摘 要
以杭州某地铁区间联络通道工程为背景,根据联络通道的设计、工程地质及水文情况、施工方案、冻结加固设计、冻结孔布置及制冷设计等情况进行了研究并结合实际测温效果,分析了冻结加固的实施效果，冻结法的设计和施工方案是安全可行的，但工程地质和水文地质安全系数较大,后续设计及施工方案应进行优化,测温孔分析出冻结发展速度较快,施工工期也据此得到了进一步压缩。经实践表明，冻结法在湖底盾构区间联络通道施工中的应用是可行且成功的。
关键词:地铁；联络通道；冻结法
引言
联络通道一般位于地铁区间隧道或公路隧道的中间，通常与集、排水泵站连在一起，共同起着隧道连结、排水和防火等作用。联络通道土体开挖前，必须对周围土体进行加固。冻结法是岩土，工程施工中的一种辅助手段，目前我国很多城市都在进行大规模的地铁建设，冻结法作为软土地层加固的一种措施，已经得到广泛的应用并取得很好的效果[1-2]。
1 工程概况及施工难点
1.1联络通道概况
杭州某地铁区间单线长度954.87m。区间沿靑六路南北向敷设，主要下穿靑六北路，侧穿景观湖及景观湖桥，联络通道处通惠湖下方，青六北路东侧，通道上方地面标高约为+1.82m，岸边地面标高约+6.10m。通惠湖（东湖）为大江东范围内最大的人工湖，勘探期间测得湖面标高为2.51m，湖水深度约为1.2～2.4m，湖底标高0.5～2.8m，隧道顶距离湖底最小约11.5m。根据提供管线图和现场踏勘排查，区间管线主要集中在车站南端头200m范围内的非机动车道、机动车道和绿化带内，排污管埋深比较深，距离通道相对较近，施工时需密切检测路面沉降情况，出现变化及时处理。
为满足区间防灾及疏散要求，本区间设置1座联络通道，隧道中心线间距为13.321m，隧道中心覆土埋深约为11.5m，采用水平冻结法加固地层，矿山法暗挖施工。构筑联络通道所在位置为钢质管片，隧道内径φ5.5m，管片厚度350mm。水平通道为直墙圆弧拱结构，采用双层复合式衬砌结构方式，初期支护和二衬钢筋混凝土结构层之间设防水层，初衬为钢拱架（I18a）和C25喷射混凝土结构，通道初衬（钢支架喷射混凝土）厚度为 300mm。二次衬砌为C35、P10钢筋防水混凝土结构。联络通道宽2.5米，通道中间设两扇宽1米的反向开启甲级1021防火门。
图1 联络通道剖面图
根据勘测资料，区间联络通道所处地层主要为③6粉砂层、③8砂质粉土夹淤泥质粉质粘土，区间地下水因含水介质、水动力特征不同，联络通道受上层潜水和下部承压水影响较大，自稳能力差，易造成涌水冒砂、隧道坍塌变形。由于上述部分地层的承载力较低、容易压缩、在动力作用下易流变，开挖后天然土体难以自稳。其中③6粉砂层在通惠湖下方，含水量高，渗透性差，呈流塑状，且具有压缩性高、强度低等工程力学性质特点，因此，在施工联络通道时必须对施工影响范围内的土体进行妥善、稳固的加固处理。
1.2联络通道施工难点
联络通道采用水平冻结法加固的矿山法暗挖施工工程难点较多。
（1）施工风险大。联络通道上部为通惠湖，为大江东范围内最大的人工湖，且水力联系密切，常年雨水充沛，易造成通道突水及管涌。联络通道距离市政管线相对较近，因而一旦覆土出现较大变形将会引起湖水倒灌至隧道内，道路破坏或地下管线破损，从而造成严重的负面社会影响。
（2）地层条件差。联络通道地层为典型的杭州地区软土地层。地层中的灰黄色粉砂土具有高含水量、高压缩性、高灵敏度和低强度的特点[2]，由于土体的松散软弱，多含粉砂夹层，且上部没有隔水层，在潜水的影响下，极易突发涌水流砂突涌等事故，影响联络通道稳定性。
（3）长距离冻结。由于区间于洞口向隧道内敷设380环位置设置联络通道，冻结站设置于车站中板平台，向隧道内为联络通道供冷，供液管路较长，冷量损失相对较多。
（4）开挖范围内含可燃气体。拟建区间含气量大，气压强，探测过程中局部伴有大量泥浆强烈喷溅，且隧道结构底部均位于在沼气分布区域，在开挖期间应严格控制明火，以防出现爆燃现象。
（5）隧道内空气对流。由于隧道呈南北走向布置，且两端车站隧道端头处均未封板，导致隧道内空气对流密集，直吹冻土帷幕和与之接触的隧道管片，有可能存在影响安全的薄弱环节。且由于旁通道施工期间盾构隧道结构、联络通道初期支护和二次衬砌结构受力体系不断发生变化(冻胀、开挖、支护及冻融)，而冻融体与管片、联络通道与盾构隧道之间均为刚性接头，极易造成结合面开裂引起涌水、涌土、涌砂，造成地面建筑物及管线损坏，严重者可能造成盾构隧道被淹，酿成大的安全事故。
2冻结加固设计
2.1 联络通道结构
联络通道主体结构采用直墙圆弧拱复合式衬砌结构，初期支护为18#型钢支架及C25喷射混凝土，二次衬砌为C35模筑防水混凝土，抗渗等级为P10，初期支护和二次衬砌之间设防水层。初期支护(钢架+钢筋网+喷射混凝土)厚度为300mm。通道的开挖轮廓高为4.393m，宽为4.0m (喇叭口处高约4.693m,宽为4.6m)。洞门尺寸为1.5x2.1m。
联络通道采用复合衬砌支护,联络通道结构特征如图：
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图3 联络通道冻结孔透视图
2.2 冻结帷幕设计
联络通道设计冻结壁的有效厚度不小于2.0m，喇叭口不小于1.7m，开挖区外围冻结孔布置圈上冻结壁与隧道管片交界处平均温度不高于-5℃，其它部位设计冻结壁平均温度为-10℃。冻土强度的设计指标为：单轴抗压不小于4.0Mpa，抗弯折不小于1.8MPa，抗剪不小于1.5MPa（-10℃）。
2.3 冻结系统制冷设计
2.3.1冻结孔布置
根据冻结帷幕设计及联络通道的结构，冻结孔按上仰、水平、下俯三种角度布置在联络通道的四周。北江区间联络通道布置冻结孔77个（包含4个透孔），其中主线一侧隧道布置18排（52个冻结孔），对侧隧道布置5排（25个冻结孔）。总造孔工程量553.86米。
联络通道均布置测温孔10个（主线一侧布设3个测温孔，副线布设7个测温孔），以监测冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结壁与隧道管片界面温度和开挖区附近地层冻结情况，以便综合采用相应控制措施，确保施工安全。在冻结帷幕封闭区域内设置4个泄压孔，左右线各2个，在泄压孔上安装压力表，可以很直观的冻结帷幕内压力变化情况，通过每日观测，及时判断冻结帷幕的形成状况并可直接释放冻胀压力。
2.3.2 冻结站布置
根据施工现场实际情况，冻结站设置在车站端头井中板上。联络通道两端均布置有冻结孔，冻结站内的低温盐水从冻结站一侧隧道通过管路输送至冻结孔内，而回水可通过冻结孔内的环形空间回到冻结站重新降温。
2.3.3 需冷量计算
冻结器的单位热流量（K）与地层导热系数、盐水温度及其在冻结器环形空间内的运动状态、冻结时间等因素有关。考虑到盐水循环量取5m3/h，且地层导热系数较大，故冻结器的单位热流量（K）平均可取280kcal/m2，冷冻排管K取300 kcal/m2。
冻结管散热能力采用公式Q散=π·d·h·k
式中: d—冻结管直径d=0.089m、冷冻排管直接d=0.045m；
h—冻结管长度（Φ89冻结管总长度553.86m、Φ45冷冻排管120m）；
k—冻结管的散热系数Kmc取280kcal/m2?h
计算需冷量：联络通道Q需=6.43×104kcal/h（冻结孔+冷排管）；冻结站放置在中板上，根据施工经验，mc取1.3，计算冻结站需冷量：Q冷=7.43×104kcal/h。
2.3.4 冻结站制冷设备选型
冻结站放置在车站中板上，根据需冷量计算，每冻结站选用CWZ-290(低温工况制冷量9.89×104Kcal/h)型2台，运行1台，备用1台。
2.3.5 盐水系统设计
盐水主要技术参数选用。盐水选CaCL2水溶液；去路盐水温度tr=-28℃。盐水比重r=1260kg/m3；波美度为29.8°B e。 盐水泵选型。经计算汽高区间联络通道盐水总循环量Wbr =76.95m3/h。盐水循环泵选用10SH-19A型2台，运行1台，备用1台，流量200m3/h，扬程32m，电机功率45kw。
2.3.6 清水系统设计
冷却水流量计算结果为45.84 m3/h，选用DBNL3-80型冷却塔1台，备用1台。根据DBNL3-80型冷却塔热负荷，新鲜水补充量为18m3/h。
2.3.7 供液管选择
经计算：联络通道供液管直径dg=37mm。供液管选用Φ50mm白色聚乙烯管，采用捆扎方式。
2.3.8 盐水干管选择
经计算，联络通道盐水干管直径dm=0.134m，选用Φ159×5mm无缝钢管或DN160 PE管厚7.7mm作为盐水干管。
2.4 水平冻结法施工监测
2.4.1 冻结系统监测
(1)去、回路系统盐水温度测量
(2)冻结器盐水流量检测
(3)冻结器盐水温度监测
(4)在盐水箱中安装液面监测装置。
(5)其它:包括去、回路盐水压力、冷却水压力与温度等。
2.4.2 冻土帷幕监测
(1)测温孔温度监测
根据图纸布设测温孔，共设10个测温孔。每个深测温孔设5个测点，分别布置在隧道管片附近处、测温管头部与中部处。每个浅测温孔设3个测点，分别布置在靠近隧道管片处、测温管头部。每天测量1次。
(2)泄压孔内空隙水压力监测
在泄压管口安装压力表测量未冻土空隙水每天的压力值。每天测量1次，可根据实际情况增加次数。
(3)工作面温度和变形量测
3 施工控制技术措施
3.1 冻结设计的优化
（1）在设计冻土帷幕的结构时，选择比较安全的计算模型，并尽量把安全系数取大一点，确保冻土帷幕强度和稳定性达到设计要求与承载力要求[6]。
（2）合理布置冻结孔的位置。联络通道采取“V”字形布孔方式，把冻结孔布置在两条隧道内，尽量使开挖时需要割除的冻结管数量减小。
（3）把保温层敷设在与冻土帷幕交接的隧道管片内侧处。减少隧道内空气对流以避免热量被冻土帷幕与隧道管片吸收。尤其不能使风吹到冻土帷幕和相邻隧道管片[7]。
（4）加强整个过程的检测和控制。
3.2 冻胀控制措施
（1）冻土帷幕中合理设置泄压孔的个数与位置，释放泥水减小冻胀力。控制最大冻胀力不超过0.45MPa。
（2）采取快速冻结的方法使土体中的水分来不及迁移而减小冻胀量，也有利于减小冻土融化时的土体收缩量。
3.3 融沉控制措施
(1)为了减小地层融化沉降量与压缩沉降量过大而引起隧道变形，在隧道和联络通道衬砌上埋设注浆管，跟踪补偿注浆。
(2)实时监测施工过程中隧道结构发生的微小变形，分析、预计开挖构筑施工对隧道衬砌结构可能产生的不良影响，为进一步调整、确定冻结施工参数提供可靠依据。
3.4 保障冻土帷幕质量的技术措施
针对工程周围环境复杂，在联络通道施工期间，采取了多种技术措施保障冻土帷幕质量，增高了安全风险系数。
3.4.1 积极冻结技术措施
（1）根据冻结孔和测温孔实际偏斜，绘制三维成孔图，结合偏斜值，分析各薄弱区发展速度。
（2）对测温孔内测温探头进行了校核复测，对相关数据进行了比对分析，经检测测温孔数据无异常情况。
（3）对隧道两侧钢管片格仓进行保温材料充填，减少冷量散失。以及对主副线冻结区域内管片进行加强保温。
（4）由于冻结管路较长，安排专人对隧道内主干路加强巡视，检查主管路是否有破损漏。冻结站值班人员加强对盐水液面观察记录，观察盐水是否有漏失现象。
（5）对所有冻结孔测纵向温度，所有数据进行比对分析，观测冻结孔纵向温度有无跳值，确保冻结系统正常运转。
（6）在主线增设冷排管，加强冻结效果。
（7）为确保冻结帷幕质量，开启备用机组，两台冷冻机同时供冷，加强冷量供给，减少长距离供冷损失的影响。同时，增加一台备用机组，严格做到两用一备。
（8）在主副线薄弱区打多个探孔探测冻结帷幕内效果。
3.4.2 开挖构筑技术措施
(1)根据隧道变形用千斤顶给各支撑点施加预应力，同时，在开洞门处设置纵向支架。焊接钢管片接缝。对预应力支撑、安全防护门进行满焊加固，加强密封效果。现场准备多榀备用预应力支撑，加强联络通道隧道管片的沉降及收敛变形监测，排查是否出现数据突变，若变形超限或预警，及时增设“米”字型钢支撑加固。
(2)分步开挖，先开挖水平通道，然后挖大喇叭口。针对地层难以自稳的特点，开挖期间严格控制开挖步距，两榀一支护挂设钢筋网片，四榀喷射混凝土。
(3)开挖后为防止土层温度上升过快，及时对冻土帷幕进行保温隔热处理。
(4)在整个施工过程中,严密监测隧道变形与上方地面沉降量，变形或沉降量过大应停止施工或采取应急方案处理，确保隧道安全。
4 结论
本文根据杭州地铁某区间隧道联络通道的设计与施工,详细描述了人工冻结法在复杂施工环境的地铁联络通道中的应用。此区间联络通道所处地层具有典型性与代表性,是此类联络通道冻结法施工的典范。
参考文献
[1]周晓敏，苏立凡，贺长俊等.北京地铁隧道冻结法施工[J].岩土工程学报,1999,21(3):319-322.
[2]岳丰田，仇培云，杨国祥等.复杂条件下隧道联络通道冻结施工设计与实践[J].岩土工程学报，2006(05)-0660-04