地铁工程建设中高流速富水砂层联络通道冷冻法施工工艺

地铁工程建设中高流速富水砂层联络通道冷冻法施工工艺

董建刚

唐山开滦建设（集团）有限责任公司 唐山 063000

摘要：近年来，我国的轨道交通行业有了很大进展，城市的地铁工程建设越来越多。在地铁工程建设中，富水砂层地质条件下联络通道开挖、构筑及融沉注浆过程中，按照短开挖、强支护、快封闭、勤测量、及时注浆的原则并采取严格的过程控制和预防措施，化解了不良地质条件带来的施工风险，保证了联络通道顺利安全完成。本文首先对冻结法施工技术概述，其次探讨富水砂层冷冻法施工技术，为以后类似工程提供了理论依据。

关键词：冷冻法；联络通道；富水砂层；施工技术

引言

“冻结法”作为联络通道开挖过程的辅助地层加固的一种工法，在广州、上海、天津、杭州等富水性强的流沙层和淤泥地层等松散含水复杂地层条件下已多次成功应用。根据现场工况，结合水文、地质条件，采用冷冻法进行联络通道的加固。

1冻结法施工技术概述

根据NB/T10222—2019《隧道联络通道冻结法施工及验收规范》释义，冻结法是在地下构筑物施做前，对构筑物周边含水地层人工主动冻结，形成拥有临时承载和隔水效果的冻结帷幕，然后在帷幕的保护下组织构筑物掘砌施工的一种方法。其原理是将存水地层(松散土层或裂隙岩层)冷却至零度以下，使地层中的水冻结成冰，岩土物理性质发生重塑，地层被冷冻加固后形成一种具有较高的强度和绝对封水性“冻结整体结构”即冻结壁，其具有安全性好、适用性强、灵活性高的特点。

2冷冻法联络通道施工工艺

2.1冻结孔施工

联络通道冻结壁是由利用冻结孔内的低温载冷剂经过热传导不断地将周围地层的水转变成冰，冻结壁的结构是由冻结孔的布设形式决定的。所以钻孔质量的好坏直接关系到冻结壁的形成，尤其是对高流速富水性强的砂层，冷量会随着地层中的流动不断流失，因此冻结孔施工质量的好坏决定了冻结法联络通道施工的成败。

冻结孔的钻孔施工工艺：定位、开孔—孔口管安装—孔口装置安装—钻孔—测量—封闭孔底部—打压试验。（1）开孔及孔口管安装：冻结孔的孔位是根据冻结设计图纸利用经纬仪来对孔的位置进行确定，根据孔的位置在混凝土管片或钢管片上来开孔。空口管的鱼鳞扣部分用麻或棉丝等密封材料缠绕，将孔口管嵌入管片中，用不少于4颗膨膨胀螺栓固定空口管。（2）孔口装置安装：孔口装置是钻孔过程中防止水砂喷涌的关键装置，它是选择D125的球阀和压紧装置与孔口管相连，作为钻孔过程中的封水装置。（3）钻孔及测量：根据设计要求对钻机的位置进行调整和固定后，将钻头通过孔口装置进行钻进，当钻进过程中出现费力且不能钻进时，采用打水钻进的方式，同时打开旁通阀，观察钻进过程中的出水、出砂量，并利用阀门的开度来控制。目前钻孔优先选择MD-80型钻机，扭矩为4200N·m，推力为33kN。钻孔过程中要及时对孔深和偏斜要及时测量。（4）冻结孔封闭孔底：用丝堵进行冻结孔顶部封堵。具体方法是用加长杆将丝堵放入孔底，利用反向丝杆把丝堵拧紧。（5）加压试验：冻结孔孔口封闭，使用电动试压泵将水压入孔中，当压力不小于0.8MPa，停压后，关闭阀门，观察压力变化，前30min内压降不超过0.05MPa，后15min内压力不降为合格。

钻孔过程的关键要点：

（1）开孔位置应避开混凝管片的主筋或钢管片的肋板，开孔深度达到300mm时停止钻进，预留至少50mm的保护层，防止管片开透后的水和砂喷出，并安装孔口管。（2）孔口装置要求首先DN125的球阀要开关自如密封效果良好，其次安装DN125球阀时和孔口管之间的胶垫要经常检查，尤其时高流速富水砂层时密封要好，第三是孔口管和球阀的连接螺栓要上满上紧，保证钻孔过程中不渗漏，最后是球阀后面的压紧装置根冻结管接触部分要压实。（3）高流速富水砂层施工前联络通道附近前后10的管片要重点进行壁厚注浆加固处理，防止二次开孔出现涌水漏砂；（4）富水性强的流砂层钻孔过程容易偏斜，要求钻孔过程中经常测量钻机和钻杆的角度确保冻结孔偏斜符合规范要求；（5）钻孔结束后要及时进行环形空间的注浆，以减轻对联络通道的沉降影响和孔口管的渗水；（6）对于单孔长度小于20m的冻结孔可采用灯光测斜，对长度大于20m的冻结孔优先采用陀螺测斜仪进行测斜，并绘制偏斜图分析冻结孔的终孔间距。确保符合要求，孔间距过大时必须要补孔处理。

2.2冻结设备选型

目前联络通道冻结站一般设置在联络通道附近，制冷设备优先选择体积小制冷量大的低温盐水机组。我单位一般选择SLG-200DDL型冷冻机组单台制冷量(工况)13.93×104Kcal/h，盐水泵选择150KQW200-50-45/4型流量200m3/h，扬程50m，能够满足每组冻结孔流量不低于5 m3/h的设计要求，清水泵选择150KQW160-32-22/4型。清水冷却系统采用MBST-80型冷却塔或根据隧道实际情况自做冷却系统，满足冷却需要。

冻结站设备选型的关键要点：（1）对于高流速富水砂层的联络通道冻结管散冷量较大，故冻结管的单位热流量选择要比一般的地层大，一般取值在取300kcal/m

2来保证冻结壁按设计要求交圈。（2）同时冻结站在装机制冷量上要充分考虑装机富裕系数，一般装机制冷量时联络通道的需冷量的2.5倍以上，来弥补联络通道的高流速地下水带走的冷量损失。（3）如果冻结站设置在车站或者盐水输送距离较远时装机制冷量还应考虑盐水干管的冷量损失。

2.3管路连接及保温

盐水系统和冷却水系统管路用法兰连接，并用管架架设在施工平台上或隧道管片上。盐水管路要离地面安装，避免浸水和高低起伏。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管。

在对侧隧洞管片内侧冻结加固范围内敷设冷冻排管，敷设方法为用膨胀螺栓和压板直接固定在管片上。冷冻排管与穿透冻结孔之间用胶管连接。

管路连接的关键要点：（1）冻结孔每2～5个一串联，串联尽量间隔进行，串联要求上部孔单组长度不超过30m，上部孔采用反循环方式，防止运转过程产生气堵现象，下部孔串联长度不超过40m，应以每组冻结孔总长度相近和盐水循环阻力接近为宜。（2）在去路盐水干管上安装单向阀。在盐水管路的高处安装放气阀。盐水和冷却水管路耐压分别为0.7MPa和0.3MPa。

保温层采用阻燃的软质塑料泡沫材料，导热系数不大于0.04W/mk。保温板采用专用胶水密贴在隧道管片上不留空隙，板材之间搭接宽度不小于150mm。保温层厚度不小于30mm。盐水干管要用20mm和30mm后的保温材料进行双层错缝保温，避免冷量过多的损失在盐水干管的输送上。法兰连接处要经过压力试验合格后方可进行上述保温。冷冻排管外侧用保温材料覆盖严实。冻结区域内冻结壁发展的2m范围均采用40mm厚的PEF板（导热系数不大于0.04W/mk）进行保温，保温板采用专用密封胶水密贴管片之上，不留空隙，保温板搭接长度不小于150mm。

2.4冻结法联络通道冻结施工

全部冷冻系统安装完成后，冷冻站进入积极冻结期，冷冻站正常运转7天盐水温度降至-18℃下，积极冻结15天盐水温度降到-24℃以下。开始冻结后，要巡回检查冻结器是否有断裂漏盐水的情况发生，一旦发现盐水漏失，立即关闭阀门。并根据盐水漏失情况采取补救措施。

积极冻结期在冻结过程中，每天检测去、回路干管盐水温度、冻结器回路盐水温度、盐水箱液位变化、冷却水温度，观察冻结器头部结霜是否有异常融化。在冻结运转初期，检测各冻结器的盐水流量，如发现检测流量小于设计要求，则应用控制阀门进行调节，或者加大盐水泵泵量，使其满足设计要求。每天必需巡视冻结情况，每天监测测温孔温度，并根据测温数据，分析冻结壁的扩展速度和厚度，预计冻结壁达到设计厚度时间。

积极冻结期的关键要点：（1）对于高流速富水性的砂层来说要求冷量必须满足需要，所以“超低温、大流量”的冻结思路要贯穿始终；（2）每天做好测温数据和泄压孔压力统计，及时分析冻土发展趋势；（3）严格控制每组回水温差不大于0.5℃，保证冻结壁发展均匀；（4）泄压孔压力上涨后超过原始地压0.2MPa时要及时泄压，泄压过程要反复泄压或者憋压的过程，确保冻结壁的承载力；（5）泄压过程必须保证有专人值守，尤其时前期泄压过程要观察出水量，保证泄压过程的安全；（6）对于含水量大的地层探孔难以探测开挖面的土体稳定情况，必要时可以通过搭设200mm*200mm的探窗来加以验证。

2.5维护冻结期

联络通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中的应力重新分布，这种重新分布的应力不仅使上部地层产生位移，而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上，当冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度时，冻土帷幕及冻结管会产生蠕变，为控制这种变形的发展，同时考虑高流速富水砂层导热系数比较高的特性，为确保冻结质量要求从开挖到施工结构层前，盐水温度要保持不高于-28℃。

联络通道开挖步距不大于800mm，联络通道通道内钢支撑间距500mm，钢支撑间距可根据实际施工情况作适当调整，特殊情况下最大不超过800mm。初期支护与开挖面的距离为300mm。开挖后应及时施工初期支护，联络通道初支每2榀拱架喷射一次混凝土，混凝土及时喷射避免冻结壁暴露时间过长。维护冻结过程中，要与积极冻结时一样进行冻结施工监测，确保冻结系统运转正常，及时分析冻结壁的温度变化。

在开挖过程中，每天监测暴露冻结壁的表面温度和位移量，如发现局部冻结壁温度较高、变形较大时结合地面沉降数据，可用串接管道泵的方法加大对应位置的冻结孔流量，增加薄弱部位的供冷能力。开挖期间，不允许私自提高盐水温度和减小盐水流量。

2.7融沉注浆

融沉注浆阶段要及时与地面检测相联动，特别是高流速富水砂层的冻冻土融化速度要比其他地层的快，在前1个月内沉降数据及时反馈给注浆作业人员。注浆要根据检测提供的检测数据进行有针对性的注浆。当单次及累计沉降达到预警值时应分析原因并根据监测沉降值调整注浆量、注浆位置及频率。联络通道附近管线、构筑物较为密集，沉降超标会对管线及构筑物造成危害，在融沉注浆阶段要加强对管线及构筑物测点的监测，以便及时调整融沉注浆孔位和注浆量。当停止冻结后地面单日沉降大于0.5mm或累计沉降大于1mm时开始进行注浆。注浆过程中应遵照“多点、少量、多次、均匀”的循序渐进原则，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa，并根据隧道沉降和解冻温度场的监测，适时调整注浆量和注浆时间间隔，确保沉降稳定。结束融沉注浆应满足地面连续半月累计沉降在1mm内。

结语

随着地铁建设的不断发展，联络通道今后面临着更加复杂的地层和环境施工。冻结法由于其独特的灵活性，广泛应用于煤矿建设和城市建设中，尤其是特别适用于地下管线密集、施工条件困难场所，不受地表环境和深度限制，其技术先进、安全可靠，具有良好的社会经济效益和发展前景。高流速富水性砂层是目前地铁施工中面临的比较多的地层环境， 总结一套行之有效的施工技术为以后的类似地层施工提供了参考，但是联络通道目前施工技术仅仅把温度场的监测实现了自动化，制冷系统压力、泄压孔压力、地面沉降监测还未实现信息化施工，存在着一些不足有待于进一步提高，实现联络同掉施工全方位监测。

参考文献

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［4］崔云龙．简明建井工程手册［J］．煤炭工业出版社，2003．