摘  要 文章针对广州地铁某区间盾构隧道联络通道利用冻结法施工的成功经验， 详细介绍了联络通道冻结法施工设计及信息化监测等施工技术。 冻结法的成功实施，为广州地铁工程水平冻结的设计、施工和检验提供了决策参考依据。 本工程的成功经验可供其他相似工程参考、借鉴。

关键词 地铁隧道 联络通道 冻结法 施工技术

 

      设置于地铁区间隧道中间的联络通道， 起到连接两条隧道、集、排水、防火及疏散等作用，有时根据工程设计需要同时设置集水井。 联络通道施工不仅要考虑自身结构及地面环境安全，同时要考虑盾构隧道的安全与稳定。所以，城市地铁联络通道开挖前必须对其周围土体进行加固。 常见的土体加固方法有：地面旋喷桩加固、搅拌桩加固或隧道内水平旋喷桩加固等。 在地层复杂、地下水丰富的情况下，这些方法很难达到预期加固效果时， 冻结法不失为一种行之有效的土体加固方法。 该方法在北京、上海、南京等城市越江隧道及地铁隧道联络通道施工中得到成功应用^[1～3]，在广州地铁暗挖隧道施工中也曾利用^[4]。 本次在广州地铁二、八号线工程某隧道联络通道中得到成功应用，在此对该技术进一步总结，与同仁分享。

 

      广州地铁某区间隧道联络通道埋深约15.7 m，结构高4.25 m，宽 3.8 m，长 6.54 m(图 1)。 联络通道上方地层岩性为粉细砂层、淤泥及杂填土等，下方地层岩性为：淤泥质土、硬塑粘土、全风化红岩等。盾构隧道洞身上方地层岩性为粉细砂层, 下方地层为淤泥质土、粉细砂层。联络通道地层及盾构隧道上覆地层均为透水层，距江边较近，地下水与三枝香水道有直接水力联系，地质条件异常复杂。

      本工程初始方案为联络通道范围采用地面双管旋喷桩加固，考虑到被加固地层为砂层、地下水流动性较强，一旦出现漏水涌砂，则有可能淹没隧道。 为确保盾构隧道安全，设计采取先联络通道开挖，后切割隧道管片的方法，即地层加固后，先在地面两隧道之间施作竖井(φ2.5 m 钢护筒)至联络通道位置，然后再使用矿山法开挖联络通道， 在联络通道初期支护完成后切割管片、连通隧道并施作二次衬砌。

      在该方案实际实施过程中， 先后三次出现涌沙险情，每次出现险情后均采用注浆加固，但最终均告失败，无法继续开挖。 初始方案的失败表明，由于工程所处地层水系复杂，且地下水流动较快，旋喷桩及注浆加固不能形成全封闭的封水系统。

      鉴于工程工期、 施工安全以及降低工程风险，决定采用冻结法对原有加固范围进行冻结，完成联络通道施工，即采用在地铁隧道内水平冻结加固联络通道周边土体，形成强度高、封闭性好的冻结帷幕，在冻土中采用矿山法开挖构筑联络通道的施工方案。

      根据冻结帷幕设计及联络通道的结构， 冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度从两侧隧道打孔布置，共布置冻结孔64 个，其中设置 4 个穿透孔。 冻结孔施工前，根据管片配筋情况，适当调整冻结孔位置，以避开管片接缝、螺栓和主筋。本工程最终冻结孔剖面布置分别如图2、图 3 所示。

      根据本工程实际情况，制冷设备选择2 台套W-YSLGF300Ⅱ型螺杆压缩机组(一台备用)。 单台机组设计工况：制冷量8.75×10⁴kcal/h，电机功率 110kW。 冷媒剂选用 CaCl₂盐水溶液，制冷剂选用氟利昂F-22。

      冻结系统辅助设备： 通道盐水循环泵选用IS150-125-315 型 （1 台 ），给冻结管提供盐水 ，流量200 m³/h，电机功率为 30 kW。 通道冷却水循环选用IS150-125-315 型（1 台），流量为 200 m³/h，电机功率30 kW。 为节约用水，冷却塔选用 KST-80 型（2 台）。供液管选用φ45×3.5 mm 钢管， 采用焊接连接；盐水干管和集配液圈选用φ159×6 mm 无缝钢管。

      地层冻结参数和技术指标： 积极冻结盐水温度为-28℃～-30℃，维护冻结盐水温度为-25℃～-28℃，设计积极冻结时间为40 d，根据实际监测情况进行适当调整。冻结孔单孔流量大于 5 m³/h。 冻结壁有效厚度为1.8 m，冻结壁平均温度为小于-10℃。

      冻结过程中的冻胀控制主要采取冻结释压的方法。为减小冻结施工对盾构隧道和周围环境的影响，在上、下行线共布置 4 个卸压孔(图 2、图 3)。

      联络通道主体结构施工完毕后，冻结停止，冻土融化。为避免后期融沉过大，对盾构隧道及周边环境产生影响，需进行充填注浆和融沉注浆^[5]。充填注浆可以及时充填通道拱顶混凝土不易浇注密实的部位；融沉注浆应在充填注浆完成后，根据监测反馈信息，组织注浆及控制注浆量。具体方式采用在冻结帷幕两侧同时注浆，对整个冻结区域全部进行压密注浆。注浆以少量多次为原则，反复注浆，直至达到控制要求。

      冻结过程中盾构隧道受冻胀压力的作用， 会发生隧道断面变形， 从而影响隧道的椭圆度。 为减少冻胀变形，冻结前，在隧道内安装预应力支架，即在上下行线隧道的联络通道洞口两侧安装两榀预应力钢支架(图 4)。 施工中根据隧道变形监测情况和千斤顶轴力计监测情况，调整各个支点的预应力大小，达到控制隧道变形的目的。

      广州地铁某区间隧道联络通道工程自2009 年9 月 21 日开机冻结 ，50 d 后根据监测数据分析 ：冻结壁最小有效厚度大于1.8 m， 土体冻结平均温度低于-10℃，冻结厚度和平均温度满足要求 ，具备开挖条件。 11月12 日，土体开挖施工正式开始，工序情况见表1。

 

      在整个冻结施工过程中， 冻结加固土层的物理性质发生了很大变化， 过量的冻胀融沉均会对周围环境产生危害。因此在整个施工过程中，需对温度场和位移场作全面监测， 为适时掌握和控制施工参数提供依据。

      为了解不同时期冻结帷幕温度场的发展情况，掌握冻结锋面的扩展速度、 冻结帷幕形成状况以及开挖施工时间，对冻结帷幕温度场进行了同步监测。在上、下行线冻结壁内外侧共布置了 7 个测温孔(图2、图 3)，每个测温孔内布置 4~8 个测点 ，测点深度变化为0.75~2.2 m。 监测孔内各测点均采用数字式温度传感器， 通过一总线经远程温度测量模块与计算机自动数据采集系统相连， 实时反映施工过程中冻土帷幕温度变化。 监测结果如图 5、图 6 所示。

      由于广州气温较高，在竖井开挖的通风过程中，冻结界面空气对流强烈，冻土容易发生融化，减弱冻土强度。所以，在钢护筒表面设置保温板及增加冷冻盘管，确保冷冻效果。为有效监控钢护筒内壁温度变化情况，在钢护筒内壁布设测温点(图 7)。 从温度监测情况(图 8)可以看出，冻土温度保持较好 ，确保了冻土的强度，表明冷冻盘管加保温板的方案是可行的。

      为监测冻胀对盾构管片的影响，在上、下行线各布置1 个冻胀压力测孔(图 2、图 3)。 压力传感器采用YL-50 型振弦式土压力盒，压力盒固定在测压管上，把测压管打入土体，深度为盾构管片后侧处。 冻胀压力监测结果如图9 所示。 监测数据所示，10 月31 日前后(冻结 40 d)，右线压力发生突变 ，迅速增加，冻结42 d 压力达到最大值。 11 月 5 日前后(冻结45 d)，左线压力发生突变，迅速增加，冻结 54 d 压力达到最大值。分析主要原因：突变期内大量的未冻水发生相变，引起冻土体积急剧增长，但土体变形受到限制，从而引起应力剧增。 监测结果表明，冻结 40 d前后冻结土体开始交圈， 数据反映出右线先于左线完成冻结交圈，交圈完成后冻胀压力开始降低。

      为考察冻结过程对隧道的影响情况，对隧道变形进行监测。在联络通道两侧 25 m 范围内布置测点。在隧道顶部与底部布置沉降测点，在圆形横向半圆直径两端布置收敛测点。 在隧道联络通道开口侧布置位移点，测点布置时使各点尽量在隧道同一断面上。 测点布置见图10，监测结果如图 11、图 12 所示。

      从图中看出，隧道变形在冻结初期发展缓慢，在交圈期开始发展迅速， 在完全交圈前后变形达到最大值，随后开始回落，监测情况基本与压力变化情况相对应。从变形趋势可以看出，冻结冻胀变形使盾构隧道趋于竖向椭圆型。

 

      广州地铁某区间隧道联络通道所处地层水文地质条件异常复杂，在采用旋喷桩加固和数次辅助注浆加固均告失败的情况下， 冻结法的成功实施说明了该工法在地铁联络通道施工中有着极大的优越性。 通过冻结施工全过程的信息化监测， 分析土体冻结的规律，指导冻结施工，保证了冻结工程的安全顺利施工， 为广州地铁水平冻结法施工的应用和推广积累了宝贵经验。在今后相近地层进行联络通道施工时，可优先考虑使用该工法，以减少因工法改变造成的损失。

 

[1] 广州市地下铁道总公司, 中铁第一勘察设计院集团有限公司, 西南交通大学, 中铁二十二局集团有限公司. 广州地铁东山口站盾构隧道扩挖研究报告[R].

Guangzhou Metro Corporation (GMC), China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd, Southwest Jiaotong University,China Railway 22nd Construction Bureau Co., Ltd. Research Report of Enlargement of Shield Tunnel Section in Dongshankou Station of Guangzhou Metro [R].

[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 广州地铁六号线东山口站施工图设计[R].

China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. Construction Drawing Design Documents of Dongshankou Station on of Guangzhou Metro Line 6 [R].

[3] 中铁隧道集团有限公司. 广州地铁六号线东—黄区间盾构过东山口站施工初步方案[R].

China Railway Tunnel Group Ltd. Preliminary Construction Scheme of Shield Crossing Dongshankou Station in Donghu -Huanghuagang Section on No. 6 Line of Guangzhou Metro [R].

[4] 中铁二十二局集团有限公司. 广州地铁六号线东山口站施工组织设计[R].

China Railway 22nd Construction Bureau Co., Ltd. Construction Organization Plan of Dongshankou Station on No. 6 Line of Guangzhou Metro [R].

[5] 丁德云，等. 大直径盾构隧道扩挖地铁车站的力学性能研究[J]. 岩土力学，2010，（增刊 2）：281-287

Ding Deyun, et al. Study of Mechanical Performance of Metro Station Constructed by Enlarging Large Diameter Shield Tunnel [J].Rock and Soil Mechanics, 2010, (Supp2): 281-287