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Study on Freezing Construction Technology of Shield Connecting Passage in Water-rich Pebble Stratum

^Chen Wei

(Power China Railway Construction Co., Ltd., Beijing 100044, China)

Abstract: With the development of tunnel construction technology, freezing method has been widely used in the construction of tunnel connecting passage because of its strong adaptability to stratum, high strength of frozen curtain and no pollution. The contact passage and pump room between Tawan Station and Shijiawan Station of Luoyang Urban Rail Transit Line 1 project are located in a stratum with strong water permeability and rich groundwater environment, which poses a great risk of freezing and excavation in the construction process, and is prone to problems such as water and sand gushing, deflection of frozen holes, broken pipes and hole collapse. In this paper, the freezing reinforcement, refrigeration design, freezing hole construction, stratum excavation, freezing method construction quality, environmental protection control are analyzed and summarized for the construction technology of contact channel freezing method for water-rich sand and pebble stratum, so that its surface uplift is controlled within 3.2mm, which effectively ensures the safety of Luoyang Metro contact channel construction and provides a reference for similar projects.

Key words: Luoyang Metro; Shield tunnel; Communication channel Water-rich pebble formation; Freezing method

0 引言

随着城市轨道交通的飞速发展，盾构隧道在长度和规模迅速增长的过程中，因盾构隧道的修建引发周边地层、既有结构的安全问题也逐渐增多，其中联络通道的修建虽然工程量较小，但也是盾构隧道施工中的高风险部分之一，而冻结法由于其对地层适应能力强、对周边环境无污染、冻结强度高等优势成为了联络通道修建的主流施工技术。洛阳市城市轨道交通1号线工程塔湾站～史家湾站区间主要穿越卵石地层，该地层富含地下水且透水性强，在联络通道修建中极易出现地层大面积坍塌、涌水涌沙、冻结孔偏斜、断管及塌孔等施工风险。对此，国内学者开展了一系列工作。

文献^[1-2]主要对超长联络隧道冻结法施工技术进行分析，提出了控制钻孔质量、优化冻结帷幕尺寸及工期、采用二次支护及分区开挖的开挖构筑措施等关键技术。陶东军^[3]对软土地层中联络通道冻结法施工引发的地表沉降变形趋势进行了分析，将位移变形分为钻孔微变、冷冻隆起、开挖起伏、解冻下沉和注浆趋稳5个阶段。文献^[4-5]对影响冻结质量的各施工环节进行了分析研究，结果表明，冻结法施工质量、冻结管保温情况、现场施工设备及施工环境等因素对冻结质量的影响较大。文献^[6-8]通过实验以及数值模拟的方法建立了一套评价指标体系，并基于冻土内部的物理性质与冻结法施工流程，提出了严格设计输入数据可靠关、严把冻结系统各关键环节质量关、严守冻结和开挖全过程安全运行维护关三个方面的冻结法工程风险的预控方法与技术。文献^[9-11]对富水砂卵石地层的冻结法施工进行了冻结温度场的分析，通过数值模拟与现场监测发现二者结果吻合，得出了冻结壁厚度及壁内平均温度的变化趋势。

以上文献对联络通道冻结法施工技术做了很多研究，然而在富水砂卵石地层联络通道冻结法的施工案例少有涉及。洛阳市城市轨道交通1号线工程塔湾站～史家湾站区间主要位于富水卵石地层，施工风险较大，本文分别从冻结加固、制冷设计、冻结孔施工、地层开挖、冻结法施工质量、环保效果等方面对富水砂卵石地层下的联络通道冻结法施工技术进行了研究。

1 工程概况

洛阳地铁1号线塔湾站～史家湾站区间采用盾构法施工，区间全长1167.873m，左、右线盾构隧道相距15m，线路最大纵坡为5.864‰，盾构隧道顶部覆土介于9.5~13.5m，区间盾构隧道于585米处设置一座联络通道，位于现在中州东路路下，该联络通道采用矿山法施工，由与隧道管片相连的喇叭口、水平通道及泵房构成，拱顶覆土约15.3m，距塔湾站东端头井约470米，联络通道处隧道为直线平行。

该联络通道所处地层主要为②₉₂卵石、③₉₃卵石层。其中②₉₂卵石呈褐黄、浅黄色，含少量砾卵石及黏性土团块，湿～饱和，稍密。③₉₃卵石层呈杂色，含漂石微风化，卵石含量一般为60～70%，粒径以20～120mm为主，充填物主要为细砂、中砂、圆砾以及少量黏性土，最大粒径可达250mm。区间实测稳定水位埋深9.0~9.85m，地下水类型属潜水，地下水环境丰富，加之地层透水性强，施工时有较大的涌水涌沙的风险，这给联络通通道的施工控制带来了极大的挑战。

图1青年宫站～夹马营站区间联络通道兼泵房左线、右线地质剖面图

2 工程重难点

根据区段联络通道所处地质水文情况和冻结法工艺，施工过程还有以下重难点问题：

（1）卵石地层中冻结风险。由于卵石层透水性高、土体渗透系数大，地下水的流动和波动对冻结影响极大。

（2）卵石地层中开挖风险。区间卵石地层级配不良、缺少粘性土的粘接，化冻后容易大面积坍塌。

（3）涌水涌沙的风险。本工程处于卵石地层中，该地层富水性强，透水性好，钻孔施工时有较大的涌水涌沙的风险。

（4）冻结孔偏斜、断管及塌孔风险。本次地层主要为卵石层，钻孔过程中容易产生偏斜、断管及塌孔现象。

3 联络通道冻结法施工控制

联络通道冻结法施工过程中，周围土体温度的降低、地下水的冻结、土体的开挖均会使周边围岩产生变形，尤其当在富水高透水性卵石地层进行施工。由此，本文分别从冻结加固、制冷设计、冻结孔施工、地层开挖四个方面开展研究。

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3.1 冻结加固控制

3.1.1冻结帷幕

洛阳地铁1号线塔湾站～史家湾站联络通道冻土帷幕厚度1.9m，联络通道开挖区外围与管片交界处的冻结壁温度低于-5℃，其余部位冻结壁设计温度不高于-10℃。

参照其它地区冻土物理力学性质试验，基于安全考虑，在-10℃下，冻土的单轴抗压强度应不小于4.0MPa，抗剪强度不小于1.5MPa，弯折抗拉强度不小于1.8MPa。

具体要求如下：

（1）联络通道开挖区外围与管片交界处的冻结壁温度低于-5℃，其余部位冻结壁设计温度不高于-10℃。

（2）冻结期间，为保障冻结效果，联络通道兼泵房附近200m范围内应无降水施工。

（3）靠近冻结壁的管片内侧敷设保温层，保温层采用导热系数小于0.04W/Mk、40mm厚度的软质塑料泡沫板，敷设范围至设计冻结壁边界外1m。

（4）在-10℃下，冻土的单轴抗压强度应不小于4.0MPa，抗剪强度不小于1.5MPa，弯折抗拉强度不小于1.8MPa。

3.1.2冻结孔布置

本工程分别从左右线隧道打入联络通道冻结孔，总计69个冻结孔（左线隧道50个、右线隧道19个），冻结孔总长度约为581.16m，分别按照下俯、水平、上仰三种角度布置，冻结孔具体布置方案如图2、3所示。

图2 塔湾站~史家湾站区间联络通道兼泵房冻结孔剖面示意图

图3 塔湾站~史家湾站区间联络通道兼泵房冻结孔平面示意图

3.1.3测温孔布置

为探明冻结范围、确保冻结法施工的安全，在联络通道周边冻结薄弱部位布置测温孔对冻结帷幕范围内不同部位的温度发展进行测量，共计布置8个测温孔，其中左线隧道6个，右线隧道2个。每个测温孔均采用康铜线设置3~5个测点进行温度监测，第一个测点布置在土体内部5cm处，剩余测点均匀布置。

3.1.4泄压孔布置

泄压孔布置于冻结帷幕封闭区域内在相应土层的中下部，共计布置4个，左右线各2个。为直观的监测冻结帷幕内的压力变化情况，在每个泄压孔上安装压力表，通过每日压力表的观测，及时判断冻结帷幕的成型情况，并视实际情况释放冻胀压力。

3.2 制冷设计

3.2.1冻结参数

（1）联络通道冻结计划：经过积极冻结7天后盐水温度应降至-18℃以下，积极冻结15天后盐水温度应降至-24℃以下，联络通道开挖时盐水温度应降至-28℃以下。

（2）维护冻结期盐水温度为不高于-28℃，维护冻结时间为达到设计加固效果后至主体结构施工完成。

（3）冻结孔单孔流量不小于5m³/h。

3.2.2冻结系统设备配置

（1）在区间隧道内设置一个冻结站，选用JYSLG300Ⅱ型螺杆机组一台套， JYSFGL300Ⅲ冷冻机组一台，共2台套，其中1台套备用。

（2）冻结期间用电负荷约228kw/h，冷冻站选用10KV高压电缆。

（3）选用2台IS150-100-39A型泵用于盐水循环，流量300m³/h。

（4）选用2台IS125-100～250A型用于泵冷却水循环，流量200m³/h。

（5）冷却塔2台。

3.2.3冷冻材料使用

（1）制冷剂选用氟立昂R22。

（2）冷媒剂选用氯化钙（CaCl₂）溶液。

（3）冻机油选用N46冷冻机油。

3.3 冻结孔施工

3.3.1冻结孔施工顺序

冻结孔施工顺序为：先施工透孔并测量透孔角度及深度偏差，根据透孔的偏差进一步调整相关钻孔参数。隧道根据联络通施工的孔位，采用由下向上的顺序进行施工，以防止因下层冻结孔的施工引起上部地层扰动。

3.3.2冻结孔的定位

依据施工基准点，按冻结孔施工图进行冻结孔孔位放线，但冻结孔孔位布置要避开主筋、管缝、螺栓的位置。

隧道成型后，对联络通道兼泵房所在隧道实际位置进行测量校核，通过校核后的数据进行钻孔轴线放样：联络通道兼泵房的方位轴线如图所示，要先确定出隧道的A点和B点，测量A和B点的坐标后，以AB的连线做为方位线，做延长线至两侧隧道后管片上，再分别定位出C和D点，作为施工时定位线。

根据A、B、C、D四个点进行冻结孔点位放样：首先方别以A、B两个点为中心点，用水平管找出水平线，根据设计图纸找出每个孔的弦长，及水平距中心点距离布点，作为冻结孔前视点，然后在以C、D两个点为中心点用水平管找出水平线，根据每个孔的水平距中心点距离布点，作为后视点，根据前视点与后视点两个点定冻结孔的方位，如图4所示。

图4  联络通道兼泵房方位轴线放样示意图

3.3.3冻结孔开孔及孔口密封装置

开孔选用J-254型金刚石钻机，配φ133mm金刚石取芯钻头进行钻孔。冻结孔开孔为二次开孔，一次开冻结孔开孔深度约250mm，控制不得钻穿管片。用钢楔楔断岩心，取出后，打入加工好的孔口管，并用至少有4个固定点固定在管片上，然后安装孔口密封装置，密封装置内安装优质纯棉纱牛油盘根进行密封装置与冻结管缝隙处密封，如图5所示。

图5  冻结孔钻孔示意图

3.3.4钻机定位

钻机钻孔前进行找正，俯仰角度主要利用量角器紧贴钻机底盘，在量角器中心安装指针进行钻机找正，方位角度依据联络通道兼泵房左右线放样基准点，钻机与基准点连线平行找正。

3.3.5冻结孔质量技术要求

（1）冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间的距离应控制在150mm以内，否则应补孔。

（2）冻结孔深度应不小于设计深度。如若钻头有碰到隧道管片，其不参与制冷循环的冻结孔长度不大于150mm。

（3）冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏。冻结管在高于0.8MPa的压力环境下前15分钟内压力损失小于0.05MPa且后30分钟压力稳定无变化视为试压合格。如若冻结管试压不合格，则可以重新钻孔或套管。

3.4 联络通道土体开挖与支护结构施工

3.4.1土体开挖

联络通道打开隧道管片开挖时应由探孔确认开挖区域无地下水流出，也即按照“先探后挖”的原则进行，其中探孔应当布置在开挖区域土体四周以确保土体稳定，土体开挖则采用矿山法暗挖施工。联络通道兼泵房开挖采取分区分层方式进行。 

3.4.2初期支护

为维护地层稳定、确保施工安全，联络通道支护结构由初期支护和二衬支护组成，其中初期支护采用格栅钢架支撑加网喷射混凝土。经由冻结加固后联络通道周边土体已经形成了加固好的冻土帷幕上，但土体的开挖仍会引起冻土帷幕的蠕变，初期支护主要作用是为初步协助周边地层的变形，尽可能控制这种变形的发展。

3.4.3防水层施工

防水层铺设于初期支护与二次衬砌之间，而初期支护中喷射混凝土表面粗糙、钢筋铁丝等外露均对防水层的铺设以及防水效果有很大影响，因此铺设防水层之前必须整平初期支护表面，并确保初期支护无松动、无渗漏水现象。

防水层采用ECB防水板铺设，铺设完成后在联络通道底部施作3cm厚的C15细石混凝土作为保护层。

3.4.4二衬支护

二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构，其中混凝土强度等级为C35，抗渗等级为P10。为减少砼施工接缝，联络通道兼泵房通道开挖及初期支护完成后，一次连续进行浇筑。由于这种结构的特殊性，通道顶板内的砼浇筑较为困难，为提高砼施工质量，采取分段浇筑的施工方式，必要时可采用气动输送泵对浇筑空隙进行浇筑。联络通道兼泵房通道结构施工完成以后，开挖泵房，泵房初期支护完成后，再一次完成泵房的钢筋砼浇筑施工。混凝土浇灌时加强振捣，采用内外振捣方式，改善混凝土强度，提高砼密实度。  

4 联络通道冻结法施工效果

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为确保冻结暗挖隧道施工安全优质地完成，塔湾站～史家湾站区间对联络通道所对应的地表位置进行必要的沉降监测，使监测的资料得以及时反馈，指导施工，其地表沉降如图6所示。

图6联络通道对应地表沉降曲线

地表沉降监测表明，实际施工中联络通道对应的地表的隆起量控制在3.2mm以内，满足施工控制标准。另外，联络通道冻结法施工效率高、安装方便、制冷过程对大气和地层坏境无污染，施工过程中无需排水、对地下水坏境无污染，有效的保护了地下水资源，对类似联络通道冻结施工有一定的指导和借鉴意义。

5 结语

冻结法作为地下工程施工当中的一项特殊工法，对解决地下工程施工中遇到的“地下水含量高、地层透水性强、地层变形预测困难”这三方面问题有着安全可靠、绿色环保的突出优势。冻结法的施工核心是将地层中的水分冻结成冰，但由于冻土组成及其性质的复杂性，使得冻结法施工存在一定的风险性，特别是在富水卵石地层这种复杂的地质条件下。基于此，针对本文中洛阳地铁区间面临着容易出现涌水涌沙等风险的富水卵石层问题，通过严格控制冻结帷幕质量、开挖前遵循“先探后挖”的原则、按照设计要求进行开挖与支护、做好防水层的施工与保护、根据监测数据的变化跟踪注浆并调整频率等一系列措施成功完成联络通道的施工并将地表隆起量控制在3.2mm以内，有效保证了联络通道施工安全，为类似工程提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]朱泽萱,刘红伟,吴永哲,杨平,张婷.60 m级超长联络通道冻结法设计施工技术——以福州地铁2号线紫阳站—五里亭站区间联络通道工程为例[J].隧道建设(中英文),2022,42(06):1053-1060.

[2]王书磊,丁国胜,吴强.复杂工况下超长联络通道冻结法设计与施工[J].地下空间与工程学报,2021,17(06):1894-1905.

[3]陶东军,桂林,李建望.地铁隧道联络通道冻结施工引起地表变形实测分析[J].城市轨道交通研究,2022,25(05):69-73.

[4]董新平,于少辉,张毅豪,王余飞.地铁联络通道冻结法施工中涌水成因及防治[J].地下空间与工程学报,2022,18(01):322-329+340.

[5]屈天葵,张效次,廖正根,裴国强.联络通道冻结质量影响因素分析[J].现代隧道技术,2021,58(S2):178-184.

[6]伍世龙,杨登献,谭远志,郑军,郭书刚,邢乐.联络通道冻结工程中冻土力学性能研究及安全性评价[J].城市轨道交通研究,2022,25(01):92-96.

[7]翟强,顾伟红,荆肇秦.地铁联络通道冻结法施工安全风险评价[J].现代隧道技术,2021,58(04):57-66.

[8]鲁先龙,陈湘生,陈曦.人工地层冻结法风险预控[J].岩土工程学报,2021,43(12):2308-2314.

[9]韩琳亮,杨平,赵宇辉.富水砂卵石地层全方位高压喷射工法+盆形垂直冻结温度场分析[J].森林工程,2022,38(03):163-174

[10]文彦鑫,伍旺,郭治岳,宋修元,尹红,蒋辉,晏启祥.富水砂卵石地层地铁联络横通道人工冻结数值分析[J/OL].土木与环境工程学报(中英文):1-13[2022-07-15].https://kns-cnki-net-s.era.lib.swjtu.edu.cn:443/kcms/detail/50.1218.TU.20210406.0850.006.html

[11]曹军军,伍旺,郑鹏飞,张生权,赵旭伟,黄杰,晏启祥.富水砂卵石地层联络通道人工冻结温度场分析[J].铁道建筑,2019,59(12):55-59.