地铁隧道联络通道工程地层冻结法施工技术

地铁隧道联络通道工程地层冻结法施工

技术

摘要：随着土地资源的不断减少和人口数量的不断增加，地下空间的开发已

成为必然趋势，土木工程行业的地位越来越高。然而，随着地下空间的发展，出

现了一些问题，尤其是围岩等级低、复杂水文地质条件下的地下空间开发尤为突出。为了适应这些复杂的地下环境，地铁设计和施工人员经过充分的研究和试验，提出了冻结法施工方法。由于冻结法施工适用于地下水的各种地基加固排水，不

易出现薄弱点，因此已广泛应用于地铁等地下空间的开挖。

关键词：结构冻结法；施工技术；地铁隧道明挖；应用

引言

地铁如今已是城市轨道交通的重要组成部分，为方便人民出行和缓解城市拥

堵做出了巨大的贡献，而在两单线区间隧道之间建立联络通道则是保障地铁运营

安全、减少行驶过程中突发状况所造成的生命财产损失的关键措施。由于联络通

道的修建都在隧道结构完成之后进行，其施工难度大，并且一旦出现不良状况，

不仅会影响联络通道结构本身，也可能对已经完成的隧道产生较大的不良影响。

因此，在联络通道的施工中必须选择恰当的加固方法和施工工艺。目前，人工冻

结法是修建联络通道常采用的施工方法，该方法环保且对周围地层影响小，尤其

在一些富水软土地层中十分适用。

1施工方案

在拟建联络通道施工区域的外围地层，钻出若干个水平和倾斜状态的冻结孔，在冻结孔内设置冻结管，通过冷冻系统对该联络通道外围的地层进行冻结加固，

构成严密且强度较高的冻结帷幕（冻结墙），以此有效提高施工区域外围土体强度、稳定性和封水性能。在冻结帷幕内侧采用矿山法组织土方开挖，并完成联络

通道和泵房主体工程的施工任务。

2地铁隧道联络通道工程地层冻结法施工技术

2.1冻结孔的布置参数

为了确保圆砾层在联络通道开挖过程中的稳定，经过严谨的设计计算并且借

鉴了以往冻结法的施工经验，采取从通道左右两端布置冻结孔的方法，一共布置

57个冻结孔，其中左线冻结孔46个，右线冻结孔16个（包含4个加强孔），外

加2个穿透孔打设在通道中部。针对圆砾地层成孔难的这一特点，开孔设备选用

J-200型金刚石钻机。在冻结过程中，为了使冻土帷幕覆盖范围内的整体温度分

布均匀，冻结孔采取“上仰，水平，下俯”三种成孔形式，总长度356.734m。为

了充分利用冷冻机制冷输出，最大化地降低管片温度对冻结壁形成的影响，需在

冻结站对侧隧道沿着冻结壁边缘布设5排冷冻排管。

2.2钻孔施工和质量检测

钻孔采用MD-50型钻机，配备BW250型泥浆泵，利用Φ89×8mm无缝钢管制

作的冻结管作钻杆。冻结管（包括测温管和卸压管）采取丝扣加焊接的连接方法。待接头螺纹紧固后，再使用手工电弧焊接方法将接头处焊接牢固，以增强冻结管

连接的稳固性。钻孔时安装简易钻头，全程均在无水条件下钻进。因某些特殊原

因而导致钻进难度较大时，可在钻头处安装单向阀门，采取带水钻进方式，保证

钻进作业的顺畅性。当冻结管到达设计深度后，清理安装在钻头处的单向阀，并

对冻结管端部做密封处理。钻孔时存在较多干扰因素，需监测孔位的偏斜情况，

若出现偏斜应及时纠正。冻结管深度满足要求且偏斜量得到有效控制后，则以

0.8MPa压力进行打压试漏，并维持该压力15min。期间若无压力异常波动的情况，则冻结管安装完成。此后，向冻结管内置入供液管，再以焊接方式设置端盖和出

入回路接头。

2.3冻结法施工工艺及要点

冻结时间约为４０ｄ。冻结时间可分为主动冻结期和维持冻结期。从地面冻

结到冻结壁，满足设计要求所需的时间称为主动冻结期。为了保证在开挖和衬砌

结构过程中的安全，冻结壁将继续将制冷能力输送到冷冻机，以在冻结壁期间保

持冻结壁满足设计要求，这被称为维护周期。冻结期结束后，部分土壤水变为冰，

然后将天然岩土转化为人工冻土。大部分项目，包括这个项目，都用盐水冷冻，氯化钙溶液可以用于盐水中。为了减少金属管的腐蚀，可以在溶液中加入钠重质络合剂或氢氧化钠。此外，冻结壁的平均温度与开挖深度有关，最低盐水温度决定冻结壁的平均温度。采用冻结法时，应注意以下几点：由于冻结过程中土体体积增大，为了顺利施工，必须设置泄压孔。土壤的压力是由土壤中设置的压力计决定的。精度应大于０．０２Ｍａｐ，当压力计的量程达到０．２Ｍａｐ时应进行减压。在施工过程中，必须监测地表沉降和其他沉降，以确保施工安全。为了防止水流和沙流影响正常的开挖和施工，需要安装防护门，防护门的设计和安装应符合相应规范的要求。由于冻结法施工温度较低，在施工中使用的混凝土应为特殊负温混凝土。另外，由于冻结法施工需要大的供电，为了防止施工过程中的供电不足，需要在设备上增加一系列应急备用设备，如发电机等。

2.4融沉注浆技术措施

在维护冻结期结束后，形成的冻结帷幕开始慢慢消融，土层之间开始出现大面积的空隙，冻土融化后所产生的附加应力会造成地表产生沉降，围岩的不稳定程度骤增，如若不及时采取措施补救，则遗留下的安全隐患是巨大的。对于自然解冻的工程，跟踪注浆是及时解决融沉问题较为常用的一种方法。但是，许多施工单位因为选取的注浆浆液配比对所处的土层不适用，注浆时机的把控不严格，注浆管埋设位置过于随意而达不到理想的注浆效果。由此可知，融沉注浆技术的提升需依靠施工工艺的优化来体现。

3展望

由上述分析可知，因为人工冻结法安全性高，对环境污染小，适用于绝大部分复杂环境，在地铁隧道建设中取得很好的反响，但人工冻结法也存在一定的弊端。相对于其他施工工艺来说，人工冻结法施工费用较高且工期较长，如若土层中的水渗流流速较大则会影响冻结壁的形成，使冻土帷幕冻结厚度不均匀。由于地下空间的不确定性，冻结法在施工中还存在很多的不确定性，从而引起了冻结壁的变形和地表冻胀危害等问题。地表冻胀现象是主要研究问题，该问题如果得以解决人工冻结法将会更大程度的应用到地铁隧道施工中。人工地层冻结法起源于天然冻结，天然冻土的形成过程可视为一维冻结问题，而人工冻土体中存在稳