在地铁工程中, 大部分联络通道均在已建成的隧道基础上进行暗挖施工, 技术难度大。为了能够给开挖提供稳定的工作面, 联络通道在开挖之前必须对土体进行加固^[1]。目前比较常用的加固方式有:矿山法、管棚法、顶管法、深层搅拌法、冻结法等^[2]。其中冻结法由于具备加固后地层强度高、稳定性好、隔水效果强, 且施工条件基本不受支护范围与深度限制等特点, 被广泛应用于地铁建设领域当中。

冻结法作为比较成熟的土体加固方法已经在我国各地区地铁施工中得到了广泛应用, 并积累了大量的工程经验。金中林^[3]结合上海市地铁隧道的工程经验探讨了冻结法在软土地层中的施工应用。孙成伟等^[4]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。王晖等^[5]以南京地铁联络通道水平冻结法施工为工程实例, 采用FLAC3D进行数值模拟, 对地铁联络通道施工过程中冻结温度场的发展变化、冻胀融沉引起的地表位移以及冻胀力引起的隧道内力和变形等做了详细分析。张志强等^[6]采用三维有限元方法, 模拟研究了冻结法施工条件下修建盾构隧道与联络通道组成复杂空间结构的施工力学行为。李亚巍等^[7]结合武汉江底高承压水联络通道冻结法施工, 详细介绍了联络通道冻结法的施工风险, 并提出了相应的预防措施和事后处理措施。

综上所述, 虽然目前冻结法应用较广, 但是在圆砾地层的冻结法施工作业尚欠缺相关案例。本文结合南宁地铁1号线南湖站—金湖广场站区间联络通道兼废水泵房的工程实例, 通过数值模拟的方式, 验证了在圆砾地层中采取冻结法施工的可行性, 在此基础上, 介绍了冻结法施工过程以及本工程在施工过程中主要风险源及应对措施。

南宁地铁1号线一期工程南湖站—金湖广场站位于南宁市青秀区, 区间采用盾构法施工, 左线全长726.185m, 右线全长726.755m, 区间内设1个联络通道兼废水泵房, 隧道中心间距16.4m, 地面标高76.560m, 轨面标高56.130m。

联络通道为直墙圆拱结构, 净宽2.5m, 净高2.9m, 采用双层复合衬砌:初衬为 (钢格栅+喷射混凝土) 厚度250mm的C25喷射混凝土结构;二衬为厚度为350mm的C45钢筋混凝土结构。联络通道覆土深度为15.4m。地质条件从上到下依次为填土层、黏性土层、粉土层、粉细砂层、圆砾层, 联络通道拱顶为粉土层和粉细砂层, 开挖范围主要为粉细砂层和圆砾层, 联络通道底部为圆砾层, 圆砾层为稍密～中密状态。地下水属于松散岩类孔隙水, 水量丰富且具备承压性。地下水稳定水位埋深2.8～12.3m, 承压水头0.1～5.1m。联络通道结构及地质剖面如图1所示。

场地内有2层地下水, 第1层为上层滞水, 第2层地下水主要赋存于圆砾、卵石及小部分砂土层中, 属松散岩类孔隙水, 具承压性, 水量丰富, 渗透性强, 为强透水层, 渗透系数105.0m/d, 由于邕江防洪堤的建设, 该层地下水与邕江水力的联系趋弱。地下水流速测试结果为:在天然条件下, 从10m到26m深, 地下水流速为2.16～6.81m/d, 总体向南或南偏西方向流动。

冻结帷幕设计厚度为2m, 设计平均温度不高于-10℃, 与管片胶合处冻结帷幕平均温度不高于-5℃。参照类似工程冻土物理力学性质试验, 冻土强度的设计指标取为:单轴抗压强度≥3.6MPa, 弯折抗拉强度≥1.8MPa, 抗剪强度≥1.6MPa (-10℃) 。冻结孔总数为80个, 在两侧隧道上分别按照上仰、水平、下俯3种角度布置, 总长度882.764m。

从上、下行线隧道两侧布冻结孔, 冻结孔总数80个 (左线53个, 右线27个) , 冻结孔总长度882.764m通道中部设置4个穿透孔, 在对侧隧道上沿冻结壁敷设5排冷冻排管, 以加强对管片处的保温效果。另外布置8个测温孔和4个泄压孔, 以达到监测温度发展及释放冻胀压力的作用。

根据冻结加固原理, 含水地层受冻后会形成一块坚硬的整体, 冻结壁形状与通道断面形状类似, 均为圆拱直墙结构。冻结壁有效厚度为2m, 冻结弹性模量取150MPa, 泊松比为0.3。根据DG/TJ 08—902—2016《旁通道冻结法技术规程》, 冻土的强度设计参考值为:单轴抗压强度≥3.6MPa, 弯折抗拉强度≥1.8MPa, 抗剪强度≥1.5MPa。

建模过程中假设各土层呈匀质水平层状分布, 计算中不考虑土体的固结和蠕变作用。土体、冻结帷幕与衬砌均采用实体单元, 注浆采用平面板单元模拟。根据文献[4], 南宁地区地层土体多为松散或胶结的颗粒状材料, 比较符合莫尔-库伦模型的使用条件, 因此地层的模拟选用此本构关系。结构部分选用各向同性的弹性材料, 各土层物理力学参数如表1所示^[4], 模型如图2, 3所示。

模型仅考虑土体的自重应力, 忽略构造应力的影响, 计算冻结土体联络通道隧道开挖后土体应力和位移分布规律。经过分析计算, 得出冻结壁在竖直方向和水平方向的应力云图和冻结壁竖直方向位移云图。应力计算值与安全系数如表2所示, 其中安全系数为强度指标除以计算极值。

根据计算结果, 应力的最大值主要出现在拱部、拱角位置附近, 计算极值均小于强度指标, 且安全系数<2。即按照设计冻结方法, 冻结壁的承载能力是满足要求的。虽然存在应力集中的现象, 但是集中程度不大, 除了应力集中点之外, 冻结壁主体的其他部分应力均比较小, 计算变形值也在容许范围之内, 表明冻结壁设计合理, 足以保证冻结施工安全进行。

管片开孔选用J-200型金刚石钻机, 配130mm金刚石取芯钻头, 钻进机械使用MD-80A钻机, 采用89mm地质钻杆钻具, 冻结管选用89mm×8mm规格20号低碳钢无缝钢管。

冻结孔施工工序:定位、开孔→孔口管、孔口装置安置→钻孔→测量→封闭管底部→打压试验。

施工过程的关键环节如下。

1) 钻孔施工顺序为先施工透孔, 再根据孔位布置由下往上施工, 以减小下层冻结孔施工对上部地层造成的扰动。先对冻结站侧冻结孔、测温孔、泄压孔进行施工, 再转移钻机, 施工对侧三孔。

2) 用金刚石钻机进行开孔, 钻头钻进深度约300mm, 不得钻穿管片。用钢楔楔断岩心, 取出后, 打入加工好的孔口管, 并至少有4个固定点固定在管片上, 然后安装孔口密封装置, 如图4所示。当每个钻孔完成后, 在孔口法兰与冻结管之间间隙用钢板焊接密封。

3) 钻进过程中严格监控测斜情况, 钻孔倾斜控制在150mm以内, 倾斜过量则需要及时纠偏。钻孔深度不小于设计深度。

4) 透孔施工前, 先将取芯合金钻头、取芯管和锥形体与钻杆相连, 按正常方法钻进土体, 当碰到对侧管片时, 低速慢进, 直至钻穿, 当钻穿后, 及时快速推进, 将锥体挤入管片开孔处, 形成止水密封, 如图5所示。

5) 冻结管之间采用丝扣连接, 下好冻结管后, 进行冻结管长度复测, 再用激光测斜仪测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结孔终孔最大允许间距为1 300mm, 集水井处冻结孔终孔最大允许间距为1 400mm。

6) 打压试验压力控制在0.8MPa, 前15min压力损失<0.05MPa, 后30min压力稳定无变化为试压合格。

冻结站选用W-YSLGF600型螺杆机组, 单台设计制冷量为17×104kCal/h。盐水循环泵选用IS150-125-315型, 流量为200m³/h, 功率为30kW。供液管选用48×3.5钢管, 采用焊接连接;盐水干管、集、配液圈、冷却水管采用127×4.5无缝钢管。

冻结设备于2015年2月10日开始安装, 于2月16日开始调试, 经试漏和抽真空检查, 各循环系统运转正常, 冻结系统无盐水漏失现象, 达到运转条件。

冻结站于2015年2月17日开始正式运转, 截至2015年3月23日, 积极冻结历时34d, 系统运转正常。冻结15d后, 盐水总去路温度一直保持在-28℃以下。

系统去回路盐水温度变化曲线如图6所示。由图可知, 冷冻机开始运转初期, 盐水温度下降较快。运转后第15天 (2015年3月4日) 盐水总去路温度达到-28.1℃, 回路为-26.9℃, 去回路盐水温度达到设计要求, 且此后温度平稳。

为了监测冻结帷幕不同范围的温度发展状况, 共布置8个测温孔 (左线2个, 右线6个) , 测温孔深度2～5m。测温管选用32×3的钢管, 每个测温管布置3个测温孔, 其中C3测温孔4.0m, C4测温孔5.0m, 其余测温孔深度均为2.0m。各测温孔冻结发展速度如表3所示。

以C4测孔为例, 温度变化曲线如图7所示, 随着冻结时间的发展, 各测温孔的温度在冻结初期下降迅速。C4测温孔在冻结后第12天 (2015年3月1日) , 测控温度已经下降到0℃, 附近土层的冻结发展速度为50mm/d, 第20天时 (2015年3月9日) C4-3测点已达到冻结控制温度-10℃。根据监测分析, 积极冻结后第26天 (2015年3月15日) , 冻结帷幕平均温度已下降到了-10.4℃, 达到设计值。

冻结帷幕扩展速度近似取为各测温孔与最近冻结孔的距离与实测温度降低到0℃天数的比值。通过表3对各测温孔数据的统计, 冻结帷幕最小扩展速度v_min=35.4mm/d, 按照此速度推算, 到冻结36d时, 冻土发展半径为:r=35.4×36=1 274.4mm。

以此冻结半径在设计断面图上作图, 测量出通道部位冻结帷幕厚度最薄为2 139mm;喇叭口部位最薄为2 424mm, 大于冻结设计厚度2m。通道截面处冻结效果交圈如图8所示。

积极冻结期, 在通道冻结帷幕圈中部非冻结区域两侧各设置2个冻胀泄压钻孔, 孔深2m, 通过该孔泄压消散冻土体积膨胀挤压应力, 降低冻土对管片结构的影响。

卸压孔压力从2015年2月17日正式开始记录, 冻结涨压至3月8日 (冻结19d) 后开始对卸压孔进行卸压, 泄压孔压力变化曲线如图9所示。由图可知, 泄压孔压力在3月8日最高, 为0.25MPa左右。此后, 从3月8日到3月15日, 泄压孔压力先减小后增大, 再减小, 到3月15日时, 4个泄压孔压力范围在0.05～0.10MPa。从3月15日到3月24日, 泄压孔压力先增大后减小, 再增大, 到3月24日, 4个泄压孔压力在0.15MPa左右。从3月8日泄压后, 泄压孔压力变化较为平稳。

融沉补偿注浆通过预埋的注浆管和隧道内的管片注浆管进行, 融沉补偿注浆浆液以水泥-水玻璃双液浆为主, 单液水泥浆为辅。水泥-水玻璃双液浆配合比为:水泥浆和水玻璃溶液体积比为1∶1, 其中水泥浆水灰比为1∶1, 水玻璃溶液采用B35～B40水玻璃和加1～2倍体积的水稀释。注浆压力≤0.5MPa, 注浆范围为整个冻结区域。当1d内联络通道沉降>0.5mm, 或联络通道累计沉降>1.0mm时, 应进行融沉补偿注浆;当联络通道隆起2.0mm时应暂停注浆。当连续半个月地面日沉降量保持在0.5mm以内, 累计沉降量<1mm, 可以结束融沉注浆。二衬预埋融沉补偿注浆管设计如图10所示。

1) 因地下水位线正处于冻结帷幕内, 水位变化带来动水流动, 易造成此区域冻结帷幕冻不上现象。同时冻结加固区大部分位于圆砾地层中, 含水丰富, 渗透系数K=105m/d, 远大于冻结法正常适应的流速5m/d, 对冻结效果有一定的影响, 易造成冻结不交圈、冻结帷幕不均匀、存在薄弱带、冻结时间超长等问题。

2) 施工地面为路面, 地面下有众多管线, 对施工过程中的地面沉降控制较严格。一旦发生地表变形过大, 可能造成通行受阻和危及管线安全, 造成使用功能不正常, 影响市民生活。

3) 钻孔期管片开孔处的密封不好, 地层泥水流失过多, 造成地层沉降, 会累及路面和管线。开挖期的土体坍塌为工程中的最大风险点, 会对隧道结构及周边环境造成较大影响。

1) 钻孔安装冻结管时, 先从每个钻孔内向地层预注水泥浆, 针对性地改良冻结范围内土体, 降低土体渗透系数, 以达到控制地下水过大流动的目的。同时还可以达到控制冻胀和融沉的效果。

2) 冻结过程当中, 采取降低温度、加大去盐水流速和延长冻结时间的方法, 可以提高冻结效果, 满足冻结帷幕发展要求。

3) 在冻结帷幕处多布置温度测点, 特别在拱顶水位线易变化的位置上布置测温点, 冻结过程中, 密切监测分析土体温度变化, 当判断有水流影响情况时, 再针对性地局部加强冻结和外围注浆阻水控制。

1) 在施工影响范围内的建筑物、路面、管线部位和隧道内设置隆沉和收敛监测点, 定时进行监测和汇报。

2) 采取预注浆对地层进行改良, 控制冻结帷幕范围, 减少冻结体积, 控制地层冻胀量。冻结期在土体内设置压力测表和泄压孔, 及时释放过高的地层压力。

3) 在隧道内安装钢支架, 控制隧道变形。

4) 冻结停止后, 结合冻结体的融化, 及时对地层进行补注浆, 控制融沉危害。

1) 钻孔施工时, 先在管片上安装孔口密封装置, 再正式钻孔。当发生土体过量流失时, 向地层内补注浆充填, 以补偿土体损失。

2) 通道开挖前必须通过冻结效果及开挖条件验收, 方可打开管片。

3) 开挖过程中, 及时施工初衬结构、定时对开挖面进行外表观测, 表面温度和变形测量。当发生变形过大时, 或停止施工及加强局部支护等。

4) 联络通道开挖前, 在先打开管片的洞门口安装应急门, 应急门具备控制泥水涌出的强度和密封性能。当开挖面发生不可控制的危险时, 可以及时关闭应急门, 并向门内压浆、注水, 控制洞内稳定。

本文针对南宁市地铁1号线富水圆砾地层联络通道冻结法施工, 通过数值计算对冻结方案进行了验算, 阐述了冻结施工中的关键技术。并结合实际施工进行了冻结效果分析, 最后总结了施工中的主要风险和应对措施。所获结论和经验如下。

1) 经过数值模拟计算, 按照设计冻结方法形成的冻结壁承载能力满足要求, 可以保证隧道施工顺利进行。

2) 冻结施工运转后第16天, 去回路盐水温度达到设计要求, 积极冻结第26天, 冻结帷幕平均温度达到设计值, 到冻结36天时, 冻土发展半径达到设计冻结半径。

3) 冻结法应用于富水圆砾地层中, 应针对地下水位变化、土体坍塌等情况采取针对措施, 提高冻结效果, 控制洞内稳定。