过对卸压孔内水流量的观察以及卸压孔内水压检测，用来判定冻结效果。

　　5.2冻结过程中的风险管控措施

　　为了判断联络通道冻结帷幕厚度和强度是否满足设计要求，采取以下措施：

　　(1)盐水降温情况。自2019年11月16日开机至2019年12月30日，冻结系统在维护冻结设计温度-28℃以下运行，累计运行天数为45，去路运行温度-29.8℃，回路运行温度-28.4℃;去路与回路温差为1.4℃，小于设计温差2℃。通过去路与回路温差、盐水温度分析，降温趋线已经正常，冻结范围内的热负荷减小明显，得出结论冻结帷幕效果良好。

　　(2)根据冻结孔内实测温度资料、测点温度到达0℃的时间，测算出冻土发展速度最小25.8mm/d，最大47.3mm/d，冻土平均发展速度为34.8mm/d。在联络通道的中部、两端三个位置选取冻结断面进行冻结壁厚度分析，使用联络通道最小冻土发展速度值25.8mm/d，推算出冻结壁厚度达到设计2.2m要求，其中联络通道侧墙最小冻土厚度达到2214mm，拱顶结构最小冻土保护层厚度达到3291mm。

　　(3)观察卸压孔的压力变化情况。联络通道左右线4个卸压孔的原始水压为0.1MPa左右，从冻结20天(12月5日)前后泄压孔内压力开始增长，冻结24天(12月9日)压力涨幅明显，证明冻结壁全部交圈;冻结第27天(12月12日)泄压孔内压力为0.38MPa;为了防止冻结压力过大对盾构区间管片造成破坏，开始在泄压孔进行卸压，第一次泄压时最初半分钟内有浑水流出，之后变为清水，泄压时间约5分钟，测得水流温度为9.6℃，测得水流量为0.27m³/小时;其后每隔一天泄压一次，泄压至12月25日无水流出，说明联络通道在冻结帷幕的保护下土体状态已稳定。

　　5.3冻胀、融沉风险控制措施

　　冻结法对于地面建筑物、道路和盾构区间结构的影响主要原因是冻胀和融沉。首先，为了减少冻结施工对地面建筑物和盾构区间管片结构的影响，在冻结帷幕内设置多个泄压孔，通过放水卸压减弱作用在盾构区间管片结构上的压力;通过自动化监测设备实时监测盾构区间管片的变形，推算冻结施工对盾构区间结构的最终影响;通过监测盐水温度，实时调整来回路温差和盐水流量，确保冻结帷幕厚度不低于设计值;其次为了规避地面融沉可能对盾构区间造成不良后果，在二衬结构施工过程中预留浆液注浆管，在结构二衬施工完毕、冻结停止后进行注浆，用来补偿土体溶解下沉，同时冻结施工全过程采取自动化监测手段，对管片结构变形、地面沉降变形、泄压孔压力、冻土温度进行实时监测;通过对冻结法施工的全过程分析，冻结期间地面上升，开挖期间地面基本稳定，加固土体解冻期间地面下沉，其中最大累计沉降量为-10mm，远远小于累计沉降量2cm的设计要求，可见水平冻结法对地面建筑物和盾构区间结构不会造成不良的破坏影响。

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　　6.结语

　　冻结法在青岛地铁1号线盾构区间联络通道的成功应用，说明冻结技术在富水砂层复杂水文地质条件下是有效、可行的，最大限度的防范了隧道涌水涌砂施工风险，对青岛地铁类似地层工程提供了丰富的施工经验。

　　参考文献

　　[1]王晖.软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法施工控制技术研究[J]现代隧道技术.2004.03.004

　　[2]姜庆.冻结法在地铁盾构隧道联络通道的应用[J]低碳世界.2017.08.129

　　作者：刘辉