摘 要：城市地铁的区间联络通道施工由于受地面、地下、空间等诸多因素的限制，施工难度较大，冷冻法技术在区间联络通道施工中具有很强的实用性和操作性。
关键词：冷冻法,地铁,区间隧道,联络通道
1 引言
冷冻法施工工艺最早出现在欧洲，在矿井施工中广泛使用，其工艺就是利用冷冻机对冷冻液进行降温，并通过循环管路输送到需要冷冻的区域，并保持温度，使温度向外扩散产生冻结效果。因其安全系数高，工作环境因无水而施工方便，在我国早期主要应用于矿山垂直巷道的施工。近年来，随着环渤海经济圈的开发建设，天津的城市轨道交通得以迅猛发展，冷冻法工艺在天津地铁区间联络通道施工中也逐步得以运用和推广。
2 工程概况
天津地铁9号线某标段联络通道工程，通道拱顶覆土深度约17.5m，区间左、右线隧道中心距离13m，通道开挖区域处于第Ⅳ陆相层粉质粘土和粉沙层上，该土层液限平均在27%，且可塑性强，为可塑和软塑状态，孔隙率0.68～0.77，原设计为地面旋喷桩加固，考虑交通导行、管线切改、拆迁、以及在过深土体中的加固效果差等综合因素的影响，决定采用冻结法施工。
3 冷冻法施工
冷冻法施工工艺流程为钻冻结孔、埋冻结管→冷冻系统安装→积极冻结→围护冻结、开挖构筑→停冻→融沉注浆。
3.1 开孔钻进施工
开孔前，结合结构尺寸，对冻结管的长度、数量、位置及角度等进行充分的计算，本案例冻结孔设计间距0.8～1.0m，总共设置冻结孔77个，冻结线路循环长度785m 。为考虑通道底泵房施工方便和安全，以及冻结管道打设到右线后产生偏差，在右线隧道内的通道顶部和底部也打设若干冻结管，与左线冻结管连接成一体共同作用，确保冻结效果满足设计要求。
在布孔范围内先打若干小探孔，探测地层稳定情况，若发现砂层，立即进行双液注浆，以提高孔口附近土体稳定性。待开孔条件具备之后，在隧道内根据设计图现场放样孔位，开孔前先将金刚石取芯钻机的导向基座固定在孔位附近，用地质罗盘对导向轨进行方向和角度复核，然后进行开孔，控制孔位偏差在1%以内。
为防止开孔后发生涌沙涌水现象，采用特殊孔口管进行孔口防护，两次钻进的方法进行开孔，首先用金刚石钻机开出一个稍大的孔(Φ120mm)用于安装封口管(此时不能钻透管片，以防涌水)，封口管一端安装法兰和阀门，同时在侧面预留φ25mm注浆孔(兼做逆止阀)，如果封口管处漏水涌泥，则从逆止阀中注入浆液，然后从阀门内用小直径钻头打穿管片，并迅速将冻结管打入。
当右线也具备施工条件时，最好打设冻结管以利于泵房施工和弥补冻结管远端打设偏差，为保证冻结管能连成一体，从左线用强制水平钻机打设四个对穿孔，一方面用于检验左右线钢管片的里程差异以便调整通道的位置，另一方面用于将左线的循环管路引到右线，钻杆就用冻结管，在冻结管的前端装上钻头即可，钻进角度严格按照施工组织设计图控制，对穿孔在后期还用作冻结回路的一部分。除了对穿孔用强制水平钻机钻进外，其余的冻结管均用夯管锤强行夯入土体。此时需要将冻结管的前端做成平口(若做成锥状，在夯进过程中遇到硬物后容易发生偏移)，孔端密封焊接，这样保证在在夯进过程中土体始终处于密封状态。冻结管加长时，采用套管丝扣连接，接头螺纹紧固后再用手工电弧焊焊接，确保其同心度和焊接强度。
钻进过程中若发现偏斜要及时纠偏，下好冻结管后，用灯光测斜仪进行测斜。冻结管长度和纠偏合格后，再进行密封打压实验，确保管路密封良好。冻结管考虑安全系数，比设计加长0.3m，安装完成后，以冻结管作为回液管，在冻结管内插入供液管，将冻结管端盖焊接密封，冻结回路单管示意图如图3所示：
当冻结管打设完成后，根据冻结部位的不同，将全部冻结管分成若干组，每组3～5根进行串连，然后并联到冻结主回路上，这样可以克服循环管路过长、热量不易交换的缺点，便于节省费用和缩短冻结工期，如图4所示。
3.2 冻结系统安装
经计算，选用TBSJ055.1型螺杆机组一台套，在安装循环管路时尽量缩短冷冻管长度，以免使冻结能量损失过多，冻结干管过长时，要每隔一段距离(30m左右)要加设一个橡胶短管，防止管道热胀冷缩而破坏。在系统安装完成后，先检查冻结管的密封情况，出现渗漏立即补救，检渗完成后，安装保温层，并在隧道衬砌内壁上安装隔热板，即可开始冻结。
3.3 辅助措施
测温孔和卸压孔(压力观测孔)是监测冻土帷幕形成过程和形成状况的必要检查手段，测温孔主要用以实测温度来计算冻结壁厚度;泄压孔则验证冻结壁的形成与否。当形成冻结交圈后，开挖土体由于冻结壁的膨胀而产生压力增加的现象，一般为增加0.1~0.3MPa，以此可以判断冻结壁已经形成，同时通过卸压孔可以卸除冻结壁内的开挖土体在冻结过程中增加的压力，避免造成隧道变形等破坏。为保证监测孔全面反映冻结状况，布设的冻土帷幕测温孔和卸压孔须具代表性：
(1)在左、右线冻土帷幕的上、下、左、右四个方向布置共计8个测温孔，由于冻结管从一条隧道内呈放射状打设，冻结管末端间距较大，因此测温孔尽量布置在远端终孔间距较大处 。
(2)在拟开挖未冻结的核心土区域两侧各布置一个卸压孔，在对面隧道未冻区域上下各布置一个卸压孔;
3.4 积极冻结
就是指满足设计要求、具备开挖条件之前的冻结过程，注意每天溶液温度变化和气温变化，一般前7天温度下降明显，盐水(氯化钙溶液)温度从大气温度迅速降至-20℃左右，在-20℃度左右则会在短期时间内产生小幅波动，同时对泄压孔进行观察会发现压力表读数会上下波动，在开挖前达到0.3MPa(开挖前必须卸压)，这一阶段维持约7～8天，这表明，拟开挖的土体由于土量有限，热量交换已经趋于平衡，而外侧土体已经开始冻结并慢慢扩散，开始逐步形成冻结交圈，并对开挖土体产生附加压力。之后温度每天下降0.5℃～1.5℃，到-30℃左右基本稳定，可以进行开挖。
3.5 维护冻结及开挖构筑
维护冻结是指冻结帷幕形成、达到开挖构筑的条件后，适当提高盐水温度，保证安全开挖条件下的冻结过程。当判断冻土帷幕与隧道完全胶结后，要进行探孔检测，确认冻土帷幕内土层基本无压力后再进行正式开挖，开挖前准备足够的应急预案及抢险物资，正式开挖后，根据冻土帷幕的稳定性，可适当提高盐水温度，进入维护冻结，但盐水温度不应高于-22℃。
联络通道分上下两层，上层为通道，下层为泵房，开挖构筑也分层两步进行。工艺流程为：开挖通道→通道初衬(钢拱架、网喷砼)→防水层敷设→二衬(钢筋混凝土)→开挖泵房→泵房初衬(网喷砼)→防水层敷设→泵房二衬(钢筋混凝土)。
(1)为保证拆除钢管片后的隧道不变形，在拆除临时钢管片前，事先在左、右线隧道内临时钢管片两侧各安装安装两榀环向支架，消除开挖过程中永久管片的徐变，保证受力平衡，如图5所示：
(2)拆除临时钢管片之前，先将永久钢管片的接缝全部满焊，既能防止拆除时管片变形，又能防止接缝在施工中松动，导致漏水涌泥。还要设置一道安全屏蔽门，屏蔽门必须与永久钢管片满焊，保证其密封性良好，一旦临时钢管片拆除后，发现水土有涌出迹象，就需要迅速关闭安全门，进行加固和重新冻结，防止造成地面塌陷确保地面和地下安全。不过由于开挖土体在冻结壁厚度范围以外的非冻结区域，打开洞门以后必须首先钎探冻结壁的边沿位置与设计的偏差，并且用回弹仪粗测冻结壁的强度，如果能满足设计要求，则拟开挖土体产生缓慢变形属正常现象。
(3) 拆除临时钢管片时，用两个导链配合，10T导链作为主导链，2T导链作为辅助导链，将临时管片拉出，如图6所示。
(4) 临时钢管片拆除后，按照传统的矿山法完成开挖、钢拱架支护、网喷砼、施做防水、二衬、监测及背后注浆等工序。
3.6 停止冻结及融沉注浆
待通道结构施做完成后，再开挖通道底部的泵房，待泵房结构施工完成、二衬砼强度达到90%后即可全部停止冻结了。由于冷冻法施工土体受冻会膨胀，在融化中会沉降，要及时注浆，主要填充初衬和二衬之间不易筑满砼的拱部空隙，避免造成地面变形过大。
3.7施工中注意事项
(1)在盾构区间施工时，要认真进行管片的排列布置，严格控制第一环管片的位置，以免左右线联络通道的钢管片错位过大，导致通道的两端无法准确连接。
(2)盾构区间隧道左、右线掘进到联络通道里程的前后时，要对水土及时取样分析，为联络通道的施工提供更为准确的依据。
(3)冻结工序一旦开始后，中途不得停电，避免土体反复冻融，破坏了冻结土体中的热量传递路径，导致冻结效果不理想。
4施工效果
(1) 根据朗金土压力理论公式，联络通道顶部土压力仅为0.32MPa，隧道在掘进到通道部位时，土仓压力也仅用0.29MPa就达到了土压平衡;而沿开挖轮廓线一周对冻结壁进行回弹仪实测，计算出冻结壁的边缘强度达到6.5MPa，足以抵抗通道顶部和侧面的压力(设计为3MPa);
(2)开挖土体被冻结住，核心土体温度降到-1℃;沿开挖成型的轮廓一周向内约25cm范围的土体，存在明显的结霜现象，以此为冻结壁的内边沿，推算冻结壁的厚度最薄处2.4m，最厚处达到2.6m，远超出设计需要的1.2~1.6m;说明所用冷冻机组的功率完全能满足冻结施工的需要，实际操作中积极冻结时间过长，可适当缩短，原设计的35d左右满足开挖要求。
5 结束语
该法在天津地铁9号线某标段联络通道工程成功实施表明：冷冻法施工工艺对天津地区是比较适用的，施工过程中安全及质量完全可以得到保证。地铁盾构区间始发端及接受端的端头土体加固施工，由于受水文、地质及周边施工环境(如管线、建筑物等)制约，冻结法进行端头加固也具有很强的优越性。
参考文献：
(1)《地下铁道工程施工及验收规范·GB50299-1999》;
(2)《盾构法隧道工程施工及验收规范· DGJ08-233-1999》;
(3)《混凝土结构工程施工质量验收规范· GB50204-2002》;
(4)《地下防水工程施工及验收规范· GBJ208-83》;
(5)《煤矿井巷工程施工及验收规范·GBJ213-90》;
(6)《建井工程手册(1984)》。