浅谈地铁盾构隧道联络横通道冻结法施工

浅谈地铁盾构隧道联络横通道冻结法施工

浅谈地铁盾构隧道联络横通道冻结法施工

摘要：本文介绍了冻结法施工技术在城市地下铁路盾构隧道联络横通道施工中的应用,就冻结法施工原理、制冷设计理论、冻结孔布置及制冷设计等问题进行了较为详细的论述。该工法在城市地下工程的建设中有着不可替代的地位。

关键词:冻结法; 城市地下铁路盾构隧道;联络横通道;

中图分类号：U45文献标识码： A

引言

近些年，城市地下铁路设计、施工技术在国内已经取得了突破性的进步。在城市地铁隧道规划设计中, 上下行隧道间通常要设置旁通道, 又称联络通道。对于联络横通道的施工，随着近年来地下工程的迅速发展,冻结法加固技术因为其防水效果好、对周围环境影响小等特点而越来越多的被应用于城市地铁建设中[1-2],特别是对环境保护要求高、又处在软土地质条件下的旁通道加固,其应用更为广泛。

工程概况

某城市地铁区间盾构隧道联络横通道所处地层为高含水量、高压缩性、低强度土层，该层土具有明显的触变性，在一定的动力作用下易发生流变，破坏土体结构，使土体强度突降，对地下铁路盾构隧道联络横通道施工带来了困难。

施工方案

该地铁区间盾构隧道位于交通繁忙市区，人口密集，地表下有多根给排水管线、煤气管线、通讯电缆，根据该旁通道埋深和土层特性,经技术、经济比较，确定采用“冻结法”对联络横通道施工。

施工原理及步奏

对于地铁区间盾构隧道这种特殊工况，一般沿开挖断面周边布置与通道方向基本平行的冻结孔，利用人工制冷技术，在冻结孔中循

环低温盐水，使冻结孔附近的含水底层结冰，使天然岩土变成人工冻土，在要开挖体周围形成封闭的连续冻土帷幕，使其弹性模量增大，进而增加冻土帷幕的强度与稳定性，以抵抗土压、水压并隔绝地下水与开挖体之间的联系，然后在该封闭冻土帷幕的保护下进行开挖与永久支护的施工[3]。冻结法施工的步奏为：施工准备──冻结孔施工，同时安装冻结制冷系统──安装冻结盐水系统和检测系统──积极

冻结──探挖──隧道掘进与初衬施工，维护冻结──停止冻结。

施工方案设计

4.1冻结帷幕设计

冻结孔的布置均采取从上、下行线隧道两侧打孔方式进行。冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置，该具体工程中共布置冻结孔68个。冻结孔的布置示意图见图3、图4。

图3 冻结孔布置示意图

图4 冻结孔布置示意图

冻结孔须达到下述施工技术要求：

(1)冻结孔的开孔位置误差不大于100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。冻结孔最大允许偏斜1％。

(2)冻结孔有效深度不小于冻结孔设计深度。冻结管管头碰到冻结站对侧管片的冻结孔，不能循环盐水的管头长度不得大于150mm。

(3)冻结管用Φ98×10mm,20#低碳钢无缝钢管，冻结管耐压不低于为0.9Mpa，并且不低于冻结工作面盐水压力的1.3倍。

(4)冻结站对侧隧道上沿冻结壁敷设冷冻排管，冷冻排管采用

Φ30×4mm无缝钢管。

联络横通道测温孔布置12个，冻结站对侧为5个，目的主要是测量冻结帷幕范围不同部位的温度发展状况，以便综合采用相应控制措施，确保施工的安全。测温管选用Φ30×4mm,无缝钢管；测温管长度每个3～7m；管前端焊接密封，管内不得渗水。

4.2制冷设计

参考类似工程以及相应规范，积极冻结期盐水温度为-26℃～

-28℃，维护冻结期温度为-25℃。积极冻结时间为40天，维护冻结时间为10天。冻结孔单孔盐水流量不小于2.5m3/h。

冻结需冷量按下式进行计算：

Q=1.2·π·d·H·K（1）

式中:H—冻结总长度；

d—冻结管直径；

K—冻结管散热系数；

将上述参数代入公式（1）得出旁通道需冷量。根据上述计算所得需冷量，选出旁通道冻结法施工的冷冻机型，冷媒剂选用氯化钙（CaCl2）溶液[4]。为避免长距离输送盐水造成的冷量损失，设计将冻结站布置在隧道内,占地面积约80m2。站内主要设备包括冷冻机、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

冻结法要点

5.1积极冻结与维护冻结

积极冻结阶段在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。

维护冻结阶段在积极冻结过程中，要根据实测温度数据判断冻土帷幕是否交圈和达到设计厚度，测温判断冻土帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻土帷幕内土层无流动水后（饱和水除外）再进行正式开挖。正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，提高盐水温度，从而进入维护冻结阶段。

5.2冻结孔施工

根据地质报告所提供的资料 ,施工必须对其地层状况有详细的

认识。在工程施工初期 ,通过第一轮钻孔的施工对不同深度的地层再作进一步的了解 ,掌握不同层段的岩层性质 ,同时应考虑岩层倾角

造成基岩段在冻结孔不同的深度差异，在施工过程中根据不同岩层段的岩性变化 ,选择不同的合适的钻进技术参数、泥浆参数等内容[5]。

开孔的好坏是保证钻孔垂直度的关键 ,除保证“三点一线”外 ,开孔钻进过程中应以慢转、轻压、大泵量为宜 ,一般控制在转数 80

r/min、钻压 300 kg、钻速 1m /h、泵量 800L/min左右。钻进完成后取出岩心后，打入加工好的孔口管，并用至少4个固定点固定在管片上，然后安装孔口密封装置，如图5所示。

图5 冻结孔开孔及钻孔示意图

开挖与构筑施工

当按照预期效果完成积极冻结阶段以及维护冻结阶段后，盾构隧道周围土体呈冻土状态，形成冻结帷幕，其强度较高，冻结帷幕承载能力强，因而开挖时（除喇叭口处侧墙和拱顶外）可以采用全断面一次开挖，开挖步距为0.2m～0.4m。两端喇叭口处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距控制为0.15m。

在该工程中，设计支护采用两道支护方式。初期支护（临时支护）采用钢支架加木背板和喷射混凝土。二次支护（永久支护）采用现浇钢筋混凝土。支护示意图如图7所示。临时支架的安装：临时支护采用木背板和型钢支架外加喷射混凝土进行支护。喇叭口支架间距为0.3、0.4m, 通道支架间距为0.5m, 集水井支架间距为0.5m。按照实际情况，可选用钢支架增加支架的稳定性，本工程中采用钢支架外挂钢筋网的辅助方法，并喷砼支护。喷射混凝土强度等级为C20，喷砼厚度应包住钢架，保护层厚度不小于20mm。

图7临时支护与永久支护结构图

结语

冻结法施工在城市地下铁路领域内，虽然它在理论方面还存在许多不完善的地方,在许多关键技术问题上尚待系统、深入地研究[6]。但冻结法仍以其特有的优势在市政工程,特别对于松散不稳定的冲积层和裂隙发育的含水岩层，淤泥、松软泥岩以及饱和含水和水头特别高的地层，冻结法施工具有不可替代性。