冷冻法在地铁盾构隧道超限管片中的应用
摘 要:以某地铁隧道工程为例，详细介绍了隧道超限管片的改造方法，阐述了冷冻法在其中的应用，从设计方案确定、施工工艺及施工重难点方面进行了说明，通过技术措施的实施，改造工程顺利完成，冷冻效果明显，达到了预期目标。
关键词:地铁盾构隧道，超限管片，改造，冷冻法
1 隧道概况及工程条件
由于地质勘探资料与施工现场的实际地质条件不符等原因，某地铁盾构隧道在掘进的过程中，出现盾构机向上偏移，期间通过采取纠偏措施，盾构机抬头姿态恢复正常。但部分管片已经超限，最大超限为 839 mm，且在纠偏过程中，部分管片破损严重，其中管片超限的共有 25 环( 管片宽 1．5 m) ，损坏的管片有 5 环。上述管片已无法满足隧道运营的要求，为保证隧道和行车安全，必须对超限管片进行处理。
工程地质条件: 该路段地质条件较差，从上到下依次为: 人工填土层、淤泥质土、淤泥质粉细砂、粉细砂层、中粗砂层、砾砂层、粉质粘土、淤泥质土、强风化层、中风化岩层，其中砂层平均厚度在10 m 左右。工程场地地下水丰富，稳定地下水位埋深约 0．8 m ～1．2 m，地下水类型主要有赋存于第四系土层中的孔隙水和赋存于基岩风化层中的裂隙水。
2 设计方案的确定
1) 由于该工程工期十分紧张，本着施工安全、工期尽可能短的原则，同时考虑到地面具备开挖条件，本设计方案选择明挖方式进行处理。即利用明挖基坑将超限及破损严重的管片拆除，然后施作箱式结构取代盾构管片。
2) 明挖段宽度考虑隧道管片尺寸及处理的空间定为内净空7．6 m; 同时因为要将超限管片和因裂缝等损坏的管片一并处理，总长度定为47．1 m，基坑开挖深度22 m，采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用 800 mm 厚地下连续墙。
3) 基坑两端头是基坑的薄弱环节，原因在于，为防止连续墙成槽过程中冲锤对既有隧道管片造成损害，槽底必须与盾构管片保持一定距离，同时由于隧道轮廓是圆形的，导致连续墙无法与隧道管片密贴，若处理不当，砂土极易通过该缝隙涌出，进而对已建成的隧道造成威胁，故该处为设计的重点。经充分研究，采取的措施为: 先对两端采用直径 550 mm、间距400 mm 的搅拌桩进行加固，加固长度为 9 m，外包 800 厚素混凝土连续墙，隧道范围外的连续墙深度进入管片下部 1 m 且进入不透水层不少于 1 m。中间连接处采用直径 600 mm 的双管旋喷桩，咬合 150 mm; 隧道上部的旋喷桩尽量贴近管片，其余的旋喷桩应进入隧道下方同时进入不透水层至少 1 m。
4) 在明挖基坑两端隧道上方和隧道周围及底部布置冻结孔，使用冷冻法将使冻结孔附近的含水地层冻结，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，然后在冻结体的保护下进行土方开挖施工，拆除变形及超限的管片。
设计方案见图 1。
3 冷冻法施工
3． 1 冻结孔布置
1) 西端布置垂直冻结孔两排，计 25 个，总长度 457．774 m; 东端布置垂直冻结孔两排，计 25 个，总长度 470．310 m;
2) 西端管片下部布置斜浅冻结孔 11 个，总长 23． 313 m; 东端管片下部布置斜浅冻结孔 22 个，总长度 44． 226 m; 冻结孔布置见图 2。
3． 2 冻结长度
施工过程中，冻结长度根据现场打钻实际情况及断面位置做适当调整。
开孔孔位偏差不应大于 ±100 mm。钻孔的偏斜应控制在10‰业内。
测温孔布置位置视最终打钻偏斜情况和现场打钻施工条件确定，这样可确保测温孔更加有效地反映冻土情况。测温管选用Ф45 ×3． 5 mm 的低碳钢钢管。
3． 3 冻结制冷施工
3． 3． 1 制冷主要施工参数
1) 冻结盐水温度: 积极期: － 25 ℃ ～ － 30 ℃; 维护期: － 22 ℃ ～－ 25 ℃ 。
2) 冻结孔单孔盐水流量: 4 m3/h ～ 6 m3/h。
3) 根据公式 Q = 1． 3 × π × d × h × q，计算得出两个工作面需冷量 Q = 12． 15 × 104kcal /h。其中，h 为冻结总长度; d 为冻结管直径; q 为冻结管散热系数。
3． 3． 2 盐水制冷系统施工
1) 制冷设备选择。根据现场实际情况和供电需要，设计为一个冻结站，采用标准制冷量为 25 ×104kcal /h 冷冻机组 2 台套( 功率为单台 110 kW) ，机组为新购氟利昂螺杆式冷冻机，当盐水温度在 －30 ℃，冷却水温度32 ℃时，其单台套工况制冷量可达 8．75 ×104kcal /h。2) 盐水系统。a．盐水循环量: Wbr = 220 m3/h。b． 冻结管选择: 垂直冻结管采用Ф127 ×4． 5 mm，隧道下部浅斜孔采用Ф89 ×8 mm 的无缝钢管。c． 供液管选择: 地面垂直孔采用Ф60 ×3．5 mm 塑料管，隧道内冻结孔采用Ф45 × 3．5 mm 钢管。
3． 3． 3 冷却水循环系统
冷却水是将盐水中释放的热量带走，并释放到环境中，从而达到制冷的持续进行，本站设计冷却水进水温度为 32 ℃，回水温度为37 ℃，回水通过冷却塔实现降温，以达到循环利用的目的。冷却塔选择 LBN-50 型玻璃钢冷却塔4 台，单台循环水量 50 m3/h，同时根据需要，补充新鲜水，以加快散热。
4 施工重难点
4． 1 透孔施工难度大
根据施工方案，需要对隧道周围进行冷冻，由于冷冻站位于地面，故需从地面引孔，穿透盾构管片，将冷冻管引入隧道内，透孔示意图见图 3。该工序风险很大，处理不慎极易造成砂和水通过透孔大量涌进隧道，施工时须重点掌控。采取措施如下：
1) 牙轮钻头垂直打到管片顶部，下倾斜管测斜，以确定钻孔的准确位置。
2) 更换Ф133 取芯管带Ф133 金刚石钻头钻进。
3) 打钻过程: a． 及时分析钻头接触隧道管片情况; b． 准确丈量钻具长度，准确钻孔深度，随时掌握钻孔进度严禁钻入过快。
4) 钻通后，继续强行钻进将锥体压入透孔。
5) 为了防止盾构管片被钻穿后发生漏水涌砂的现象，事先使用钢管撑、钢板 + 橡胶板压住被钻穿部位，并在隧道内事先搭好工作平台，同时准备速凝水泥，导流小管、环氧树脂等抢险材料，及时将管片与锥体间的缝隙封闭。
4． 2 隧道内的冷冻施工
由于广州地区气温、水温较高，兼之盾构管片较薄，冷冻部分的管片降温较难，不容易形成冻结体。
采取措施: 1) 增加鼓风机，加大冷却塔附近的空气流通; 2) 必要时将回流的冷却水直接排放，补充温度较低的新鲜水; 3) 在管片表面设置较厚的保温材料，减少热量散失。
4． 3 明挖基坑两端连续墙与盾构管片交接部位的处理
随着基坑的开挖，两端连续墙逐渐暴露在空气中，导致热量散失加快，进而影响到冷冻壁的强度，而连续墙与盾构管片间存在较大的缝隙，完全靠冻结体止水，一旦冻结壁强度下降，极易引起漏水涌砂事故。
采取措施: 1) 加强对冷冻土体的温度检测; 2) 根据基坑开挖的进度，及时敷设保温板，减少热量散失; 3) 待土方开挖至连续墙与盾构管片接缝部位时，及时挂网，将连续墙钢筋与管片连接，同时喷射混凝土，将接缝封闭，施工完成后及时敷设保温板。
5 结语
通过采取一系列技术和施工措施，该段区间改造工程顺利完成，根据现场开挖的情况，冷冻效果非常明显，明挖基坑两端滴水不漏，达到了预期目标。
目前国内正处于大规模的地铁施工高潮，预计在不久的将来，部分地铁隧道会出现不同程度的病害，由于目前国内盾构隧道普遍建筑限界预留空间不足，给隧道内病害整治带来了很大的局限。该工点通过将冷冻法应用到隧道管片改造的作法，给今后地铁盾构隧道病害整治提供了一个新的思路，值得在今后工作中总结推广。
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