联络通道冻结法

联络通道冻结法（精选3篇）

联络通道冻结法 第1篇

1 工程概况

北京地铁6号线二期工程玉带河大街站—郝家府站区间联络通道工程位于北京市通州区, 其中1号联络通道地表为京哈铁路以及北运河区域, 2号联络通道地表为空旷杨树林。根据设计两座联络通道均采用冻结法施工, 施工区域根据地勘显示, 1号联络通道上部区域为部分砾石层, 中下部区域为细砂层, 2号联络通道全断面为细中砂层 (灰黄~灰色, 密实, 饱和, 标贯击数平均值为57, 属低压缩性土, 局部含粉细砂夹层) 。根据施工情况观测可以发现, 施工中1号联络通道下部、2号联络通道部分区域大量存在卵石地层而非全部砂层施工, 卵石直径最大接近6 mm。

2 钻孔施工难点

本工程两座联络通道均位于承压水层中, 因此施工中需注意采取止水措施, 避免施工打开管片后出现涌砂、冒泥。同时由于联络通道大部分钻孔施工位于砂、卵石地层中, 周围土体对冻结管磨损较为严重, 易对于管体强度产生影响。施工中如果加大对于砂、石的疏通, 必然带来大量的水土流失, 对于地表产生较大变形, 而如果不对于砂、石进行疏通, 必然对冻结管产生极大的磨损, 从而影响施工安全。

3 施工过程问题及分析

本工程施工中主要面对的问题为砂卵石地层对于冻结管的磨损。在维持正常泄压的状态下, 透孔及普通冻结孔施工中普遍出现了断管问题, 成为了本工程最大的难点。根据断孔情况分析可以发现, 冻结管断裂区域主要位于两根冻结管之间的连接位置, 根据现场测量, 钻进1 m~2 m后由于土层原因钻进缓慢, 同时通过泥浆的正循环带动了大量的砂石堆积于靠近管片位置, 使得冻结管磨损严重, 一旦管路连接位置通过该区域, 长时间的磨损使得连接处母扣位置本就薄弱的区域更加薄弱, 最终形成了对于接口处的破坏, 导致冻结管断裂。

其中最为严重的1号联络通道透孔施工, 由于其钻进时间较长, 虽然采用了加大泄砂通道的方法, 但仍无法避免断管, 后期计划使用地质钻杆先进行首次导孔, 然后下放冻结管, 但在实际施工中发现对于砂、卵石地层, 成孔后一旦钻杆抽出成孔极易塌孔, 最终选择采用地质钻杆导孔, 然后跟进冻结管进行钻进, 从而避免了抽出钻杆的工序, 完成了整个透孔施工。

整体施工可以发现, 虽然最后完成了1号联络通道的钻进施工, 但是大部分冻结管仍受到了较大的磨损, 在低温盐水循环后仍有较大可能出现断管现象, 影响最终安全。

4 工艺改进

根据1号联络通道冻结管钻进施工情况, 为了有效避免后续钻孔施工中继续出现上述问题, 项目部经分析决定针对薄弱环节进行改进, 减少施工风险。

1) 针对砂、卵石地层调整冻结管规格, 以往施工中往往采用89 mm×8 mm低碳无缝钢管进行冻结管的制作, 在制作丝扣连接时, 为了避免公扣过薄, 因此母扣厚度一般不大于5 mm, 扣去丝牙尺寸后往往仅有3 mm。因此在考虑了加工同心度等问题后冻结管管壁薄弱的问题在砂卵石地层中往往表现极为明显, 并且即使施工完成未出现断管, 但是由于冻结管在地层钻进中磨损较大, 冻结后的断管几率要极大的高于普通粘土层内施工的透孔冻结管。因此根据冻结管长度、经过地层情况可适当增加冻结管管壁厚度, 达到有效减少磨损对管壁损害的目的, 同时施工钻孔前可以进行试钻, 探查冻结管在土体内1 h磨损量, 从而判断是否需要加强。同时由于开挖期间土体卸载的出现, 冻结管往往产生变形, 在磨损严重的冻结管位置, 这种变形往往造成致命影响。若已知冻结管变形挠曲线方程为h=h (x) , 则冻结面上某一截面处的最大弯曲应力σw, 拉伸应力σ1和剪应力τ均可以用材料力学公式计算:

其中, A和I分别代表截面面积和中心轴的惯性矩;b为冻结管外径[1]。可见最大弯曲应力σw, 拉伸应力σ1和剪应力τ均与冻结壁的变形有关, 且最大弯曲应力σw与冻结管外径尺寸、冻结壁变化程度成正比例关系。因此在变形一定的情况下增大冻结管外径可增加σw, 减少冻结管破坏的几率。

2) 对于磨损较大地层施工中采用外节箍进行连接点加固, 避免出现过度的冻结管焊口磨损。由于冻结管施工中透孔需穿透对侧管片, 因此其钻进时间一般较长, 且钻进至对侧管片位置由于混凝土管片在金刚石取芯钻头的磨损下进尺较小, 因此冻结管长时间处在相同环境内受到磨损, 磨损效果较不断进尺中严重, 且难以避免, 因此选择采用外节箍形式对于最为薄弱的接缝处进行处理, 从而有效的避免焊口破损, 造成冻结管断裂 (见图1) 。

k N/m2

5 改进效果验证

为了验证改进后相关效果, 在2号联络通道冻结管施工时部分冻结管采用了增加外节箍保护冻结管, 经对比发现在采取外节箍保护后, 正常泄压条件下所有冻结管均未出现断管, 而未采用外节箍保护的冻结管与1号联络通道断裂效果基本一致。

同时, 受工程实际施工所限, 无法对于不同外径的冻结管进行试验, 因此采用MIDAS数值模拟软件对于不同形状冻结管进行不同荷载条件下的模拟, 确定在同等荷载作用下冻结管的受力缩减。根据计算可以发现, 在采用95 mm直径冻结管后各个界面应力减少了30%左右 (见表1) 。

6 结语

在砂、卵石地层内施工冻结管时, 往往对于管体磨损较大, 易产生施工中断管的问题, 即使冻结管并未断裂, 但随着冻结时间的延长, 冻结管产生的断裂性也较大增加。经过分析计算发现通过采用外节箍或改变外径情况下由于冻结管厚度增加, 管体抗磨损能力增强, 保证了钻孔在冻结期间的安全, 而外径的改变可有效增加冻结管抗变形能力, 保证了开挖过程的安全。

摘要：为了研究冻结法施工联络通道在砂卵石地层中常见的断管现象, 对联络通道钻孔施工的难点进行了分析, 提出了改变冻结管尺寸, 调整薄弱区域界面的改进方式, 并通过现场验证以及数值模拟计算, 最终降低了断管事故的发生风险。

关键词：联络通道,冻结法,钻孔,卵石层

参考文献

[1]杨维好, 黄家会.冻结管受力分析与试验研究[J].冰川冻土, 1999 (21) :33-38.

[2]崔广心, 杨维好.冻结管受力的模拟试验研究[J].中国矿业大学学报, 1990, 19 (2) :57-64.

[3]李功洲.基于弹性基础梁理论的冻结壁和冻结管变形与受力分析[J].煤炭学报, 2001, 26 (3) :258-264.

联络通道冻结法 第2篇

摘 要:本文分析了冻结法在联络通道施工过程中的风险要点，重点阐述了施工过程中风险管理的应急处理措施和对策，以规避施工风险，达到安全施工的目的。关键词:隧道地铁联络通道冻结加固风险管理

冻结法基本不受支护范围和支护深度的限制，以及能有效防止涌水和城市挖掘、钻凿施工中相临土体变形，是城市地铁施工的重要方法之一。其具有安全可靠性好、适应性庄灵活性好、可控制好、污染小、经济合理等优点，在我国城市地铁施工中得到越来广泛的应用，并取得大量成熟经验和研究成果。由于地下工程的复杂性和冻结法施工的特殊性，在施工中常会遇到一些险情，除对冻结理论进行系统研究、严格各个环节的施工工艺外，还需对施工过程中进行风险分析，并采取相应的对策和处理措施，以将施工过程中的安全隐患消除在萌芽状态。

1施工总体方案

天津地铁某区间联络通道所穿越土层孔隙较大、含水丰富、承载力低、容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体本身难易自稳，容易引起水、砂突涌。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，使联络通道及集水井外围土体冻结，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站的开挖构筑施工。

联络通道冻结加固施工主要技术指标:(l)冻结盐水温度:积极期:一30一犯℃，维护期:一22一28℃。(2)冻土墙平均温度:镇一10℃。(3)冻土强度:单轴抗压3.6MPa，抗折ZMPa，抗剪1.SMPa。(4)冻土墙厚度:1.6m。

联络通道地层冻结的冷冻机组布置在地面，通过冷冻管输送至隧道内冻结加固，开挖构筑施工在区间隧道内进行，施工总工期在90一110d。其主要施工顺序为:

施工准备一冻结孔施工(同时安装冻结制冷系统，盐水系统和检测系统)一进行隧道支撑一积极冻结一探孔试挖一拆钢管片一联络通道掘进与临时支护一联络通道永久支护一泵站开挖与临时支护一泵站永久支护一结构注浆一进行融沉注浆充填。

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2工程风险分析

基于隧道联络通道的地质条件和结构特点，采用冻结法施工，施工过程中存在如下工程风险: 2.1冻结孔施工过程中的特殊风险点

(l)由于联络通道所处位置的工程地质状况，若冻结孔施工不当，易造成孔口涌砂、冒水，进而引起地面的沉降。(2)冻结孔施工质量直接影响到下一步的冻土帷幕质量，给开挖和结构构筑带来风险。(3)冻结管连接强度不够，造成开挖过程中冻结管断裂。2.2冻结施工过程中的风险点

(1)冻胀对隧道结构的影响:由于冻结工法特点，冻胀会对隧道结构造成一定的影响，使隧道产生冻胀变形，严重时可能造成管片的破坏及较大的冻胀变形，还可能会造成联络通道结构的渗漏，所以在运转过程中，采取控制冻结技术，控制冻结产生的冻胀。(2)冻结设备损坏，维修不及时造成冻土融化风险。(3)冻土结构和隧道两侧管片胶结强度不够造成接触面漏水。

2.3开挖和结构施工过程中的风险点

(l)冻结帷幕质量不好。(2)冻结帷幕变形过大。(3)施工过程中的停电、机器发生故障使冻结机组停止运转超过规定时限，冻结过程中断。(4)开挖过程由于冻结帷幕局部薄弱漏水、漏砂。(5)排水管敷设中的突发涌砂涌水现象。

3冻结孔施工风险处理措施

3.1冻结孔施工中涌砂、冒水风险处理措施

冻结孔在打设过程中，由于所处地质富含丰富的地下水，有涌砂、冒水可能，相应的风险处理措施:

(l)正式开孔前，施工现场要配备Φ125mm、Φ109mm等规格的木楔、2m3在砂袋和6T水泥(含IT速凝水泥)及注浆设备。(2)冻结孔开孔分一、二次控制泥浆涌出。首先孔位避开硅管片内受力主筋，然后用开孔器(配金刚石钻头取芯)按设计角度开孔，开孔直径130mm，预留不小于100mm的管片厚度时停止取芯钻进，安装带填料密封盒的孔口管，通过管侧的Φ40mm旁路阀门，防止孔口喷砂;其次将孔口管固定、密封好，并装上DN125闸阀;最后将闸阀打开，用开孔器从闸阀内二次开孔，开孔直径为108mm，一直将硅管片开穿，出现涌 使命：加速中国职业化进程

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砂就及时关闭闸门。(3)在二次开孔后，若出现大量涌砂，通过孔口管的旁路阀门对地层注双液浆封堵，必要时用木塞封堵钻杆管口。(4)在孔口管装置脱落时，立即在冻结管上加焊挡环，用管锤或钻机将孔口管顶住，然后通过孔口管侧的旁路阀门注双液浆封堵，再用膨胀螺栓将孔口管重新固定在隧道管片上。(幼在未进人承压水层时，采用强力水平钻机无泥浆钻进。(6)对旁通道所在地面进行观测，若钻进时出现大量涌砂、涌水事件，须加大地面的监测频率，出现单次沉降3mm及以上，立即对地面的注双液浆充填。(7)为防止开孔及钻进期间涌水、涌砂现象的发生，还须采取以下措施:A、加大钻具推力，强行顶人套管;B、利用原钻具系统注人1:1的水泥一水玻璃双液浆;C、必要时压紧孔口管密封装置，封闭该孔。3.2冻结管渗漏或断裂风险处理措施

(l)发生冻结管渗漏或断裂时，停止作业(必须正常运转的设备和系统除外)，立即逐级汇报，采取下放套管、关闭孔口阀、压紧孔口装置、实施注浆等措施。(2)现场采取妥善地保护措施，防止事态扩大。

4冻结施工风险处理措施

(l)开机前对各系统进行严格调试，在开机前做到设备正常运转。为保证冻结和开挖期间冻结运转的连续，冻结系统设备采用新型冻结设备，并准备一套备用设备，当一台设备出现故障时，启用另一台设备运转，保持冻结的连续进行。同时，对故障设备进行维修，确保始终有一套设备备用。(2)预备二路供电电源(备用发电机);预备备用冷冻机和相关备件;安装各类计量和检测仪表并预留备件;盐水正常循环前进行管路施压渗漏检测，清洗后用橡塑材料保温;做好冻结管的打压试验;在左线和右线隧道管片内侧铺设冷冻板和保温层，确保冻土帷幕不存在薄弱环节。(3)按照方案及时对冷冻各系统参数进行监测，并保持记录，做到每天一测，关键参数多次监测，发现问题立即处理。(4)每班测量冻结孔系统供液情况，确保每组冻结孔盐水流量)5m3/h，否则通过手动调节;每天对盐水去回路温度进行监狈(，去回路温差在冻结壁交圈后小于1.5℃。(幼准备冲孔的必需设备，保持卸压孔的畅通。(6)利用泄水压孔每天放水泄压，逐渐将联络通道开挖土体内水放出，消除冻结对隧道管片和临近建筑物的冻胀影响。

5联络通道开挖条件验收

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5.1联络通道地面环境验收

(l)联络通道所在地面的建筑物和管线是否稳定。(2)联络通道所在的地质及开挖地层否含承压水。5.2冻结效果验收

(l)设计积极冻结时间为45d。积极冻结7天盐水温度降至一18℃以下;积极冻结15d盐水温度降至一24℃以下;开挖时盐水温度降至一28℃以下。(2)各冻结孔组的去、回路盐水温差不大于1.5℃。(3)检查冻结孔盐水流量情况:要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h，每米冻结管(包括冷冻排管)的设计散热量不应小于100kcal/h，盐水系统循环总流量在积极冻结期间达到设计值。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求，应延长积极冻结时间。(4)泄压孔压力上涨超过7d，或打开泄压孔阀门确认无泥水流出。(幼联络通道冻土厚度大于1.6m的设计厚度，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交接面处温度不高于一5℃，冻结壁有效土平均温度要达到一10℃以下;并进行探孔测温检测。根据测温孔测温结果计算，冻土帷幕的平均温度和厚度达到设计值。(6)在钢管片打开前，先在冻结可能存在有最薄弱部位打几个探孔，以确定冻土强度是否达到设计值，并无水砂流出即可正式开挖。如果达不到开挖条件，应组织有关专家、技术人员等进行现场分析研究，找出原因合理延长冻结期，待冻结壁完全达到设计厚度方可正式开挖。5.3开挖时其他条件验收

(l)通信系统安装完毕。整个施工期间，在施工现场安装直拨电话，并安排专人进行线路维护，便于对施工现场的监督和管理。(2)防护门安装完毕。防护门安装在联络通道开挖侧，门框直接焊接在预留洞口钢管片上，在门框与门边接触处设置密封橡胶条。同时确认防护门启闭功能正常，接好供气管。(3)完成隧道支撑加固。(4)冷冻机等机电设备及电源等完好的检查报告。(幼对开挖作业人员进行了安全教育培训和安全技术交底工作。(6)抢险物资和施工材料准备就绪并运到现场，包括:砂袋、水泥、钢支撑、支护木背板、木楔等。

6开挖施工处风险理措施 6.1应急液氮

在联络通道附近储备移动式液氮罐的连接管路和保温材料，并与厂商签订协议，保证液氮在12h内连续供应至工地。

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6.2开挖面渗水风险处理措施

开挖过程中，开挖面有水渗出时，立即停止施工。第一时间由当班工长通知值班管理人员，同时对渗水点进行处理。如果出水量小，只是滴漏，未形成线流，利用快干水泥或注人聚氨醋封堵。如果渗水量大，利用液氮进行快速冻结。

冷冻站人员及时对渗水点观察，立即查找原因，调整冻结参数。6.3涌水、涌砂风险处理措施

开挖时出现涌水、涌砂等情况时，用砂袋和粘土袋压住出水点，封闭通道，上报项目总工和经理。(2)当出现无法控制的突发局面时，重要电机设备立即进行转移，同时迅速组织人员撤离现场，关闭防护门。同时，对地面沉降情况进行检测。并分析原因，制订措施报请业主、监理和总包单位审批后实施。6.4停水、停电风险处理措施

(l)在积极冻结期间突然停电，冻结帷幕不会很快融化，对冻结效果影响也不大;如停电时间较长，应增加积极冻结时间，直到冻结帷幕完全交圈为止。(2)在开挖期间突然停电，立即停止掘进，把暴露的土体用保温材料完全覆盖，进行保温。现场人员及时通知供电部门，排查故障原因，在30min内供电正常对旁通道的冻结及开挖没有影响。如不能及时恢复供电，立即启用备用发电机，保证冷冻站冻结系统正常工作。(3)冻结补充水每天补充一次，断水24h一般不影响冻结;冻结时保证清水箱充满水。另外在停水后，可以从别处运水补充至清水箱或在车站端头井蓄水，紧急时抽水至清水箱，保证冻结系统的正常运转。6.5工作人员打破冻结管风险处理措施

施工人员在开挖至冻结管附近时，由冻结值班人员向其标识冻结管的具体位置。如出现打破冻结管的情况，停止开挖，并通知冻结维护人员关闭盐水阀门，防止盐水外流融化冻土，由电焊工焊及时对冻结管补焊后继续施工。6.6冻结管去、回路盐水温差大于1.SOc风

险处理措施在开挖和结构施工期间，保证每组盐水的进、回路流量，一旦发现盐水的去、回路温差大于1.5℃，应及时调整该组盐水管路的流量，保证各个冻结管盐水流量均衡，使冻结管去、回路盐水温差满足要求。6.7开挖工作面化冻风险处理措施

掘进施工人员如果发现已开挖的暴露面不断有土块掉下，且影响面积较大，而且周围 使命：加速中国职业化进程

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土体有松动现象，立即通知冻结施工人员，由冻结施工人员根据判断情况，加强冷冻，同时做好开挖面的保温工作。6.8承压水不良作用风险处理措施

按不利原则分别考虑高、低水位，微承压含水层呈带状不连续分布。因此制定本处理措施:

(l)冻结过程中，针对不安全部位多布置测温孔加强温度监测，及时对所测数据分析和统计，对冻结帷幕的发展状况做出相应的预计。(2)开挖前对开挖条件严格把关，一旦发现有不合格条件，及时进行分析和排查，确实是冻结问题，采取加大局部冻结孔的流量，增加冻结时间，以提高局部冻结质量，直至满足所有开挖条件才可开挖。(3)开挖过程中，派专人对开挖工作面的冻土质量及温度进行监测，一旦发现问题及时土报给项目经理，经核查后启动涌水处理措施。

6.9排水管预留洞口处风险处理措施

敷设排水管时，预留洞口处已失去通道防护门的保护，如出现突发的涌水、涌砂现象，除关闭通道防护门外，洞口处也要封闭。具体的操作方法如下:可采用与通道防护门相似的做法，即在穿过的钢管片隔腔处设置一可关闭的小型防护门，以增加洞门的密闭性，如出现突发现象，立即关闭此门，并加以固定。6.10其它处理措施

(l)做好信息化处理，通过监测指导施工。A、位移的监测工作在冻结孔施工前，建立监测原始基准数据，冻结孔施工时，开始第一天监测，直至冻结帷幕融化后。B、冻结系统及冻结壁的温度等指数监测，自冻结运转开始，直至冻结停冻。C、(3)测温孔温度监测，冻结开机后每天监测一次。D、监测的各种数据及时反馈分析处理，以便指导施工，采取措施。(2)为了控制支架间冻结帷幕的变形，减少冻结帷幕冷量损失，所有钢支撑架后采用木背板密背，背板必须同冻结壁紧贴，尽量减少支护间隙，木背板不能松动，当支护间隙较大时，可增加背板厚度和木撅子，以提高支护效果。(3)开挖过程中，如发现土体加固强度不够，影响正常掘进时，可以采取缩短进尺加强支护等措施处理。(4)成立抢险领导小组和救援队伍，抢险领导小组轮流值班，当现场出现紧急情况时，能及时并有效不紊的实施工程抢险。

7配备应急材料及设备

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现场需配备的应急材料及设备包括:(l)水泥(包括速凝水泥)、水玻璃、粘土袋、砂袋、方木、木楔等常用材料;(2)冻结备用设备(包括冷冻机、盐水泵和清水泵)、双液注浆泵、空压机、混凝土喷射机、千斤顶、电锯、手拉葫芦、电焊机等设备。

8结语

冻土是对温度十分敏感且性质不稳定的土体，施工过程中重点做好循环盐水的温度和流量、冻土墙的温度、开挖期冻土墙体的变形量、地面冻胀和融沉量的监测，及时掌握施工质量。由于地下工程的复杂性，及时发现施工过程中存在的隐患，根据制定对策和措施采取正确的方法，才能堵绝事故苗头，确保施工安全。

联络通道冻结法 第3篇

富水砂层地质条件下联络通道施工一直以来都是盾构隧道施工过程中风险系数最大的环节之一, 如果前期地层加固效果不理想, 在矿山法施工过程一旦出现漏水涌砂通道, 则可能淹没隧道, 因此如何通过安全有效的加固及施工工法规避潜在施工风险显得尤为重要。但在目前具体加固及施工工法的选择上, 基于对工期、造价、常规施工经验等多方面因素综合考虑, 目前还很难达成一致。广州地铁人正是凭着在地铁施工实践过程中不断勇于尝试创新的精神, 首次在软土富水砂层地质条件下采用冻结工法加固及钢套筒地面开挖施工技术, 根据特定施工环境积极拓展了地铁联络通道施工工艺, 并取得了成功。不但有效缓解广州亚运会前的开通压力, 而且成为确保该联络通道施工安全、质量和进度的有效手段。

2 工程概况及地质条件

广州轨道交通二、八号线南延线某泥水加压盾构法隧道由两个区间隧道组成, 右线隧道长1842.449m, 左线隧道长1841.363m, 区间隧道线间距为13.2m, 工程采用两台海瑞克泥水盾构机分别掘进完成。该联络通道设置在单向折线坡盾构区间隧道里程YDK6+829.561处, 该位置经挖槽探管证实两隧道之间上方无管线通过, 上方中心为花坛。联络通道顶部埋深为15.7m, 底部埋深19.8m, 穿越地层主要为<3-1>粉细砂层 (右线位置) 、<3-2>中粗砂层 (左线位置) 。联络通道上方为:<3-1>粉细砂层、<2-2>、<2-1A>淤泥及<1>杂填土等地层, 下方是:<4-1>淤泥质土、<5-2>硬塑粘土、<6>全风化红岩、<7>强风化红岩等。洞身上覆土层为<3-1>粉细砂层 (剖面图见图1) 。勘察报告显示, 联络通道地层及隧道上覆地层均为透水地层, 渗透系数分别为:<3-1>粉细砂层2.5m/d;<2-2>淤泥质细中砂层1.8m/d。由于地层渗透性强, 又距离珠江水系较近, 联络通道位置地下水与三枝香水道有直接水力联系。

3 联络通道冻结工法施工方案确立背景

鉴于联络通道结构范围大部分断面处于富水砂质地层中, 施工风险较大, 为有效预防施工期间因加固措施不完善而引发的安全隐患, 提高联络通道整体施工防水等质量性能, 原加固方案对联络通道范围地层采用Φ800@600双管旋喷桩加固, 相邻排错位布置。加固范围:纵向 (隧道方向) 以联络通道中心线为中心两侧各3.8m, 共7.6m;横向 (垂直隧道方向) 包括两隧道之间区域6.4m两隧道范围各2.2m, 共10.8m;深度至<7>强风化红岩, 距地面约26m, 其中上部10.7m为空桩, 下部15.3m为实桩。旋喷加固于2008年12月中旬完成。为了判断旋喷桩加固后土体的性质, 经地面抽芯检测显示联络通道结构开挖范围内 (15.7~19.8m) 加固效果不理想, 以原状砂土层为主。因此待钢护筒竖井地面开挖至16m, 采用WSS工法进行补充加固, 加固范围为通道侧墙外放4m, 纵向搭接2m, 形成止水层注浆材料采用AC液和AB液, 注浆通过二重管端头的浆液混合器充分混合, 注浆完成后方可进行通道全断面开挖。经过竖井内及左线隧道内加固近一个半月, 期间仍多次出现竖井及隧道内观察探孔流沙的不利工况, 固沙防水效果也不理想。鉴于施工安全以及总计划工期等因素综合考虑, 经专家多次论证拟采用冷冻法补强加固技术施工。

4 联络通道冻结工法施工技术

4.1 冻结法定义

冻结法加固土层, 即用人工制冷方法使联络通道外围的土层降温冻结, 形成一个封闭的冻土维护结构, 然后在冻土维护结构中进行联络通道掘砌施工。根据工程地质条件及施工条件特点, 采用“隧道内钻孔, 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倾斜孔冻结加固地层, 使联络通道外围土体冻结, 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。联络通道施工可分为冻结孔施工、冻结施工和开挖构筑施工三个主要部分 (联络通道冻结法施工工艺流程图见图2) 。

4.2 冻结法各阶段工序施工原理及注意事项

冻结法正式施工前必须保证设计先行, 即根据具体工程特点要求冷冻法设计单位完成冻结加固设计, 包括冻结壁承载力验算、冻结帷幕设计、冻结孔布置及制冷设计、测温孔布置、泄压孔布置等参数必须满足施工规范要求。

4.3 地层冻结施工

地层冻结施工是冻结法施工的重中之重, 更是施工成败的关键, 分为积极冻结和维护冻结两部分。积极冻结施工前需在通道及临边管片上布设测温孔和卸压孔, 同时完成冻结设备调试和管路的布置、隧道内预应力支架安装方可进入积极冻结施工 (见图3和图4) 。本工程设计测温孔7个, 左线4个, 右线3个;泄压孔4个, 每侧隧道各布置2个, 具体位置视现场情况而定。积极冻结阶段为冻结帷幕的形成阶段, 积极冻结期盐水温度为-28℃~-30℃, 设计冻结时间40天, 要求冻结孔单孔流量不小于5m3/h;积极冻结7天盐水温度降至-18℃以下, 积极冻结15天盐水温度降至-28℃以下, 去回路温差不大于2℃;开挖时盐水温度保持在-28℃。如盐水温度和盐水流量达不到设计要求, 应延长积极冻结时间。待冻结帷幕各项参数到达设计要求且交圈形成以及到达设计厚度、冻结帷幕与隧道完全交结后方可进入维护冻结即通道开挖构筑施工。

5 联络通道冻结工法施工成效

5.1 冻结法施工加固效果分析

本标段联络通道冻结法自2009年9月21日开始进入积极冻结, 到10月1日盐水温度降至-20℃以下, 10月7日降至-25℃以下, 11月11日积极冻结时间为50天, 盐水温度稳定在-28℃以下, 盐水去回路温差在1℃左右, 且温差值逐渐减少。冻结系统运转正常, 供冷量充分。积极冻结期间各冻结参数变化如下:

⑴联络通道各测温孔变化情况如下:左线5个 (C1-C5) , 右线2个 (C6, C7) 。从测温数据来看:C1号测温孔 (位于内侧) 温度下降较快, 钢管片与冻土交界面温度已到零度以下。2号测温孔 (位于外侧) 各测点温度监测值普遍较高, 降温仍很缓慢。外侧测温孔 (2号、4号, 5号) 钢管片 (200mm深度) 及管片后 (400mm深度) 位置温度较高, 施工单位已于10月28日加强对冻结区域的保温, 10月28日后降温幅度有所增大, 保温效果较明显。

⑵联络通道各卸压孔变化情况如下:从数据统计不难看出10月5日~11月1日, 最大压力维持在0.11MPa, 11月1日下午施工单位打开卸压孔放水, 11月2日上午压力并未恢复到释放前的压力, 三个卸压孔压力均有所下降;11月2日下午施工单位将左行线卸压孔 (X2) 卸压至零, 11月3日后X2压力值一直为零。11月5日后, X3、X4压力值均为零, 可判定这一区域已形成封闭结构。

⑶冻胀压力变化情况:冻胀压力即冻结期间冻土对管片的作用力, 按以往冷冻法施工经验分析, 冻胀压力最大的时候应该是冻结壁交圈的时候。本标段左行线冻胀压力盒 (Z1) 压力增长缓慢;右行线冻胀压力盒 (Y1) 压力自10月17日以来均以较大幅度增长, 11月2日Y1压力值达到最大值2.29MPa, 11月3日~11月10日压力保持下降趋势。

⑷联络通道冻结帷幕状况分析:各特征截面冻土平均温度基本满足设计要求, 根据测点到冻结孔的距离及测点到零度的时间综合推算C、E截面最薄弱冻土有效厚度略小于1800mm, 但根据冻土发展趋势, 在工作竖井安装好冷冻排管后有效厚度能达到设计要求 (见图5) 。

⑸从隧道内探孔情况来看:各孔均无涌水、涌沙现象, 温度正常, 冻土发展情况良好。

⑹联络通道周边环境、地面及隧道监测情况:隧道变形监测从2009年8月25日开始, 截止到2009年11月7日, 隧道沉降累计最大为 (左线) :-5mm; (右线) :12mm。隧道收敛累计变化最大为 (左线) :-11mm; (右线) :-9mm。地面及建筑物沉降累计最大为:-14mm。

综合以上参数, 联络通道积极冻结比设计标准多10天时间完成, 部分参数在经过“拐点”后到达设计参数要求, 其余各项参数均到达要求, 钢护筒以及联络通道管片保温效果良好, 冻结施工过程中未出现渗漏水工况, 已达到了开挖条件。

5.2 联络通道冻结帷幕开挖

冻结法施工联络通道冻结帷幕开挖采取分区分层方式进行, 由于冻土强度较高, 冻结帷幕承载能力大, 因而开挖时可以采用全断面一次开挖, 开挖步距为0.5m左右。鉴于冻土强度高 (见图6) , 韧性好, 开挖深度越深离冻土帷幕越近, 土体开挖难度越大, 因此需采用风镐进行掘挖。

本标段冻结法施工联络通道自2009年11月11日开始开挖, 2009年11月18日挖至左线第一根冻结斜管, 2009年11月19日开挖至通道拱顶上方 (累计开挖深度16.2m) , 开挖面土体温度-9.8度, 并进行安装盘管和粘贴保温板的施工准备。2009年11月19日~11月20日继续进行竖井开挖并按专家审查会要求在保留一定覆土的前提下在钢套筒内侧安装冻结盘管及保温板;11月30日完成通道钢护筒到左线钢管片上台阶初支钢格栅拱架安装并喷锚;12月9日完成钢护筒到右线混凝土管片初支钢格栅拱架安装并喷锚并切割通道管片;12月11日切割右线通道钢管片;12月15日按业主限定的闭门工期顺利完成联络通道冻结法施工。

联络通道竖井开挖构筑施工过程中, 各方通过对第三方检测报表数据分析、现场开挖面地层分析 (见图7) 、及时测取施工作业面各界面温度变化、渗漏水等异常工况的分析等诸多现场实际情况, 证实了积极冻结的冻结帷幕胶圈厚度等关键质量满足施工要求, 同时维护冻结期间冻结机组冷量供应连续、稳定和足量, 确保该联络通道工程整体施工质量的同时有效控制了隧道的位移, 并保证了工期。利于华南地区地铁盾构工程冷冻法推广及应用。

6 结语

通过广州富水砂层地区联络通道冻结工法施工技术的全过程跟踪和效果分析, 同时对比上海、南京等城市富水砂层冻结施工的成功经验, 主要有如下几方面, 供各位同行借鉴:

⑴本工程联络通道冻结设备自2009年8月15日进场, 2009年9月21日开始进入积极冻结, 2009年11月11日进行冻土开挖, 积极冻结工期为50天;2009年12月15日完成联络通道冻结法二衬混凝土浇筑施工, 通道结构开挖构筑共用工期25天;到2010年1月15日各项监测数据显示通道及周边环境稳定, 工程施工造价约300万, 从工程筹备到通道结构施工完毕共用时超过4个月, 建议冻结法的应用考虑重点除地质因素外施工工期也不容忽视。

⑵本标段联络通道冻结施工的必要前提背景、周边工程环境、地质条件以及联络通道开挖方式等均十分特殊, 具备冻结施工的基本施工要素, 但同时也异于常规冻结法施工, 给冻结法施工带来了不小的困难和挑战, 其中包括导热钢护筒、非原状冻结地层、联络通道不同的管片类型、开挖竖井与联络通道接口位置的防水处理措施等, 但经过几方对工程风险及特点的细致分析, 首先从设计入手, 根据以往成功施工经验及时加强并提高冻结参数规范要求, 提前考虑应对工程难题的施工对策及措施, 攻克了一个个地下施工难题, 最终保质保量的完成施工任务。

⑶在华南地区冻结法施工技术不能一味照搬上海等城市冷冻法的施工模式, 应“因地制宜”, 加强保温处理、渗漏水及时封堵 (特别是钢护筒外侧与开挖土体间的漏水通道) 的同时及时选用符合制冷功率要求的设备, 并做冻土试验, 同时华南地区气候条件特点也是冻结法施工需克服的外界因素之一。

⑷面对临江富水砂层软土地质条件, 地层加固工法的选择应根据地层渗透系数等参数综合比选判定, 从本标段施工经验分析, 冻结法可作为首选施工加固工法。

⑸积极冻结期间, 冻结帷幕与管片 (钢或混凝土管片) 交接位置冷冻状况的检测非常重要, 也是冻结施工较薄弱位置, 必须满足并达到相关设定冻结参数指标要求。

⑹采用竖井开挖到通道结构标高必须采用分层方式进行开挖, 同时按布距及时架设支护措施, 挖掘设备的选取宜选用耐低温的设备并完成垂直提升设备相关报验送审程序。

⑺冻结工法施工要求作业人员必须提高施工风险辨识水平的同时加强现场安全风险管理力度, 特别是对冻结法冻胀及融沉等安全隐患较大施工工序的管理, 加强日常监测的同时建议聘请具备资质且具有冻结法施工经验的单位进行第三方监测, 将潜在的施工风险降至最低。

⑻完善冻结法施工过程中应急预案及物资, 特别是出现线流、滴漏的处理应急措施。

摘要：本文以广州轨道交通二、八号线南延线某盾构区间联络通道冷冻工法施工工程为例, 详细介绍了地铁盾构隧道联络通道附属工程在特殊工程地质条件下通过采用冻结法解决施工难题, 并对广州富水砂层地区联络通道冻结工法加固施工措施的应用及成效进行了分析, 提出设计和施工的关键控制措施, 确保工程施工的安全、质量和进度, 可供其它类似工程借鉴。