隧道围岩冷冻法加固施工全面控制探究
李蕾
【摘?要】针对地下工程建设项目地质情况、地面环境复杂状况，本文全面介绍了盾构隧道横通道围岩冷冻法加固施工的施工工艺和关键部位技术措施，希望为类似的工程项目建设施工带来参考和借鉴。
【关键词】冻结加固;积极冻结;注浆;监测;风险
【Abstract】Aiming at the geological conditions of the underground engineering construction project and the complex situation of the ground environment， this paper comprehensively introduces the construction technology and key parts technical measures for the reinforcement of the cross-channel surrounding rock of the shield tunnel， and hopes to bring reference and reference for the construction of similar projects.
【Key words】Freezing reinforcement;Active freezing;Grouting;Monitoring;Risk
某城际铁路盾构法施工隧道横通道地面为华策国际大厦，埋深26.80m，该横通道（与泵房合建）处线间距17.00m，所处地层为填海造陆产生，主要为淤泥质粘土层、中砂和全风化岩层，渗透系数大。为保证施工安全，减少对地面环境的影响，该横通道施工由地面施做旋喷桩、洞内水平注浆加固，调整为冻结法加固地层、台阶法施工，辅助工法采用掌子面预注浆。
1. 水文分析
该横通道地下水位埋深1.6m，可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要由大气降水竖向入渗补给。承压含水层主要分布在砂类土中，上部隔水顶板多为黏性土，主要接受大气降水与海水通过潜水入渗补给，承压水由静水压力较大区域流向静水压力较小区域，线路右侧为丘陵地带，左侧为海积平原地带，因此横通道承压水流向为从线路右侧至左侧。
2. 冻结加固施工设计
2.1?加固后的土体应有良好的均匀性、自立性和必要的强度。冻结加固施工设计内容主要包括冻结帷幕、冻结孔、测温孔、管片保温、盐水温度、积极冻结时间、隧道应急门及冻胀与融沉控制等。冻结孔布置于左、右线隧道两侧，共116个（含6个透孔），其中左线76个，右线40个。冻结帷幕厚度不小于2.8m;冻结壁平均温度不高于-13℃，与管片胶合处帷幕平均温度不高于-8℃;冻结单轴抗压强度为4.3MPa，弯拉强度为2.8MPa，抗剪强度为1.8MPa（-13℃）。
2.2?横通道布设14个测温孔，于冻结孔成孔完成后施工，用以监测冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况。冻结帷幕封闭区域内布设4个卸压孔，左、右线各2个，孔内安装压力表以直观监测冻结帷幕内的压力变化，卸压管前端开口，进入土体段管壁上钻若干孔，呈梅花状分布，以确保冻结帷幕内的压力有效传递。
3. 主要施工方法及工艺
横通道施工可分为土体改良施工、冻结孔施工、冻结站安装施工、冻结施工和开挖构筑施工等五个主要部分，主体结构完成后，及时进行壁后充填和融沉控制注浆。围岩开挖及结构施工时，横通道位置安装施工平台并于开口环处安装预应力支架和安全防护门。
3.1?冻结孔施工前注浆加固。
横通道围岩土体加固前对横通道中线左右各5环管片外侧进行二次补充注浆加固。为提高开挖掌子面土体自稳能力，横通道掌子面范围内打设6根超前水平注浆管，进行地层预加固。注浆结束后，于浆液扩散范围内设置检查孔3个，其中拱部1个，左右边墙各1个，注浆检查孔在注浆效果检查完成后及时全孔封堵。
3.2?冻结孔施工。
透孔由下向上先行施工，以防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动。冻结管之间采用丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接并确保其同心度和焊接强度，经打压试漏后投入使用。
3.3?冻结施工。
3.3.1?需冷量计算：
Q=kAq=1.5×1105×0.089×3.14×280=13.0×104kcal/h
Q——需冷量，kcal/h
k——冷量損失系数，在隧道长距离铺盐水干管，取1.5
A——冻结管散热面积，m2
q——冻结管散热系数，280kcal/（m2.h）
3.3.2?冻结站设备选型。
（1）冻结站选用半封闭式螺杆型冷水机组2台套，备用1台套，组合机组设计工况制冷量大于14.0×104Kcal/h。
（2）冻结站盐水循环泵选用TPW150-315I型2台套，备用1台套，盐水循环泵的流量为200m3/h，功率30KW/h。
（3）冷却水循环选用ISW125-160型2台，每台泵额定流量160m3/h，功率22KW/h。冷却塔选用3台KST-80型。
（4）制冷剂选用氟立昂R22，冷媒剂选用氯化钙溶液。
3.3.3?冻结制冷系统安装。
横通道冻结制冷系统主要包括两个子系统，一是冻结工作面，即需要冻结加固的联络通道地层及其冻结管路，二是冻结站，二者通过盐水干管连接。冻结站布置于右线隧道内靠近横通道位置，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。
3.3.4?保温施工。
盐水管路经试漏、清洗后用保温板保温，保温厚度为40mm，保温层外面用塑料薄膜包扎。冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用40mm厚的保温板或棉絮保温。由于混凝土相对于土层较容易散热，为加强冻结帷幕与管片胶结，采用PEF板保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。保温层采用阻燃（或难燃）的软质塑料泡沫板，厚度不小于40mm，导热系数不大于0.04w/mk。冻结站对侧隧道的冻结管端部区域范围内布置冷冻排管，然后铺设保温层，敷设范围至设计冻结壁边界外2m，对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。
3.3.5?积极冻结与维护冻结。
冻结设备经调试和试运转后进入积极冻结，积极冻结是冻结帷幕的形成阶段，横通道冻结时间为50～55天。冻结孔单孔流量不小于5m3/h;7天盐水温度降至-20℃以下，15天盐水温度降至-24℃以下，去回路温差不大于2℃;开挖前盐水温度降至-28℃以下。盐水温度和盐水流量达不到要求，继续延长积极冻结时间。判定冻结帷幕交圈达到设计厚度且与隧道完全胶结后，进入维护冻结阶段。维护冻结期温度为不低于-28℃，冻结时间贯穿横通道及泵房开挖和主体结构施工始终。
3.4?开挖施工。
先破除盾构右线管片，横通道开挖、初支、二衬完成后，再进行左线管片破除。横通道开挖后，地层中原应力平衡受到破坏，引起通道周围地层应力重新分布，上部地层产生位移，形成新的附加荷载作用于已加固的冻土帷幕，冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度，引起冻土帷幕及冻结管产生蠕变，为控制这种变形的发展，冻土开挖后需及时对冻结帷幕进行支护，联络通道的临时支护即作为维护地层稳定、确保施工安全的一项重要技术措施，它又作为永久支护的一部分，是支护工艺中较为关键的一步。
3.5?注浆施工。
依据解冻情况，分区域针对性注浆，实现横通道结构和隧道空间整体作用。注浆浆液为惰性浆液，重量配比为：水泥：粉煤灰：膨润土：水=0.1：0.4：0.5：1，注浆压力不超过2倍的静水压力，注浆至通道沉降及隧道变形基本稳定。自然解冻过程中，需加强隧道变形监测、冻土融化温度监测。
4. 施工监测
从冻结开始到掘进施工以及永久支护结构形成的整个时段，冻结土体的热力学性质经历了剧烈变化，并对区间隧道及施工周边环境产生影响。实施现场监测，实现信息化施工管理，是工程安全的重要保证。综合各种因素，本工程主要监测范围为：隧道内以联络通道中心点向两侧各延伸24环;地面以联络通道中心点向隧道轴线方向两侧各延伸31.5m，垂直隧道轴线方向两侧各延伸23m。监测项目为：洞内外观察、初支结构洞周收敛（净空变形）、拱顶下沉、地表下沉，联络通道前后10环盾构管片水平、垂直姿态、管片间错台量及裂纹等。
5. 风险分析及应对措施
5.1?地下水流速过大影响冻结效果。
该横通道临近南海，水位的变化带来的动水影响，易造成此区域的冻结帷幕冻不上情况发生，同时冻结加固区内（1）1～2淤泥质软土、（2）3～4中粗砂、（5）1全风化花岗岩，含水丰富，相关资料反映地下水流速可能大于冻结法正常适应的流速（不大于5m/d），对冻结效果有一定的影响，易造成冻结不交圈、冻结帷幕不均匀，存在薄弱带、冻结时间超长等问题。
钻孔安装冻结管时，先从每个钻孔内向地层进行预注水泥漿，改良冻结范围内土体，降低土体渗透系数，以控制地下水的流动性，同时对控制冻胀和融沉效果亦有帮助。
5.2?冻结不连续。
主要冻结设备全部留有备用，并联安装，设备发生故障时，能够及时启动。开挖期于现场配备发电机组及大容积蓄水池，确保外部水、电意外中断后冻结工作连续进行。
参考文献
[1]?本工程勘察资料及设计文件.
[2]?《旁通道冻结法技术规程》（DG/TJ08-902-2016）.
[3]?《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）.
[4]?《矿山井巷工程施工及验收规范》（GBJ213-90）.
[文章编号]1619-2737（2019）02-28-122
