地铁隧道工程中冻结法施工技术的应用
摘要：结合实际工程，笔者系统分析了广州地铁隧道某区间通道及泵站工程的基本情况，阐述了工程施工方案的选择，最后，详细介绍了工程的施工工艺以及质量控制措施。可供相关技术人员参考。
关键词：地铁隧道、冻结法、施工工艺、质量控制
1工程基本情况
1.1工程概况
广州地铁某区间隧道（过江）旁通道及泵站工程位于珠江下部，距江底约12米。该旁通道及泵站采取合并建造模式，它既具有保证上、下行线隧道间联络和必要时乘客安全疏散的功能，又在地铁运营中起到集、排水作用。旁通道所在位置为：下行线里程XK23+427.45，上行线里程SK23+423。
根据规划需要，拟构筑旁通道所在位置的隧道是钢管片，隧道内径为Φ5.5m，旁通道位置的隧道上行线中心标高-25.328m，下行线中心标高-25.329m，上、下行线隧道中心线距离11.096m。其结构由与隧道管片相接的喇叭口、直墙圆弧拱结构的水平通道及中部矩形集水井三个部分组成。喇叭口开挖尺寸约为1.5m（长）×4.7m（宽）×5.0m（高）；通道的开挖尺寸：4.4m（长）×3.5m（宽）×4.4m（高）；集水井开挖尺寸：5.0m（长）×3.5m（宽）×4.3m（深）；防火门尺寸为1.4m×2.14m。衬砌采用二次衬砌方式，所有临时支护层厚度均为200mm；通道墙和集水井的结构层为550mm厚的现浇钢筋混凝土，拱为400mm厚的现浇钢筋混凝土，其余的结构层为1000mm厚的现浇钢筋混凝土；临时支护层和结构层之间安装防水层，在通道结构层底部上下行线各预埋一根DN200铸铁管，旁通道结构见图1。
1.2工程地质及水文地质条件
根据广州市隧道公司提供的工程地质勘察报告，距旁通道位置较近的地勘孔是Q23G6地质钻孔，根据该孔的资料并参考附近的地勘孔的地质情况，对本工程地质及水文地质条件描述如下：
旁通道施工范围内土层主要为第⑤1-2灰色粘土、⑥1暗绿色粘土、⑦1-1草黄色粘质粉土。该土层具有中压缩性、低强度、灵敏度高、透水性强等特点，其中，⑦1-1粘质粉土层又为承压含水层，旁通道所处位置乘压水压力约为0.27MPa，对隧道有突涌的破坏作用，同时在承压动水头压力下会发生流砂、崩塌现象，影响开挖面稳定，在盾构掘进至689环（钢管片684、685环）时，螺旋机有涌水情况发生。
综上所述，在该地层内进行旁通道开挖构筑，须对土体进行稳妥、可靠的加固处理。根据我公司以往越江隧道连接通道施工的成功经验，用冻结法加固土体具有强度高，封水性好，安全可靠的优点，极适于本工程。
2施工方案的选择
2.1施工方案设计的基本原则
（1）水平冻结帷幕技术性能必须满足旁通道施工的安全和质量要求。
（2）水平冻结方案应符合现场实际条件的施工可行性和良好的可操作性。
（3）施工方案应在工程要求工期的条件下具备优化能力。
（4）施工方案措施必须满足城市环保及节能要求。
（5）减少冻胀与融沉的危害。
图1旁通道结构图
2.2方案设计技术要点
由于该旁通道所处地层主要为⑥1暗绿色粘土和⑦1-1草黄色粘质粉土，且含水量高，所以施工时可能发生水砂突出和地层沉降，工程风险大。在施工中必须采取切实可靠的技术措施，以确保旁通道施工的安全并保证施工工期。根据本公司旁通道施工经验，提出以下技术要点：
（1）由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，会影响隧道管片附近土层的冻结速度，从而影响冻土帷幕的整体稳定性和封水性。特别是要保证旁通道喇叭口部位冻土帷幕的厚度和强度及与管片的完全胶结，在冻结孔施工端喇叭口部位布置三排孔加强冻结,在对侧隧道布置冷冻板和部分短孔加强对侧管片与冻土的胶结。所有的钢管片的格栅要用砼充填密实，同时管片外面采用PEF板隔热保温，以减少冷量损失，在冻土墙与管片胶结处放置测温点，以加强对冻土墙与管片胶结状况的检测。
（2）根据我公司在广州市旁通道冻结孔施工的成功经验，用金刚石取芯钻开孔，跟管钻进法下冻结管。冻结孔开孔前，在布孔范围内打小孔径探孔，探测地层稳定情况。如发现有严重漏水冒泥现象，先进行水泥—水玻璃双液壁后注浆，以提高孔口附近地层稳定性，然后再钻进冻结孔。每个钻孔都设有孔口管，每个孔口管不少于4个固定点，并安装钻孔密封装置，以防钻进时大量出泥、出水。
（3）针对本工程特点，在施工冻结孔时极容易产生涌砂涌水现象，采用强力水平钻机，尽量实现无泥浆钻进。如发现钻孔泥水流失，及时进行补浆。
（4）加强冻结过程检测。在冻土帷幕内布置测温孔，以便正确判断冻土帷幕是否交圈和测定冻土帷幕厚度。对侧隧道管片附近土层的冻结情况将成为控制整个旁通道冻土帷幕安全的关键，为此，在对侧隧道管片上沿冻土帷幕四周布置测温孔，以全面监测冻土帷幕的形成过程。
（5）在旁通道两端布设泄压孔，以减小土层冻胀对隧道的影响。该孔可作为冻结帷幕压力变化的观测孔，同时利用管片上的注浆孔来卸压。
（6）旁通道开挖时在隧道内设预应力支架，以防打开预留钢管片时隧道变形和破坏。施工完旁通道临时支护层后再打开对侧隧道旁通道的预留钢管片。在旁通道衬砌中预埋压浆管，采用注浆方式以补偿土层融沉。注浆应配合冻土帷幕融化过程进行，开始可注水泥粉煤灰浆液。
（7）由于冻土的蠕变性很强，冻土帷幕在破坏前必然有一个较大的蠕变过程，可以通过检查开挖过程中的冻土帷幕变形情况判断其安全性。为此，在开挖过程中必须及时进行冻土帷幕变形和温度观测，如遇冻土帷幕有明显变形，立即用钢支架加木背板支撑，调整开挖构筑工艺，并同时加强冻结。
（8）为了进一步提高旁通道掘砌施工的安全性，特采取以下措施：选用可靠的冻结施工机械；准备足够的备用设备；加强停冻时的冻土帷幕监测；尽快施工衬砌，必要时用堆土法密闭开挖工作面。
（9）由于冻胀力和冻土融沉的作用，影响周围土层的力系平衡，使隧道产生水平位移和沉降，故在整个施工过程中，加强隧道变形的监测，确保隧道安全。在冻土帷幕关键部位，多布置测温孔，监测冻土帷幕的形成过程和形成状况。
2.3冻结土体加固、矿山法暗挖构筑方案
根据上述施工条件并结合广州地铁旁通道施工的经验，采用“隧道内水平冻结加固土体、隧道内矿山法开挖构筑”的全隧道内施工方案。即：在隧道内利用水平孔和部分傾斜孔冻结加固地层，使旁通道及集水井外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻土帷幕。
3冻结施工
3.1施工工序
在冻土中采用冻结法进行旁通道及泵站的开挖构筑施工，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、冻结站安装→冻结器系统安装、检测系统安装→冻结运转→隧道支撑、探孔试挖、开钢管片→开挖、临时支护→结构层及防水层施工→壁后注浆→冻结管处理、冷冻站系统拆除→土层注浆充填。
3.1施工准备
（1）用Φ1.5″钢管在施工出入端头井内搭建脚手架，作为连接隧道与地铁车站底层平台的便桥。
（2）在隧道内敷设一条120mm2动力电缆，用于冻结钻孔施工及隧道内冻结系统安装供电。
（3）利用隧道内清水和排污管道，用于冻结孔打钻和冻结站运转的供水和排污。
（4）在旁通道施工工作面两端砌高约0.5m的泥浆挡墙，以免冻结孔钻进时泥浆四溢影响隧道内环境整洁。
(5)用厚4~6cm的木板在旁通道处铺设冻结施工场地，按不同位置的冻结孔钻进要求，用Φ1.5″钢管搭建冻结孔施工脚手架。
3.3冻结孔施工
3.3.1冻结孔定位与管片开孔
根据总包方提供的施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，提请注意的是：孔位布置首先要依据管片配筋图和钢管片加强筋的位置，在避开主筋的前提下可适当调整，一般不应大于100mm。详见开孔措施，其中包括4个穿孔。
(1)在正式开孔前，利用隧道管片上的补浆孔钻Ф38mm小孔径探孔，检查地层稳定性。
(2)开孔选用J-200型金刚石钻机，配Ф130mm金刚石取芯钻头进行钻孔，深度约300mm，以不钻穿管片控制。用钢楔楔断岩心、取出后，打入加工好的孔口管，并固定，每个孔口管要至少有4个固定点固定在管片上。
3.3.2冻结孔施工顺序
根据旁通道施工的孔位，采用由上向下的顺序进行施工：即先施工穿透孔，根据穿透孔的偏差，进一步调整有关的钻进参数，再按由上向下的顺序施工，这样可防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，减小钻孔施工时的事故发生率。
3.3.3钻孔偏斜和终孔控制
钻孔的偏斜应控制在1%以内，在确保冻土帷幕厚度的情况下，相邻终孔间距不得大于1.2m，否则应补孔。
冻结孔钻进深度应不小于设计深度，不大于设计深度0.3m（钻头碰到隧道管片者除外）。
3.3.4冻结孔钻进与冻结管设置
（1）钻孔设备使用MD-50钻机一台，配用BW250型泥浆泵，钻具利用Φ89×8㎜冻结管作钻杆；冻结管之间采用套管丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心度和焊接强度。
（2）正常情况下，钻进时安装简易钻头，如果钻进困难遇到砂层，为防止钻进中返砂，在钻头部位安装一个特制单向阀门。
（3）冻结管到达设计深度后冲洗单向阀，并密封冻结管端部。
（4）钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，进行冻结管长度的复测，然后再用灯光测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在0.8Mpa，稳定30分钟压力无变化者为试压合格。
（5）在冻结管内下供液管,然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。
3.3.5钻孔质量控制程序
生产准备→钻场施工→测量定孔位→安装→搬迁、找正→正常钻进（斜测）→单孔完成。
3.4积极冻结与维护冻结
3.4.1冻结系统试运转与积极冻结
设备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、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。在冻结过程中，定时检测盐水温度、测温孔温度和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。
3.4.2试挖与维护冻结
在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，同时要监测冻土帷幕与隧道的胶结情况，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度且与隧道完全胶结后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖。试挖条件：
①测温孔
可根据测温孔实测数据，推算出冻土发展速度及在该冻结时间内的冻土发展半径，从而算出冻结帷幕厚度，再根据成冰公式或用作图法得出冻结帷幕平均温度，若各个层位、部位冻结帷幕的厚度和平均温度达到设计要求后，即可打开管片进行开挖。
②卸压孔
在积极冻结过程中，卸压孔有两个作用，一是起到释放冻胀压力的作用，另一方面根据显示的压力来判断冻结帷幕是否交圈。在冻结初期卸压孔是没有压力的，随着冻土的逐渐扩展，水分不断迁移，交圈后冻土形成一个封闭的土体，冻胀压力得不到释放而逐渐增加，它的外在表现即为卸压孔压力的增长。
③探孔
在打开管片前应进行探孔检查，探孔应打在冻结帷幕薄弱处，探孔处无涌沙、突水现象，地层稳定，冻结帷幕正常，测温效果良好，即可打开管片试挖。
④盐水去、回路温差
由于冻结帷幕交圈后需冷量较交圈前要小，因此冻结帷幕交圈前盐水去、回路温差要比交圈后大，不过此现象仅作为判断冻结帷幕交圈的参考。要确定打开管片进行开挖还需结合测温孔资料、卸压孔压力、探孔情况等方面综合考虑。
正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可适当提高盐水温度，进入维护冻结，但盐水温度控制在-25~-28℃之间。
3.4.3.冻结及开挖技术控制指标（见表2）
表2冻结及开挖技术控制指标
4结束语
冻结法施工的顺利完成，为该区间隧道泵站工程的设计和施工提供了宝贵的经验。经过合理设计、精心施工，并配合信息化施工监测，目前，该工程已全部成功的完成了施工。
参考文献：
[1]石旭东.地层冻结技术在盾构进站中的应用[J].山西建筑，2009（1）.
[2]孙威，陈向科，陈绍剑.上海长江隧道连接通道水平冻结法施工[J].地下工程与隧道,2009(1).