浅析轨道工程联络通道冷冻法施工技术

    饶剑

    

    

    

    摘?要：目前，冷冻法已在我国轨道工程施工中应用越来越广泛，该法是对土体进行临时加固的相当有效的手段。本文结合厦门地铁三号线某联络通道冷冻法施工实例，对冷冻法工艺进行了深入阐述，并进一步分析了冷冻法施工过程中的风险点及应对措施等，以期为轨道工程冷冻法施工提供参考帮助。

    关键词：冷冻法;临时加固;联络通道

    文章编号：2095-4085（2020）08-0100-04

    1?引言

    厦门地铁三号线五缘湾站～刘五店站区间10#联络通道，由与隧道钢筋混凝土管片相连的喇叭口、水平通道构成。拱顶埋深为25.18m，覆盖层为海水（7.4m）、中粗砂砾、残积砂质粘性土、全风化花岗闪长岩（1.3～3.5m），洞身及洞底地层为散体状强风化花岗闪长岩。全、强风化带遇水易软化分解、强度降低，洞室围岩稳定性差，且联络通道位于海域段，该地层富水性好，与海水存在水力联系，暗挖法不能直接满足联络通道施工。

    2?冷冻法方案选取

    根据施工及地质条件，采用“洞内钻凿冻结孔，冷冻临时加固土体，暗挖法构筑”的施工方案。其中冷冻法的原理为利用盐水循环吸收的地层热量传递到蒸发器中的液氮，液氮吸收热量再通过冷却水循环，将地热和压缩机产生的热量传递给大气，以此实现给地层降温把土体冻结加固成施工帷幕得目的。

    3?主要工艺环节

    3.1?冻结加固设计（图1～4）

    参照类似工程施工经验及本工程《冻土物理力学性能实验报告》等，联络通道冻结帷幕厚度设计为2.6m，冻土强度的设计指标取为：单轴抗压不小于4.0MPa，弯折抗拉不小于 1.8MPa，抗剪不小于1.6MPa（-12℃）。要求冻土验收时平均温度应不高于-12℃。开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界面处平均温度不高于-7℃。

    根据设计帷幕厚度。联络通道共设计冻结孔128个（左线隧道62个，右线隧道66个。其中在隧道中腰部设置2个用于校核钻孔方位及冷冻系统对侧供冷的穿透孔），总孔深1289.846m。并相应设置测温孔8个、泄压孔4个。

    为了降低土体渗透系数，控制地下水在冻结区域的过大流速，对海水侵入进行有效的控制保证冻结效果，土层冻结施工前进行注浆处理（注浆材料为普通硅酸盐水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆）。设计注浆扩散半径为1.5m，注浆加固范围为联络通道开挖轮廓线外3m，共设计注浆孔22个。

    注浆加固采用先外环后内环、间隔跳孔施作。注浆施工结束标准采用以定压为主、定压定量相结合的原则。（根据本工程正洞隧道注浆经验，设计注浆标准终压0.8MPa，单孔注浆压力达到设计终压并维持3min以上可结束该孔。单孔每延米设计注浆定量标准控制在1～2m3）待联络通道注浆施工完成后，在左、右线注浆加固区域内上、下、左、右、中部各施工一个探孔，探孔要求不漏泥、涌沙，探孔出水量小于0.15L/min·m，否则应补充注浆。

    3.2?冻结加固实施

    3.2.1?冻结孔施工及管道安装

    冻结孔开孔前先施工透孔，对联络通道实际位置进行定位。为防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动，采用由下向上的顺序进行施作。该联络通道位于海域段与海水存在水力联系，钻进时容易涌水涌沙，针对此风险采用两次钻孔的方法，第一次未开透管片的前提下，安装孔口密封装置，第二次跟管钻进法下放冻结管。钻孔过程中若水土流失过多，可在成孔后及时利用布置的注浆管向土体充填压浆。钻进过程中严格监测孔斜情况，发现偏斜要及时纠偏，钻进深度不小于设计深度。

    冻结管安装时，确保同心度和焊接强度。安装完成后要求复测其长度、斜率（灯光测斜仪），并绘制钻孔偏斜图。若冻结孔终孔最大间距超出1300mm的允许范围，需进行补孔或作延长冻结时间处理。最后再进行打压试漏（压力0.8MPa，前30min压力损失小于0.05MPa，后15min压力稳定则为试压合格）。

    3.2.2?冻结制冷系统

    冷冻站设置于隧道外车站基坑旁侧，通过盐水干管将冷量送达联络通道工作面。

    冷冻施工需冷量计算：Q=kAq=1.3×1289.648×0.089×3.14×280=13.119×104 kcal/h [Q-需冷量、k-冷量损失系数根据经验取1.3、A-冻结管散热面积（管径0.089）、q-冻结管（20#低碳钢无缝钢管）散热系数280kcal/（m2·h）]

    根据需冷量，冷冻站配备W-YSLGF600Ⅱ型螺杆机组3台套，单台机组设计工况制冷量为12×104kcal/h，开2台机组即满足联络通道的制冷需求，1台备用。盐水循环泵选用IS200-150-400A型2台、冷却水循环选用IS150-125-315型2台、4台KST-125冷却塔。

    3.2.3?冻结施工（表1，图5～7）

    在试运转正常后进行积极冻结。联络通道冻结时间为50d（2019年9月11日至10月30日），要求冻结孔单孔流量≥5m3/h;积极冻结7d盐水温度≤-20℃，15d≤-24℃。

    根据实测数据判断冻结帷幕是否交圈及达到设计厚度，同时监测冻结帷幕与隧道的胶结情况，均满足要求后可进入维护冻结阶段。（本项目设置4个泄压孔，2019年从9月11日开始记录，2019年10月8日压力表开始涨压，表明帷幕已经交圈）维护冻结期间温度≤-30℃，時间至主体结构施工完成。

    冷冻过程中应注意对各部件进行保温。盐水管路、冷冻机组的蒸发器及低温管路、联络通道两侧冻结帷幕发展区域管片等覆盖保温板或棉絮。

    根据测温孔温度和卸压孔压力监测结果，分析冻结壁形成状况、平均温度和扩展厚度等验证冻结效果，判定是否满足联络通道开挖条件。

    针对本工程：

    ①通过量测温度及计算， 本工程冻土最慢发展速度为 24.27mm/d [ 测量不同测温孔温度达到-2℃（该数值通过冻土物理力学性能实验报告中各土层起始冻结温度而来）的冷冻天数，结合相应测温孔与冷冻管的最近距离，计算冻土发展速度]。以最慢发展速度到10月30日冻结50d计算冻土发展半径r=1213.5mm，按冻结发展半径1213.5mm作图可知，至10月30日冻结帷幕量算的最薄有效厚度为2746mm，满足设计的2600mm要求，因此冻结帷幕厚度已满足设计要求。

    ②冷冻机于2019年9月11日开始正式运转，从日监测报表显示冻结效果良好，冻结设计要求开挖前达到-28℃以下，实际盐水温度维持在-29.2℃左右，去回路温差小于2℃。

    ③冻结帷幕平均温度的确定（结果为-12.07℃，满足要求）：

    4?主要监测项目

    冻结系统监测：冻结器去回路盐水温度及流量，冷却水循环进出水温度，冷冻机吸排气温度，制冷系统冷凝压力、气化压力监测，盐水泵工作压力。

    冻结壁温度场监测：不同时间冻结壁的发展速度及冻结壁不同位置的平均温度监测，冻结孔间距较大处温度监测，隧道管片与冻结壁交界面温度监测。

    5?工艺风险及应对措施

    （1）冻结帷幕稳定的前提是持续供冷，一旦过程中发生停电或冻结设备的故障，会造成巨大风险。对此配备一台700kW发电机备用;冻结站安装有三套冷冻机组，正常情况下两台运转，一台备用。

    （2）若各冻结管串联支路的供冷不平衡，会引起冻结帷幕发展速度不均衡而出现薄弱环节。过程中，监测各个支路的盐水温差情况并控制在2℃范围内。通过串联支路上的阀门相应地调节盐水流量确保各支路的温差满足控制要求。

    （3）若发生断管事故而造成盐水泄漏进入加固土体内，不仅影响冻结，且开挖阶段则易发生透水、涌泥事故。加强冻结过程中对盐水箱液面的测量，首先判断泄漏的位置，若盐水漏入冻结土体外，直接根据情况及时修复管路;若盐水漏入冻结土体内，则要用排除法进一步确定具体的冻结管支路，下套管进行处理。

    6?结?语

    冷冻法施工要求在最大程度上保证冷冻法施工的可靠性和安全性，除严格落实施工措施外，还要对整个过程加强监测，将信息进行综合整理后再判断冻结壁的强度、厚度及冻土帷幕的闭合程度。厦门地铁三号线五缘湾站～刘五店站区间10#联络通道在整个施工过程中，采用冷冻技术加固地层取得了良好的效果，为后续开挖及衬砌施作提供了安全的作业条件。作业全程监测数据变化值均在允許变形范围内，解决了围岩地质条件弱、开挖风险大的问题，且无需降水等措施符合绿色施工。总之，冷冻法的工艺具有诸多优势和良好的发展前景，值得推广。