软土条件下联络通道冻结施工

胡俊杰，胡敏清，田中胜，丰晓文

（北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

1 工程概况

滨海新区B1 线某盾构区间右线里程为YDK13+429.577～YDK14+853.774，长1 424.197 m；左线里程为ZDK13+429.577～ZDK14+853.774，短链20.255 m，长度为1 403.942 m。隧道纵坡为“V”形坡，最大纵坡为25.07‰，区间为地下双线单圆隧道，盾构直径6.8 m，隧道内径、外径分别为5.9 m、6.6 m，管片厚度350 mm，区间设置两处联络通道，区间里程右线YDK14+017.500 处设置1#联络通道兼泵房，联络通道长7.6 m，内宽2.5 m、高2.75 m，泵房长3.5 m、宽2.3 m、高3.0 m，轨面标高-22.368 m；2#联络通道，轨面标高-20.118 m，联络通道内宽2.5 m，高2.75 m，长7.27 m，用冻结法加固地层，开挖采用矿山暗挖法。

联络通道呈直墙圆拱结构形式，联合应用钢筋格栅、喷射C25 混凝土（250 mm 厚）的方法起支护作用，二次衬砌材料采用C45P10 钢筋混凝土，厚度以300 mm 为主，泵房处增厚至400 mm。泵房临时支护和二次衬砌结构层之间铺设50 mm厚防水保护层。于临时支护和二次衬砌之间设防水层，采用自粘胶膜防水卷材，厚1.5 mm，以此全面提升结构的防水性能。

2 地质条件

区间1#联络通道兼泵房位于⑧1 层粉质黏土、⑧2 层砂质粉土、⑨1 层粉质黏土、⑨1t 层黏质粉土层中，顶部为⑧1 层粉质黏土、⑧2 层砂质粉土，泵房底板下为⑨1 层粉质黏土；2#联络通道位于⑦层粉质黏土、⑧1 层粉质黏土、⑧2 层砂质粉土，顶部为⑦层粉质黏土，底部为⑧2 层砂质粉土。

本区间场地区域不良地质作用主要为地面沉降，引起地面沉降的原因主要为区域地下水超量开采、欠固结土固结和大量的工程建设。地面沉降对地铁的危害主要为：过大的不均匀沉降会导致地铁结构变形和渗漏；区域地面沉降将导致地面标高损失。为此，需充分考虑地面沉降问题，基于所得信息预测其可能会对地铁造成的不良影响。

现场地下水分布方面，以承压含水层为主，其中第一层：

本次拟建的盾构区间的抗浮设计水位可按大沽标高2.50 m 考虑。承压水对混凝土有微腐蚀作用。总体来看，区间承压水对混凝土结构存在一定影响，程度以弱腐蚀为主。

3 场地和地基的地震效应

本场地地形比较平坦，有厚层的软弱土分布，且分布有轻微液化粉土、粉砂层，根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）有关条款综合判定，盾构区间所在区域属于建筑抗震不利地段。

位于淤泥质土中的盾构结构均应考虑震陷的影响，建议对淤泥质黏土进行加固处理，避免震陷的影响；盾构结构位于淤泥质土之下，但是由于是线性工程，在淤泥质土中的盾构结构震陷的影响也会对未在淤泥质土的盾构结构产生不均匀沉降的影响。

4 冷冻设计

1）由专业单位开展冻结设计工作，根据各部位的情况合理设置冻结壁厚度，以联络通道、喇叭口两处为例，该值均为2 m，平均温度为-10 ℃。

2）冻土强度指标：弯折抗拉强度不小于2.0 MPa，单轴抗压强度不小于3.6 MPa，抗剪强度不小于1.5 MPa（-10 ℃条件下）。

3）经校核，1#联络通道左右线里程分别为YDK14+017.500、ZDK14+001.949，左右线轨面标高分别为-22.368 m、-22.356 m。2#联络通道左右线里程分别为YDK14+480.000、ZDK14+460.179，左右线轨面标高分别为-20.118 m、-20.133 m。冻结管长度及方位满足冻结设计要求。因该地层含盐量较高，冻土强度指标已做相应调整，确保风险可控。根据施工地质情况，联络通道主要处于黏土层及粉土层中，地层冻胀量差异较小，对冻结管的影响较小，原冻结设计满足相应要求。

4.1 冻结孔布置

1）区间1#联络通道兼泵房设计冻结孔70 个（其中，主线48 个，对侧22 个，包括对穿孔4 个）冻结孔长度为536.86 m。

2）区间2#联络通道设计冻结孔57 个（其中，主线40 个，对侧17 个，包括对穿孔4 个）冻结孔长度为358.86 m。

3）各联络通道主、副冻结孔布置根据盾构区间实际施工情况，可将主、副冻结孔互换施工。

4）以管片配筋情况为主要参考，做适当的调整，但此时不可与主筋、管片螺栓孔、管片缝产生干扰。为考虑在施工下部泵站冻结孔时两侧隧道打到中间交接时相互碰上，钻进时根据两侧隧道冻结孔的方位角0.1°～0.2°进行调整，以避开对侧冻结孔。并根据管片配筋情况和管片加强筋位置，在避开主筋的前提下可适当调整钻孔位置[1]。

4.2 冻结需冷量

以DG/TJ 08-902—2006《旁通道冻结法技术规程》为依据，按如下方法展开计算，确定冻结需冷量：

式中，Q为冻结需冷量，kJ/h；d为冻结管直径，mm；H为冻结管总长度，mm；K为冻结管散热系数。

4.3 冻结制冷设备选型

根据联络通道需冷量情况，选用TBSD620.1J 型螺杆盐水冷冻机组3 台（单台冷冻机工况制冷量为41.86×104kJ/h），其中1 台备用，能满足设计需要。

各功能管的具体材料为：冻结管、测温孔管，均选用φ89 mm×8 mm、20#低碳无缝钢管；盐水干管和集配液圈采用φ159 mm×4 mm 无缝钢管；冷却水管采用φ127 mm×4 mm 供水钢管；供液管采用φ45 mm×5 mm 塑料管。

5 联络通道融沉注浆的施工工艺

1）注浆管埋设。融沉注浆管一般采用φ60 mm 无缝钢管，长度以穿透初衬达到冻土帷幕为原则。

2）注浆材料。以水灰比为1∶1 的单液水泥浆为宜，遇地面大幅度沉降的情况时，可先用双液浆加以控制，此时按照水泥浆∶水玻璃=1∶1 的关系予以配制。为此，在现场准备足量的水玻璃，以备不时之需。

3）注浆流程。按照先底板、后侧墙的顺序依次注浆，对于底板，首先从通道中部开始注浆，再向两端有序推进，完成整个冻结区域的注浆作业。

4）注浆参数。注浆压力不大于0.5 MPa，注浆流量10～20 L/min。

5）注浆时间。联络通道在一天内的沉降超0.5 mm，或产生的累计沉降超1.0 mm 时，均有必要安排融沉注浆。

6）注浆原则及方法。遵循“少量、多次、均匀”的基本原则。依照工程经验，单孔一次注浆量为0.5 m3，最大不超过1 m3，实际注浆过程中严格控制好注浆压力，每孔注浆以注浆压力达到0.5 MPa 为结束标准，同时结合地面沉降实时调整。正式注浆前，先开启注浆管及相邻的注浆管阀门，注浆期间加强检查，判断相邻孔的状态，待其连续出浆时，随即将邻孔阀门关闭。定量压入后即可停止本孔注浆，关闭阀门，然后接着对邻孔注浆[2]。注浆管内窜浆时，若未及时处理，该部分将发生固结，从而出现堵管现象。可用长冲击钻头予以处理，有效通管。采用钻孔前进式注浆工艺，即从支护层外侧冻土或管片外侧冻土开始打孔注浆，本次注浆孔深比上次孔深深5～10 cm，以此类推，直至融沉注浆施工结束。

7）注浆期间的监测。化冻过程中，加强监测，准确掌握地面变形、冻土温度、冻结壁厚和水土压力几项关键参数，根据实测结果采取有效的控制措施。对于注浆压力的监测，较为适宜的方法是在相邻孔安装压力表，根据该仪器显示的数据加以判断。

6 地表变形监测

着重考虑联络通道及泵站影响范围内的地表，加强对此类区域的沉降监测，根据实测数据判断变形情况。以联络通道中部地面为例，该区域的监测结果如图1 所示。可以发现，融沉注浆初始沉降相对较大，而在注浆量逐步增加的情况下，得益于注浆的加固作用，融化沉降得到了有效控制，地表上抬。解冻期间，浆体周边的未解冻土融化，形成新孔隙，地表有下沉的迹象，但在后续的补浆过程中，地表随之上抬。以多次补浆的方法完成现场融沉注浆作业，可以发现在整个过程中地表变形曲线呈波浪状。注浆量共计82 t，地表最大抬升在1 mm以内，变形沉降在3 mm 以内，均在可控范围。

图1 融沉注浆期间通道中部地表变形曲线

7 风险分析及应对措施

基于整个场所具备的稳定性展开进一步分析发现，冻结孔钻孔的精度不易控制，在钻孔与切割冻结管时，易发生涌水及涌砂灾害。

应对措施：

1）钻孔施工保证措施。加强水平冻结孔钻孔精度的控制，每次钻孔施工前应对孔位进行复核检查，确保孔位与设计方案一致，每进尺3 m 复核钻孔垂直度，出现偏差及时进行纠偏；加强对冻结孔施工精度和冻结管焊接质量的控制，采用长度为150 mm 的外接箍围焊，检测冻结管的垂直度，确保冻结管偏斜率＜1%；预防水平冻结孔施工精度问题；

2）加强冻结孔钻孔施工，如出现涌水涌砂及时关闭孔口管球阀，对其进行二次注浆，加固地层后再施工，同时做好结构与冻结孔渗漏水的管理[3]。及时对渗漏水问题进行处理，实施注浆封堵，保证钻孔施工效率与质量。

8 结语

本文基于联络通道的工程特征、地质条件及场地和地基的地震效应，归纳了注浆管的埋设、材料的选择、施工顺序等技术要点，并分析了联络通道施工中存在的风险，同时介绍了联络通道融沉注浆的施工工艺并对地表变形进行了监测，监测结果显示各项指标在可控范围内。严格执行联络通道融沉注浆的施工工艺标准，加强联络通道施工风险控制，才能降低风险事故的发生频率，减少经济损失，确保工程建设效果，实现质量安全及紧急效益等多重目标。

【收稿日期】2022-04-27