冻结法在福州地铁联络通道施工中的应用

张焱

中铁四局集团城市轨道交通工程分公司 福建福州 350299

摘要：结合福州地铁6号线航城站～郑和站区间联络通道及泵站工程，介绍了冻结法在地铁联络通道施工中的施工技术，对冻结法在福州地铁类似地层施工有一定的指导意义。

关键词：联络通道;冻结法

1工程概况

1.1 工程概述

福州市轨道交通6号线工程土建施工总承包第2标段土建2工区位于福州长乐区，项目包括一站两区间，分别为航城站～郑和站区间、郑和站、郑和站～十洋站区间。具体桩号为ZK16+968.326～ZK19+563.404。

航城站～郑和站区间，区间起点为航城站大里程端端头井，终点为郑和站小里程端端头井，上行线全长1257.860m；下行线全长1261.773m；根据消防、给排水等专业相关要求，考虑沿线地质、环境等情况，本区间在SK17+376.710（XK17+366.057）处设1#联络通道（含泵站），在SK17+760.000（XK17+752.793）处设2#联络通道。

本区间设置联络通道及泵站、联络通道各一座，均采用冻结法加固，矿山法暗挖施工。

图1.1-1、1#联络通道及泵站结构三维图

图1.1-2、2#联络通道结构三维图

区间联络通道主要位于<2-4-2>淤泥质土、<3-6-2>（含碎石）粉质黏土、<3-1-1>粉质黏土、<3-2>（含泥）中砂、<3-4-2>淤泥质土、<3-6-3>（泥质）碎石、<3-5-1>淤泥质土夹砂。

航城站～郑和站区间1#联络通道（含泵站）位于海峡北路正下方，通道西北侧是上洞江，通道中心距江边约27m，1#联络通道东南侧是皇庭丹郡小区44层，33层两栋砼高层，带一层地下室，基础均采用PHC预应力高强管桩，桩长40～51m，距上行线隧道中心约56m，还有一个燃气调压箱，距上行线隧道中心线约36.9m。1#联络通道上方预埋污水管DN400PVC管，埋深1.92m；预埋雨水管DN1000砼管，埋深4.1m；还有两排路灯管线。2#联络通道位于海峡北路与郑和西路交界处东南侧，联络通道周围无重要建筑物，无管线。

1.2 施工方案

根据工程地质条件及其它施工条件，确定采用“隧道内钻凿，布设水平孔、近水平孔冻结临时加固土体，矿山法暗挖构筑”的施工方案，即：在隧道内利用水平孔和部分倾斜孔冻结加固地层，使联络通道及泵房外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕，然后根据“新奥法”的基本原理，在冻土中采用矿山法进行联络通道及泵房的开挖构筑施工，地层冻结和开挖构筑施工均在区间隧道内进行，其主要施工顺序为：

施工准备→冻结孔施工（同时安装冻结制冷系统，盐水系统和监测系统）→进行隧道支撑→积极冻结→探孔试挖→拆钢管片→联络通道掘进与初期支护→联络通道二次衬砌→泵房开挖与初期支护→泵房二次衬砌→结构充填注浆→进行自然解冻融沉注浆充填→撤场。

冻结孔施工和联络通道初期支护施工为本工程的关键工序；盐水管的敷设及与钢管片的连接为重要控制点；冻结监测和温度，土体变形，压力监测及联络通道永久支护施工为特殊工序。

土体变形，压力监测及联络通道永久支护施工为特殊工序。2个联络通道共设置1个冻结机房，冻结站布置于隧道1#联络通道及泵站处，引两趟盐水干管至2#联络通道位置，2#联络通道距离冻结机房约383.29m，冷量损失约为1.5×104Kcal/h ，机房选用TBSD620.1FJ型冷冻机机组（标况制冷量14.19×104Kcal/h ）3台，其中1台备用。

2 1#联络通道及泵房冻结施工

（1）左线于2019年3月24日开始钻孔施工，2019年4月9日钻孔施工结束，共施工钻孔数59个，所有钻孔深度均达到设计要求。测温孔2个，泄压孔布置2个；右线于2019年3月23日开始钻孔施工，2019年3月28日钻孔施工结束，共施工钻孔数25个，所有钻孔深度均达到设计要求，测温孔10个，泄压孔布置2个。

盐水温度如下，2019年4月19日开机，盐水去路温度：20.3℃，盐水回路温度20.1℃，温差2℃；4月28日，盐水去路温度降到-25.1℃，回路-24.2℃，温差0.9℃；5月4日，盐水去路温度降到-28℃以下，至今已维持39天，目前盐水去路温度在-29.6℃，回路温度-28.5℃，温差1.1℃，根据盐水去、回路温度、温差来看，盐水降温趋势正常。

图2-1 盐水去回路温度趋势图

监测数据分析：图2-1中，开始冻结后，盐水温度在较短的时间内降到-20℃以下，满足设计的要求。在整个冻结期间，盐水干管的去路和回路温差保持在1℃左右，特别是在冻结后期，随着冻结的深入，去路和回路的温差保持在更小的范围，说明在整个冻结过程中，冷冻机的制冷效果是可以保证的，从而也保证了冻结的效果。

（2）冻结孔单孔流量不小于5m3/h，保证与地层进行热交换的均匀性与实效性；

（3）根据测点温度到达0℃的时间，推算冻土平均发展速度，从而获得冻土帷幕扩展范围。开挖验收前所有测温孔的测点均达到0℃以下，距离冻结管较近的测点温度最低达-20℃以下，根据测温孔距最近冻结孔距离/到0℃天数，现取最小发展速度31.25mm/天（C5,2.0m测点），计算冻结54天发展半径达到1687.5mm，通道部分冻结帷幕最小厚度达到2841mm，大于设计要求2300mm，喇叭口部分冻结帷幕最小厚度达到2559mm，大于设计要求2000mm，冻土平均温度在-11℃左右。开挖过程中通过红外线测温计，量得断面土体温度始终维持在-5℃左右，四个角的温度最低达到-13℃；用风镐打冻土为块状且固结结霜良好，保证了开挖过程中的安全。

（4）泄压孔分析

左、右线4个卸压孔的原始地层压力分别为X1=0.05，X2=0.06，X3=0.08，X4=0.06MPa。从 5月5日前后泄压孔压力开始增长，5月8日压力增长到0.33MPa左右；为了防止冻胀力过大对管片造成损伤，开始对其进行卸压，泄压时最初有清水缓慢流出，5分钟后，无水流出。5月10日开始将泄压孔保持半敞开状态。根据泄压孔压力变化，说明冻结20天左右时冻土柱已经全部交圈，冻结帷幕已基本形成。此后冻胀压力趋于稳定并逐步减少，冻土帷幕厚度增加，符合冻土冻结规律。

（5）测温孔分析：测温孔左、右线共布置12个。测温采用智能化冻结温控系统，对土体及盐水温度实时监测。以C1测温孔的测点为例，从图2-2中可以看出，冻结初期，测点温度下降很快，最大每天下降3～5℃左右。土体温度降至0℃附近时，由于土中的水结冰相而释放出大量的潜热，测点温度则表现为一定时间内在0℃附近波动。之后土体温度继续下降，下降的幅度减缓，平均每天下降0.2℃～0.5℃左右。开挖区域外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界处平均温度低于-5℃。

图2-2 C1测温孔测点温度趋势图

（6）探孔情况说明：

根据冻结孔偏斜及冻结壁发展情况，6月3日在左线开挖范围内的钢管片上，打了1个探孔，现无泥水流出。6月4日在左线开挖范围内靠近冻结管1000mm处打了一个探孔，现无泥水流出，证明冻结帷幕状况良好。6月5日在右线开挖范围内靠近冻结管1000mm处打了1个探孔，均为冻土，经测温均达到-4度以下，与测温孔数据推断的冻土厚度相吻合。

图2-3 探孔状态照片

（7）监测数据分析：

开始冻结后，土体温度从初始地温下降很快。在维持冻结阶段，土体温度保持在-8℃左右，并且波动不大。随着盐水温度维持在较低水平，土体温度持续下降，积极冻结阶段后期，土体温度达到-10℃以下，冻结加固效果很快达到设计的要求。进入开挖和结构施工阶段后，随着循环盐水温度的下降，土体温度进一步降低，但由于受到开挖土体暴露后保温措施的影响，土体测量温度有波动，特别是在结构施工阶段，由于受到混凝土水化热的影响，土体温度有回升现象。从整体上看，土体的降温是平稳的，整个冻结加固效果是可以得到保证的。

3 注浆施工

（1）注浆管布置

在结构施工时预留注浆管，侧墙和底板注水泥浆液，侧墙和底板的注浆管规格为2寸焊管，孔深度到达初衬（初期支护）与冻土墙之间，注浆孔沿通道轴线方向间距布置，共布置36个注浆孔。

控制地面沉降变形是注浆的目的。因此，化冻过程中，要加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。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。以上综合监测数据是注浆参数调整的依据。

（2）注浆材料：融沉补偿注浆浆液以水泥单液浆为主，注浆压力不大于0.5MPa。注浆范围为整个冻结区域。

（3）注浆顺序

注浆的顺序是先底板后侧墙，底板注浆时，先从通道中部的注浆孔开始注浆，然后依次向两端的注浆孔灌注。

（4）注浆原则及方法

注浆遵循多次少量均匀的原则。当一天内联络通道沉降大于0.5mm，或联络通道累计沉降大于3.0mm时，应进行融沉补偿注浆；当联络通道隆起3.0mm时应暂停注浆，冻结壁已全部融化，且连续2次半个月地面日沉降量保持在0.5mm以内，可以结束融沉注浆，同时注浆时间不小于3个月。

注浆前，将待注浆的注浆管和其相邻的注浆管阀门全部打开，注浆过程中，当相邻孔连续出浆时关闭邻孔阀门，定量压入后即可停止本孔注浆，关闭阀门，然后接着对邻孔注浆。遇到注浆管内窜浆固结而引起堵管时，需用加长冲击钻头通管。

图3-1 注浆孔纵断面布置示意图

结构注浆过程中，观察地面及隧道变形情况，这一阶段地面最大隆起量为4.26mm，最大融沉为-3.41mm。隧道最大隆起量为2.41mm，最大融沉量为-1.5mm。

4 结语

（1）为保证业主对工期节点的要求，本联络通道采取冻结法的施工方案，2个联络通道共用一个冻结机房，冻结机房布置在靠近1#联络通道处，从而实现冻结施工；经开挖验证，本设计及施工方案安全可靠，冻结效果良好，为开挖构筑施工提供了加固保障。冻结法在地铁联络通道施工的应用已非常广泛，但随着城市地铁加速建设的过程中，出现了越来越多的长距离，大落差的及穿越段的冻结工程，所以本工程的施工经验对以后相似或者相同的冻结工程提供了一套完备的设计及施工方法。

（2）管路及钢管片的保温：保温采用橡塑保温材料，为减小冷量的损失，管路的保温层厚度为50mm较为合适；钢管片及冷板的保温，同样采用橡塑材料。但保温方法有待提高，直接用胶把材料贴到管片上，既浪费材料又会给后期的清理工作带来不必要的麻烦。可在管片上打若干膨胀螺丝，用螺帽上紧即可。