目前, 国内地铁联络通道的冻结法施工基本都是在隧道贯通后进行, 但随着城市地铁的快速发展, 需要在保证冻结施工质量的前提下尽可能缩短工期, 所以联络通道冻结与盾构掘进不可避免的出现交叉施工。以武汉地铁21号线百步亭花园路站—新荣站区间为背景, 研究基于长远距离制冷冻结的富水砂层地铁区间联络通道施工技术。

武汉地铁21号线工程百步亭花园路站—新荣站区间全长1 504m, 采用盾构法施工, 设2处联络通道, 埋深19.28m。联络通道由与钢管片相连的喇叭口、水平通道和泵站构成, 结构如图1所示。本地区地处长江I级阶地, 联络通道主要处于Q₄^al (4) ₁粉砂及 (4) ₂粉细砂层中, 地下水丰富, 孔隙承压水赋存于该地层中, 易发生涌水、涌砂, 施工风险大。

百步亭花园路站为两端始发车站, 是21号线工程的关键线路, 工期紧张, 先完成隧道贯通, 再施工联络通道的传统施工方法无法满足工程要求。

设计采用水平冻结法加固+矿山暗挖法施工, 制冷方式为氟利昂-盐水冻结系统。冻土帷幕设计厚度为2.2m (喇叭口处1.9m) , 冻土帷幕平均温度≤-10℃。冻土强度的设计指标为:单轴抗压强度4.0MPa, 抗折强度1.8MPa, 抗剪强度1.5MPa (-10℃) 。

1号联络通道兼泵房共布置73个冻结孔, 10个测温孔, 4个卸压孔。2号联络通道共布置42个冻结孔, 10个测温孔, 4个卸压孔。

为减少打孔施工对盾构掘进施工的影响, 在联络通道处搭设门式脚手架工作平台, 跨越隧道轨行区, 保证盾构掘进电瓶车正常通行。工作平台钢管采用扣件连接, 上部铺装木跳板, 跳板采用铁丝与架体固定, 架体与管片螺栓牢固连接。

盾构机正常掘进时在工作平台上施工联络通道上部的冷冻孔, 根据停机时间进行盾构停机的维保, 当停机时间>3h<12h时, 优先施工联络通道下部及两侧的非穿透孔, 当停机时间>12h时, 优先施工联络通道下部及两侧的穿透孔, 将交叉施工的影响控制到最小。采用此方法可提前插入打孔施工, 节约20~25d整体工期。

百新区间1号联络通道距百步亭花园路站约535m, 2号联络通道距百步亭花园路站约1 010m。传统的施工方法是贯通盾构区间后, 再在隧道内联络通道处打设冻结孔, 然后将冷冻机组和冷却塔系统布置在隧道内进行冻结施工。百新区间线路长, 盾构掘进工期长达5个月, 常规施工方法在此期间没有联络通道施工作业面。积极冻结时间一般为30~35d, 采用长距离远端制冷技术, 将冻结站设置在车站中板上, 2个联络通道共用1个冻结站, 这样可保证盾构区间正常掘进的基础上实现同步施工, 可节约积极冻结30~35d工期。

然而采用该方法盐水管路一去一回长达2 200m, 如此长的远距离冷冻在国内外联络通道施工领域十分罕见, 长距离输送过程中由于流体的黏滞性和惯性引起的沿程压力损失和局部压力损失 (管路界面突然扩大或缩小等) 均十分显著。此外施工时正处于炎热夏季, 冷却盐水低至-28℃, 输送管内外温差大、热交换迅速, 长距离输送产生的温度和压力损失会影响冷冻效率和冻结质量, 采用合理有效的保温增压措施是该技术的关键。

1) 管路保温材料采用导热系数<0.17k J/mh℃的20mm聚苯乙烯保温板, 双层错缝包裹, 每层保温层的外面再包扎塑料薄膜。

2) 管路安装完成并试压合格后, 在管路法兰连接处进行保温加强处理。冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温。

3) 联络通道两侧管片保温, 将钢管片格栅用素混凝土填充密实, 采用保温板对冻结帷幕发展区域管片进行隔热保温。冻结加固范围内铺设≥30mm厚的聚苯乙烯泡沫塑胶保温板。

1) 盐水干管采用内壁光洁、无锈蚀和及其他固体附着物的低碳无缝钢管, 管路敷设时尽量取直线最佳路径, 同时减少转接弯头。

2) 在去路盐水管路上设置排气阀, 根据监测情况及时开阀排出管路内累积的气体。

3) 在盐水去路上设置离心增压泵, 提高盐水的流量及压力, 补偿压力损失。

冷冻机组布置于车站中板上, 由于车站内空气流通不畅, 冷却塔产生的热量无法及时消散, 会影响冻结机组的正常工作, 导致盐水温度下降速度无法满足设计要求。为保证冻结站将盐水温度按照设计要求降温, 采取以下措施。

1) 将冷冻站设置在车站中板通风阴凉处, 冷冻机组底下设置防潮层。

2) 冻结站冷却水及时更新, 保证冷却水温度<25℃。

3) 冷却塔排热口上方安装1个采用铝合金材料制作的热气收集罩, 通过风筒将热气排出车站外, 其中风筒与收集罩连接处以及风筒末端分别安装1个直径同风筒直径的大功率轴承式风机, 确保冷冻机组工作产生的热量及时散失。

积极冻结过程中, 每天监测去、回路干管盐水温度、冻结器回路盐水温度、盐水箱液位变化、冷却水温度, 观察冻结器头部结霜是否有异常融化。在冻结运转初期, 检测各冻结器的盐水流量, 如发现检测流量小于设计要求, 则应用控制阀门进行调节, 或者加大盐水泵泵量, 使其满足设计要求。

每天监测测温孔温度和泄压孔压力, 并根据监测数据, 分析冻土帷幕的扩展速度和厚度, 预计冻土帷幕达到设计厚度时间。经统计分析, 进出联络通道的盐水温度、温度差及卸压孔的压力变化情况如图2所示。

由图2所示的监测结果可知。

1) 从冷冻开始直至冻结第25d, 去、回路盐水温度基本上呈线性下降, 且达到“7d盐水温度降至-18℃以下, 15d盐水温度降至-24℃以下, 开挖时盐水温度降至-28℃以下”的设计目标。

2) 去、回路温差25d之后趋于稳定, 基本稳定在1~1.5℃, 满足要求。

3) 冻结20d左右压力开始急剧上涨, 过程中多次泄压控制其上涨速度, 最高值达到0.46MPa, 说明冻结在20d左右开始达到交圈状态。

通过前期的技术攻关和冷冻过程中的密切监测调控, 冻结施工顺利达到联络通道的冻结效果, 冻土强度指标达到设计要求。经过专家组验收, 联络通道具备开挖条件。

本工程联络通道所处地层属于自稳性较差的深厚粉细砂层, 承压水丰富, 属于典型的长江I级阶地, 开挖时易发生塌方、涌水涌砂、地面下沉等风险。

本工程采取短段掘砌技术, 配合台阶法施工, 采用风镐人工掘进, 开挖步距控制在0.5m。在掘进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, 确保安全施工。在开挖过程中, 及时对暴露的冻土墙进行保温, 保温材料为50mm厚泡沫塑料板。

联络通道开挖后, 地层中原有的应力平衡受到破坏, 引起通道周围地层中的应力重分布, 这种重分布的应力不仅使上部地层产生位移, 而且会形成新的附加荷载作用在已加固好的冻土帷幕上, 当冻土帷幕墙所承受的压力超过冻土强度时, 冻土帷幕及冻结管会产生蠕变, 为控制这种变形的发展, 冻土开挖后要及时支护冻结帷幕。初期支护采用型钢支架喷射混凝土, 支架间距为0.5m, 为增加支架的稳定性, 相临2排支架间必须用支撑杆相互连接。通道每个施工循环的开挖结束后, 及时喷射第1层混凝土, 挂钢筋网、安装格栅钢架后, 尽快喷射第2层混凝土, 完成初衬施工。

联络通道二次衬砌采用模筑钢筋混凝土结构, 采用组合钢模板, 支撑体系采用工字钢龙骨配合扣件式脚手架。采用预拌混凝土, 按照两端底板→侧墙→拱顶的顺序人工入模浇捣混凝土。

联络通道开挖及构筑施工过程中及时注浆填充, 同时加强地表沉降监测, 维护冻结期间控制好冻结参数。现场配置备用电源及备用冷冻机组, 防止停电或机械故障时冻土融化导致涌水涌砂或塌方事故。

本工程联络通道开挖构筑过程中, 未出现塌方、涌水涌砂、地面下沉等安全事故, 成品质量良好, 无渗漏水。

联络通道结构施工完成后的化冻过程中, 富水砂层极易发生沉降, 导致地面变形。因此需及时通过结构施工时预留的注浆管进行融沉注浆。注浆遵循多次、少量、均匀的原则, 从两侧隧道底部、内侧管片上注浆孔→集水井底部注浆孔→集水井侧墙注浆孔→通道底部注浆孔→通道侧墙注浆孔→拱顶部注浆孔顺序均匀分布注浆。同时还需加强地面变形监测、冻土温度监测、冻结壁后水土压力监测。注浆施工过程中, 可以通过在相邻注浆孔安装压力表反映浆液的压力, 根据以上综合监测数据及时调整对注浆参数。

本工程化冻过程中, 对地面变形进行严密监测, 除了每日充填注浆外, 当1d内联络通道上部地面沉降>0.5mm, 或联络通道上部地面累计沉降>3mm时, 及时补偿注浆。沉降稳定后停止填充注浆, 此后持续1个月每半月地面沉降均<0.5mm, 说明冻结壁已全部融化, 停止融沉补偿注浆。本工程冻结壁自然解冻过程中地面沉降控制较好, 累计沉降量远小于规范允许值。

本工程长远距离制冷冻结技术及相应保温增压排热措施的成功应用, 实现了联络通道与盾构掘进同步施工, 节约了约50d整体工期。富水砂层地质条件下联络通道开挖、构筑及融沉注浆过程中, 按照短开挖、强支护、快封闭、勤测量、及时注浆的原则及严格的过程控制和预防措施下, 化解了不良地质条件带来的施工风险, 保证了联络通道的安全完成。