冻结法在大直径越江盾构隧道施工中的应用

吴元昊，孙旻，李忻轶

（1 中国建筑第八工程局有限公司，上海 200135；2 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

人工地层冻结法(以下简称为“冻结法”)，是利用人工制冷技术在一定范围内将地层温度逐步降至冰点以下，使天然岩土体变为人工冻土帷幕，从而抵抗地层压力并且隔绝与地下水联系的一种特殊土木工程施工技术[1-3]。目前冻结法已广泛用于地铁隧道[4]、联络通道[5]、近接穿越[6]等城市地下工程中，成为城市地下工程不可或缺的土体预加固和预支护技术。然而，冻结法联络通道的施工大多是应用于直径在6m 左右的地铁盾构隧道，而对于直径在14m 以上的大直径盾构隧道中采用冻结法施工联络通道的案例和经验较少，尤其是对于越江隧道需要穿越江底富水软土层，其联络通道的施工难度大，对冻结封水加固要求高。因此，本文开展大直径越江盾构隧道联络通道冻结法施工技术研究，并对冻结效果进行了有限元分析，结果可为后续类似工程提供参考。

1 工程概况

某盾构法越江隧道长约6.5km，外径15m，管片厚度650mm，净直径约14m。其中，1#联络通道长约15.6m，圆筒形结构，净直径2740mm，喇叭口处净直径3340mm。其结构如图1 所示，通道衬砌为钢筋混凝土结构，初期支护为型钢支架加喷射混凝土。衬砌层厚度300mm，初期支护层厚度250mm。

图1 联络通道结构及设计冻土帷幕剖面图

联络通道位于江底，所处地层主要为粉质粘土层，水力联系较为复杂，施工风险很大。采用水平冻结法对地层进行加固，矿山法暗挖的总体施工方案。联络通道冻结加固和暗挖构筑施工的工序流程参见图2。

图2 冻结加固和暗挖构筑施工流程

2 地层冻结加固设计

2.1 冻土加固设计参数

冻土帷幕形状如图1 所示，呈圆柱状包裹联络通道。冻结孔一共38 个，沿与通道轴线平行方向布置，全部为近水平冻结孔(垂直倾角1.8°)，内外双圈对打。内圈冻结孔布置14 个，圈径5200m；外圈冻结孔布置24 个冻结孔，其中4 个为对穿孔，圈径7800mm。

表1 联络通道冻结加固设计参数表

2.2 冻结需冷量计算

取冷量损耗系数为1.3，则冻结需冷量Q 的计算公式为[7]：

式中：H 为冻结长度，包括冻结管长度和冷排管长度；d 为管径，对于冻结管和冷排管分别取0.108m 和0.045m；K 为管壁散热系数，在200～310 之间，根据该工程所在地特点及经验取300 kcal/m2·h。

将上述参数带入公式得冻结最大需冷量Q 为119.2kW(10.25×104kcal/h)。冻结站实际冻结需冷量计算考虑30%的损耗率。

3 冻结施工关键工艺

3.1 冻结孔施工

在管片上二次开孔施工工艺参见图3，其技术要求如下：

图3 管片开孔及冻结孔施工示意图

1）管片上固定开孔钻机（膨胀螺栓），确定钻进方位（水平尺和精密地质罗盘）；

2）混凝土管片上第一次开孔取芯，取芯深度为250mm；

3）采用外缠麻丝的鱼鳞扣安装孔口管，孔口管插入管片深度范围220～250mm；

4）在混凝土管片孔口管周围安装3 个膨胀螺栓，用Φ12mm钢筋焊接孔口管与膨胀螺栓。钢管片上的孔口管用12mm 厚钢板与格仓肋板焊接；

5）在孔口管上连接控制阀门，然后另外选取较小芯取芯钻头，在孔口管内钻透隧道管片；

6）钻进完成后退出钻机并将控制阀门关闭。

开管片时如果遇到孔口管与管片混凝土之间渗水，可注聚氨脂封堵（针眼法）。

3.2 积极冻结与开挖判定

1）积极冻结

根据实际情况在联络通道的一侧隧道内安装冻结站，安装冷冻机组、盐水箱（带盐水泵）、清水箱（带清水泵）、配套冷却塔及相关控制柜等。然后连接各管路并在打压实验合格后进行保温，对整个冻结系统进行调试。

调试完成后，开始冻结。要点如下：

（1）首先检查并确认电路系统、冷却水系统、盐水系统运行参数是否正常，确认无误后开冷冻机。应先让冷冻机空转1～3h并仔细观察，空转正常则再向冷冻机注入制冷剂，开机制冷；

（2）系统机组试运转。根据运行要求逐步调节电机负载、运行压力、蒸发温度等各控制参数，保证机组的运行参数满足有关设备规程和要求；

（3）试运转正常后可开启积极冻结。运行期间需要调节冷冻机参数，调整主要依据为冷却水温差和盐水温度，以使冷冻机保持在较高的制冷效率下工作；

（4）冻结正式开启后应定期检查冻结器连接管路接头部位的结霜情况，同时监测各支管盐水去回路温差；

（5）积极冻结期间应每日监测测温孔温度和泄压孔压力，并根据监测结果分析冻结壁的形成和发展情况，观察分析冻结壁是否交圈、计算冻结壁平均温度和冻结壁厚度等；

（6）每天检测冻胀变形（隧道管片收敛）情况，必要时采取应控制取措施；

（7）冻结期间系统运行参数应每隔2h 检查纪录一次，相关数据应及时进行处理，发现异常立即上报。

2）开挖判定

积极冻结结束标志冻结加固完成，进入维护冻结阶段。在暗挖施工前应进行开挖条件判定，开挖判定关系整个工程安全性，判定时需重点关注以下几个方面：

（1）积极冻结时间满足设计要求，盐水温度满足设计给出的最低温度；

（2）冻结壁厚度和平均温度（根据测温孔实际测温数据计算）满足设计要求。同时检测确认冻土与管片交界面处的冻结温度和厚度达到设计要求；

（3）开挖时泄压孔监测压力上涨天数应超过7 天，且上涨后的压力应比初始测量的孔隙水压高出0.15MPa 以上。满足要求后打开泄压孔，无连续泥、水流出则符合要求；

（4）在开挖侧隧道冻结壁内侧布置探孔，探孔孔径约100mm。探孔位置选在孔间距较大处或冻结有异常处。探孔检查应为地层稳定，无连续泥、水流出。如果发现有冻结异常部位，应补打探孔检查；

（5）确认备用冻结机组状况良好，能够随时投入使用。检查应急物资是否准备齐全：水泥、水玻璃、聚氨酯、沙袋、注浆泵；

（6）相关专项施工方案及开挖报告已经过专家审核并履行审批手续。

4 冻结效果模拟分析

本节应用大型通用有限元软件建立起联络通道二维有限元热分析模型，考虑相变、地温等因素，模拟积极冻结期间联络通道冻土帷幕温度场的变化特征，对冻结实际效果进行分析。

4.1 模型建立

采用ANSYS 热分析模块该问题进行模拟，选取联络通道有代表性的中间位置和喇叭口位置截面，建立模型。以中间截面为例，模型具体尺寸见图4，横截面方向取1 倍冻结区域为模型外边界[9]。

图4 有限元模型及网格划分

根据该工程勘察资料，给出数值模拟中所用参数如表2 所示。土体开始冻结温度TL ＝0℃，土体完全冻结温度为TS＝-2.1℃。根据现场监测温度，初始低温取20℃。

表2 土体热物性参数

4.2 模拟结果

图5 是中间截面积极冻结5 天、15 天、35 天和43 天的冻土帷幕温度场分布云图。可以看出，随着积极冻结的开展，首先在各冻结管周围形成冻土柱，而后冻土柱半径慢慢扩大，相邻冻冻土柱发生交圈，逐渐形成封闭的冻土帷幕。冻土厚度不断在增加，冻结区域的平均温度逐渐降低。喇叭口截面温度规律与中间截面相同。

图5 中间截面积极冻结期温度云图

根据数值计算结果整理出最小冻土厚度和冻土帷幕平均温度随时间变化情况（表3），由表3 可知：中间截面冻土发展更快，但平均温度相对高一些；而喇叭口处的冻土由于收到主隧道热扰动影响，冻土发展稍慢。总体来说，积极冻结43 天后，冻土帷幕冻的厚度在3.2m 以上，平均温度在-15℃以下，满足设计要求。

表3 冻土厚度和平均温度随时间变化表

5 小结

本文对经验较少的大直径盾构隧道中采用冻结法施工联络通道的问题进行了研究，指出冻结施工的关键在于冻结孔的施工以及开挖条件的判定。数值模拟表明：对于江底富水软土层进行联络通道冻结加固，喇叭口与中间截面处冻土发展规律大致相同，随冻结过程的进行，冻土厚度不断增加，平均温度逐渐降低，中间截面冻土发展稍快于喇叭口处；积极冻结43 天后，冻土帷幕总厚度达3.2m 以上，平均温度降至-15℃以下，取得了良好冻结效果，说明冻结工法对于大直径越江盾构隧道联络通道同样具有良好的适应性。随着国内轨道交通行业的蓬勃发展，冻结法施工将有着广泛的应用前景，如何在保证冻结效果的前提下缩短积极冻结周期是今后研究的方向。