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浙江某城市轨道交通工程车站盾构区间冻结法联络通道施工方案(附示意图)
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郑州地铁联络通道冻结施工技术
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要：文章叙述了郑州市轨道交通1号线一期工程东明路站—民航路站区间隧道联络通道及泵站工程冻结法施工的过程，对冻结施工的难点、冻结方案、冻结孔施工、土体开挖、防水、混凝土浇筑等作了详细介绍。冻结施工的成功，为更好地指导今后在郑州地铁隧道复合地层中施工联络通道提供了必要的参考。
1　工程概况
郑州市轨道交通1号线一期工程东明路站—民航路站区间隧道，其联络通道及泵站工程左右线线间距为1410mm，工程位于区间隧道左线里程DK23+513.925、右线里程DK23+512.000，联络通道地面标高约92m，联络通道埋深21.61m，底板标高70.39m。
联络通道所在位置的隧道管片为钢管片(左、右线各2环)，管片内径为5400mm，厚300mm。通道采用二次衬砌方式，初次支护的混凝土(C25、P6)厚度为250mm；二次衬砌：通道拱部结构层、通道侧墙和泵房结构层厚度均为500mm，通道底板厚度为700mm。临时支护层和永久结构层之间设防水层，在联络通道结构层底部左、右线各预埋1根DN250球墨铸铁管作为排水管。
联络通道及泵站结构示意图见图1。
图1　联络通道及泵站结构示意图
2　联络通道所处土层及周边环境
1)联络通道主要处于⑨粉质黏土层、(13)粉土层、(14)粉砂层和(16)粉砂层中。
2)联络通道及泵站位于金水路、未来路交叉口东侧，金水路下方管线较多，有110kV电力隧道、DN1200和DN1000的混凝土雨水管、DN800混凝土污水管、DN800铸铁给水管，其中110kV电力隧道与盾构隧道外边缘的水平净距约5.8m，左线隧道结构外边缘与电力隧道竖向净距约8.5m。
3　联络通道冻结施工
根据土层资料与类似工程施工经验，在隧道内采用冻结法加固地层，使连接联络通道外围土体冻结，形成强度高、封闭性好的冻结壁，然后在冻结壁中采用矿山法进行通道及泵站的开挖构筑施工。用冻结法加固地层的突出优点是：冻结壁均匀性好且与隧道管片结合严密，加固与封水效果良好，施工安全可靠。
3.1 &冻结施工难点
本区间联络通道所处地层情况复杂，在冻结孔施工过程中会出现以下情况：
1)钻孔时孔口易出现涌水、涌砂；
2)此联络通道距离较长(14.1m)，冻结孔施工过程中可能出现偏移，影响冻结孔施工精度；
3)钻孔过程中可能导致地表沉降过大。
3.2 &冻结加固方案
1)因联络通道周围管线较多，故施工过程中必须控制钻孔、开挖及冻胀、融沉对地层的扰动，严格控制地面沉降。
2)联络通道底部在(16)粉砂层，含微承压水，在钻孔和开挖时，要采取严密的防范措施，严防突水涌砂等严重事故发生。
3)通道结构的施工环境差，空间狭小，拱顶混凝土不易浇捣密实，但必须保证结构不渗漏水。
4)为安全抵御土压和水压作用，根据计算及类似工程经验，其联络通道冻结壁的设计厚度为2.2m。
3.2.1 &冻结孔布置原则
1)冻结孔布置要求能达到冻结壁设计厚度。
2)冻结孔开孔位置误差不宜大于100mm，应避开管片接缝、螺栓、主筋和钢管片肋板。
3)联络通道泵房底部用“V”字形布孔方式，开挖时泵房外围冻结管不割除。
4)联络通道沿冻结壁与对侧隧道管片交接面均敷设冷冻排管5排。
3.2.2 &冻结孔施工
1)在冻结孔施工前，根据施工基准点，按冻结孔施工图布置冻结孔，孔位偏差控制在100mm之内；冻结孔实际钻进深度比设计深度深0.3m。
2)由于管片中钢筋较密集，在使用开孔器开孔前，根据管片施工图确定隧道管片内的结构钢筋的位置，合理避开钢筋，调整开孔位置。
3)采用2次开孔方法，在开口处安装防喷、防涌密封装置(见图2)。其施工流程为：用口径120mm的金刚石取芯钻在管片上钻进200mm左右→埋设孔口管→固定孔口管→在孔口管上连接闸阀→用口径95mm的金刚石取芯钻透隧道管片→移走开孔钻机、关闭阀门。
4)在冻结孔施工完成后，对冻结孔周围地层进行注浆加固，浆液采用水泥浆液。
图2　钻孔防喷装置示意图
3.3 &冻结参数的确定
1)冻结设计参数见表1。
表1　冻结设计参数表
2)其他冻结施工设计参数，如冻结壁交圈时间、旁通道冻结管长度、冻结需冷量如下：
(1)冻土发展速度平均按20mm/d计算，旁通道交圈时间约为20～23d。
(2)按施工图设计，旁通道冻结管和冷冻排管长度分别为686m和115m，总长度为801m。
(3)冻结管散热系数取1.36×103J/h·m2，冷量损耗取20%，联络通道冻结管总长度为801m，冻结总需冷量为3.95×106J/h。
3.4 &冻结施工过程
1)联络通道钻孔施工于日开始，到4月23日结束，右线隧道共钻孔64个，其中对穿孔4个，非对穿冻结孔54个，测温孔4个，卸压孔2个。左线隧道共累计完成28个，其中完成冻结孔17个，测温孔4个，卸压孔2个，补孔5个。打压试漏全部合格；冻结站及盐水管路和集、配液圈于4月24日全部安装完成。
图3为冻结孔布孔位置详图。
图3　冻结孔布孔位置详图
2)日至6月13日为积极冻结，冻结历时50d。
3.5 &冻结效果分析
1)深、浅测温点测得降温曲线见图4、图5。
图4　深测温点温度随时间的变化曲线
图5　浅测温点温度随时间的变化曲线
在联络通道的左右线各布置了4个测温孔，每个测温孔布置2个测温点，浅测温点位置均在深0.5m处，深测温点位置为设计深度位置(C1、C5测温孔深度2.7m，C2、C3、C6、C7测温孔深度3.5m，C4、C8测温孔深度3.8m)。
2)根据测温孔测得的数据，可以认为冻结最慢发展速度为23mm/d。以该发展速度计算，自日到6月13日，其冻土发展半径为1150mm。
3)以发展半径作图分析，联络通道处冻结帷幕厚度为2.3m，大于设计冻土帷幕厚度2.2m。
4)运用经验公式可以算出：与管片交界面冻土帷幕平均温度为-10.3℃，低于设计冻结帷幕平均温度-10℃。
无论是冻土帷幕厚度和冻土帷幕平均温度均已满足设计要求，达到开挖标准。
4　联络通道施工
经建设、监理、监测、设计、施工等单位各方协商确认，并经施工条件验收合格后，开始联络通道开挖。
4.1 &开挖方式
对于未冻结的松软土层，可采用铁锹开挖；当土层已冻结，且强度高、无法用铁锹开挖时，采用风镐开挖，在开挖施工中根据揭露土体的加固效果及施工监测信息，及时调整开挖步距和支护强度。
4.2 &临时支护
开挖过程中要对暴露段的土体及时施加支护层，其既能对冻结壁起到保温和隔热的作用，又能承受冻土压力和控制冻结壁的位移。临时支护采用型钢支架加木背板和250mm厚的C25喷射混凝土。
4.3 &防水施工
1)在临时支护层与结构层之间设置由无纺布缓冲层、优质PV防水板、无纺布保护层共同组成的防水层。
2)铺设防水层前，按设计尺寸找平支护层。
3)防水板接头处必须采用双缝焊接，并进行真空检漏。
4)采用固定箍结合密封胶或丁基橡胶薄片，加强抗融沉注浆管穿越防水板的接头处密封。
5)采用防水板、止水带、预埋注浆管组成分区注浆系统，以加强联络通道的整体防水。
6)在联络通道结构层与隧道接头处预留兜绕成圈的遇水膨胀止水条和预埋全断面出浆的注浆管，通过止水条的遇水膨胀功效、注浆管压注化学浆液的止水功效，来保证接头水密性。
7)联络通道变形缝中设置兜绕成环的外贴式止水带(可与防水板焊接为一体)和中埋式止水带，内侧嵌填高模量密封胶，从而形成完整的防水线。
4.4 &结构施工
4.4.1 &施工顺序
1)结构施工顺序为：通道→泵房(含盖板)。
2)通道混凝土浇筑顺序为：底板→侧墙→拱顶(用人工和气泵共同浇筑)。
3)泵房混凝土浇筑顺序为：底板→侧墙。
4.4.2 &混凝土浇筑
1)按结构设计图纸进行钢筋绑扎；联络通道与钢管片接触部位应按规定焊接锚筋，纵筋与钢管片搭接处采用T形焊接。
2)按结构特征顺序安装钢模板，应在钢模板上均匀涂刷脱模剂；检查钢模板的垂直度、水平度、标高、钢筋保护层的厚度以及结构层尺寸；合格后固定钢模板。
3)商品混凝土由溜灰管输入端头井井下，然后由电瓶车运输至工作面，用人工法将混凝土送入支好的模板内，并用插入式振捣棒反复均匀振捣。每次浇筑混凝土时，在现场用试模制成标准试块，用于检测混凝土强度及抗渗性。　
4.5 &充填注浆及融沉注浆
在注浆过程中遵照“多点、少量、多次、均匀”的循序渐进原则，并根据隧道沉降和解冻温度场的监测，适时调整注浆量和注浆时间间隔，确保沉降稳定。
1)注浆采用单液水泥浆和C-S双液浆，单液浆水泥等级强度为P.O.42.5级，水灰比为0.8；双液浆水泥等级强度为P.O.42.5级，水玻璃为35～42°Be，将配好的水泥浆液和水玻璃浆液按照1:1混合注入。充填注浆采用水泥单液注浆，融沉注浆采用水泥、水玻璃双液注浆。
2)注浆管在初期支护施工时预埋，预埋时穿透支护层。预留的注浆管头部用丝堵拧紧，防止涌水漏砂。模板拆除后，凿出注浆管，接上阀门。
3)充填注浆主要填充木背板和冻结壁之间的空隙，以及拱顶部的支护层与结构层之间空隙。注浆方式为自下而上，先打开所有阀门，注底层注浆孔，待上一层注浆孔返浓浆时，停止本层注浆，再进行上一层的注浆，顶部的注浆孔在最后完成。充填注入单液水泥浆，注浆压力不大于0.1MPa。注浆流量控制在15L/min左右。
4)融沉注浆需持续2～3个月的时间，此后可根据变形及温度场监测确定注浆时间延缩，融沉注浆注入水泥水玻璃双液浆。融沉注入的双液浆压力为0.3～0.5MPa，流量控制在15～20L/min。
冻结技术在地铁联络通道施工中的应用已十分成熟，本工程历时120d，完成了钻孔、冻结、开挖及支护、永久结构等工作。在整个施工过程中，安全可控，未对周边重要管线及建(构)筑物产生影响。
作者：蔡雯俊
转自：《上海隧道》
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　　【摘& 要】近年来，我国的城市轨道交通发展迅速。在富含水的粉砂及软土土质下，两条盾构区间之间的联通通道施工就需要采取加固措施解决水的影响，通常是采取注浆加固及冷冻法施工。在本文中，将以某工程实例对地铁盾构联络通道冷冻法施工技术进行一定的研究。
　　【关键词】地铁盾构；联络通道；冷冻法；施工技术
　　1 引言
　　冻结法是利用人工制冷技术，使地层中的水结冰，将松散含水土壤变成冻土，增加其强度和稳定性，隔绝地下水，以便在冻结壁的保护下，进行地下工程作业。它是土层的物理加固方法，是一种临时加固技术，当工程需要时冻土可具有岩石般的强度，如不需要加固强度时，又可采取强制解冻或自然解冻技术使其融化。
　　2 工程概况
　　某市某条地铁线路，其A、B两站盾构联络通道位于两站之间，中心埋深16.53m，联络通道与泵站以合并方式进行建造。该联络通道主要位于富含水的粉砂、粉质黏土与粉土互层中，非常适合冷冻法方式对土体临时加固之后进行施工。
　　3 冻结施工设计
　　3.1 冻结帷幕设计
　　3.1.1 荷载、冻土厚度与断面
　　联络通道冻结帷幕荷载情况如下图所示，由于该结构为拱形断面，其所具有的受力情况相对良好，而矩形顶部受力情况则相对较差。对此，我们通过矩形钢构法进行受力计算，不仅能够较好的对计算流程进行了简化，对于施工安全来说也是一种积极的保障。我们将冻土帷幕厚度定位1.8m，联络通道开挖宽度3.2m，高度为4.2m，根据静定理论对该结构内部弯矩与轴力进行计算，并对剪力、弯矩与压应力等进行取值，土容量按18KN/m3进行计算。
　　图1 冻土帷幕受力图
　　3.1.2 强度与安全系数
　　冻土强度以平均温度-10℃时粉质粘土所具有的强度为基准，并根据剪应力1.6Mpa，拉应力1.9Mpa、压应力3.9Mpa进行计算。经计算，剪应力系数&1.62，拉应力系数&1.67，压应力系数&1.65。
　　3.2 冻结设计
　　3.2.1 冻结参数
　　第一、设计盐水温度，积极冻结期盐水温度为-28℃～-30℃，维护冻结期温度&-28℃；第二、积极冻结时间：联络通道为40～45天，维护冻结时间为28天；第三，冻结孔弹孔流量大于5m3/h；第四，冻结孔中孔间距控制在1000mm以内；第五，测温孔设置数量为8个；第六，卸压孔设置数量为4个，并在卸压孔上安装压力表。
　　3.2.2 冷冻机与制冷量
　　根据工程规模以及工程量的计算，我们使用TBS1100.ZJ型螺杆机组2台套，其中1台运转，1台备用。单台机组设计工况制冷量为23&104Kcal/h。
　　4 冻结施工与永久结构施工
　　4.1 冻结孔施工
　　在冻结孔施工中，需要我们按照以下方式进行：首先，要对开孔位置做好定位，并安装孔口管；其次，安装孔口装置，并进行钻孔与测量；最后，对孔底进行封闭以及打压。在实际施工中，特别需要对涌砂以及漏水等问题做好解决，以此避免出现水土流失现象。
　　4.2 冻结管安装
　　在该施工环节中，通过冻结管为钻杆、以丝扣连接加焊接方式进行，则能够对冻结管的强度起到有效的保证。当冻结管钻进到设计深度之后，则需要做好其头部的密封工作，并对冻结管长度进行再一次的复测。之后，则可以通过灯光经纬仪的应用对钻孔偏斜土进行测量，在保证其偏斜率以及长度都满足要求之后再进行打压试漏，压力需要控制在0.8MPa，并将其测量30分钟没有发生变化后视为合格。
　　4.3 冷冻站安装
　　冷冻站位置布置方面，需要将其设在隧道内部。而在设备方面，则主要有盐水箱、清水泵、盐水泵、冷却塔以及冷冻机等。道路连接、测试仪表与保温管路需要以法兰进行连接，盐水管通过管架辐射在斜坡位置，以此避免对隧道实际通行产生影响。在冷却水循环管路以及盐水管路上，需要对伸缩接头、仪表测温、流量计、压力表以及阀门等进行安装。盐水管路在经过试漏、清洗之后通过聚苯乙烯泡沫塑料进行保温，保温层厚度为50mm，并在其外部通过塑料膜进行包扎。冻结管同集配液圈则需要使用高压胶管进行连接，保证每根冻结管进出口位置都需要对阀门进行安装，以此实现对流量的控制。而在联络通道四周主冻结孔位置，也需要以2个串联的方式进行，而其它冻结孔则需要以3个一组进行串联、此外，冷冻机组低温管路与蒸发器需要使用棉絮进行保温，而盐水干管以及盐水箱则需要使用厚聚苯乙烯塑料板进行保温。
　　4.4 积极冻结与维护冻结
　　在对设备安装完毕之后，则需要进行调试与试运转工作。在试运转时，需要对温度、压力等参数进行调节，以此保证机组在设备技术参与以及相关工艺流程下运行。在冻结过程中，也需要对流量、冻土帷幕开展情况以及盐水温度等做好定时的检测，在必要情况下也需要做好冻结系统运行参数的调节。在整个冻结系统正常运行之后，则可以进入到积极冻结中，即使冷冻机组能够以满负荷的状态运行。此外，当冻土状态达到设计要求之后，则可以进行开探，并进行试挖以及水文情况的判断。在正式开展挖掘工作之后，则需要在联系冻土帷幕实时稳定性的基础上适当的对盐水浓度进行提升。而当进入到维护冻结阶段后，则应当保证淡盐水温度需要控制在-28℃以内。
　　4.5 永久结构施工
　　掘进方面，我们对短段掘砌技术进行应用，且将开挖步距控制在了0.5m左右，以两次支护方式进行：第一次支护使用了型钢支架加木背板，能够对冻土的蠕变与冷量损失进行了有效地控制；第二次支护则以现浇钢筋混凝土的方式进行施工，并在两层支护间对EVA防水层进行了安装。而为了能够进一步对施工安全作出保证，我们以两阶段方式对永久结构进行施工，即首先对通道临时支护、混凝土喷射、防水层、钢筋绑扎以及混凝土浇筑等进行施工，之后再进行泵站的开挖、临时支护、混凝土喷射、钢筋绑扎以及混凝土的浇灌等。
　　5 冻结工程监测
　　在冷冻法通道施工中，监测工作是非常重要的一项工作内容，冻结帷幕施工是否能够满足要求以及开挖时间的确定等都需要根据监测数据进行判断：冻结系统监测方面，我们通过热电阻传感器的应用对来去回路的盐水温度进行测量，并在该回路上对流量计进行了设置；冻土帷幕方面，我们通过测温孔热电阻传感器的应用对帷幕温度进行测量，保证每天测量2次，并通过泄压管安装压力表测量未冻土空隙的水压变化；地面隧道变形监测方面，由于本施工环境覆土深度约为15m，对此，就需要在隧道15m附近区域对地面沉降以及建筑物开裂等情况进行监测，同时也需要对隧道的垂直、水平位置进行监测。
　　根据监测显示，冻结期间冻胀量不大于4mm，隧道拱顶沉降最大值为+2.1mm，管片收敛最大值为-0.25mm，均满足设计及规范要求。
　　6 结束语
　　在上文中，我们以某工程实例对地铁盾构联络通道冷冻法施工技术进行了一定的研究，研究表明冻结法施工不仅确保了在软弱地层联络通道施工的安全，而且没有明显的冻胀融沉，也没有对周围环境造成影响；同时冻结施工无噪音、无污染，对地下水位和水质没有影响，因而取得了良好的施工效果。
　　结合该市地铁的工程现状，在软弱复杂的地层，未来也可能应用冻结法的有盾构进、出洞土体加固，地铁联络通道、泵房等土体加固，短距离特殊地段水平隧道冻结施工等。
　　参考文献：
　　[1]吴文涛，张恒，李海清.地铁联络通道施工力学特性分析[J].铁道建筑.2011（11）：55-56.
　　[2]杨勇勇，石文广，赵宇，尚岳全.采用三轴搅拌桩联合降水施工隧道联络通道的施工工法[J].建筑技术.2012（03）：105-106.
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