张宇丰
（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京101100）
摘要：本文以某城际项目中的土建工程为主要研究对象，详细阐述了冻结法施工的关键技术环节及其在工程实践中的应用效果。为深入了解冻结法施工对联络通道及周围环境的影响，构建了三维数值模型，通过模型假设与施工过程模拟，分析了冻结帷幕的形成过程、冻土的物理力学性质变化以及开挖过程中隧道管片的受力状态。此外，在施工过程中及完工后，进行了地表沉降、墙顶变形及地下水位等多方面的监测，以全面评估冻结法施工的效果。结果分析表明：采用冻结法施工的联络通道开挖对隧道管片的影响较小，冻结帷幕具有较高的强度和良好的稳定性，能够有效抵抗土压力和水压力，确保施工安全。
0引言
为保证城际铁路在运营过程中的安全与稳定，需要将相邻的两个隧道连接，该连接部位被称为联络通道。联络通道，即城际铁路建设过程中的一个重要组成部分，更是城市交通建设项目必不可少的一个环节。联络通道主要负责城际铁路之间的连接和交流，使其更好地服务于人们日常的生产与生活。城际铁路联络通道实则是一条地下的通道，其目的是为城际铁路能够提供一个快速且方便的连接通道，有效缩短城市间的交通距离，进而保证城际铁路的安全运行和顺畅。近年来，随着冻结法施工工艺技术的愈加成熟，其在城际铁路工程中得到了广泛的应用。冻结法施工是一种借助物理技术连接隧道的方法，具有施工周期短、成本低、噪声小及对周边环境污染低等特点。因此，该施工工艺在城际铁路中的应用愈加广泛，特别是在含水且松软的地层中具有其他施工工艺不可替代的优势。
1案例概况
本文以广州东至花都天贵城际项目中的七工区土建工程为例，该工区包含一站一区间，具体为凤凰南路站（含人防工程）、凤凰南路站-马鞍山公园站盾构区间（含凤马区间盾构井）土建工程。其中凤凰南路站位于凤凰南路与永利路交叉口，呈南北方向敷设，车站为明挖地下两层单柱双跨岛式站台车站，外包总长约515m，标准段宽度约23.7m，车站中心里程处顶板覆土约3m，基坑深20.3m。总建筑面积30 117.32m²（其中主体建筑面积25 130.49m²，附属建筑面积4 986.83m²）。共设置5个出入口及3组风亭。凤凰南路站-马鞍山公园站盾构区间，左线长4 111.446m，右线长4 109.786m；隧道埋深12.0m～29.3m；区间正线设置9个联络通道，其中2#，7#联络通道兼做废水泵房。根据设计图纸，需要于新街河北侧、凤凰南路东侧设置一处盾构井，外包总长约60m，标准段和端头井的宽度分别为32.8m，26.7m，基坑深35.97m。
为保证掌子面土体在开挖过程中的稳定，需要在横通道掌子面的位置设置6根规格相同的注浆小导管，可降低掌子面土体塌落的风险。对于1#，2#和4#联络通道，地处软弱底层，需冻结后再进行暗挖施工；3#，5#和6#联络通道处于微风化层石灰岩地层，采取洞内保留注浆加固措施，加固范围为隧道周边2m；7#联络通道处于5C-1B粉质粘土（岩土力学参数见表1）、微风化石灰岩，设计阶段采取洞内注浆加固措施，加固范围为隧道周边2m；此联络通道开挖范围上部约1m为5C-1B残积层粉质粘土，注浆加固措施不足，开挖存在安全风险，需进一步与设计部门沟通以确定其他措施；8#，9#联络通道处于强风化层，采取洞内注浆加固措施后，可进行暗挖施工。
2冻结法施工工艺
冻结法是城际铁路盾构联络通道中一种常见的施工工艺，该工艺首先通过冻结周围土体，形成一个整体，然后使用相应的工具进行挖掘，在此过程中，冻结土层能够有效支撑并为地下工程提供一个可靠保护。冻结法施工具有安全可靠、振动小、噪声小、开挖面积大及施工效率高等特点，主要步骤包括冻结器的安装、冻结土温度的控制及开挖过程中土体的处理[1]。
2.1冻结器安装
冻结器的安装是城际铁路工程中盾构联络通道施工的第一步，用以实施冻结施工工艺。安装方法有两种：即直接安装和间接安装。其中，直接安装是将冻结器直接安装在地下，使其在地下土体中能够产生足够的低温来冻结土体。间接安装是先铺设一种特殊的防水材料于地下土体中，并注入冷却剂进行人工制冷，从而冻结需要开挖的土体。
2.2冻结土温度控制
在应用冻结法施工前，需要对挖掘的土体进行冷冻，因此，冻结温度的控制显得尤为重要。通常情况下，需要冻结土体的温度必须低于0℃，以确保土体完全冻结[2]。
2.3开挖过程中土体处理
冻结施工的另一个重要的环节是对已经冻结的土体进行处理，在开挖过程中，需要同时对土体进行移动和挖掘，确保彻底清理。在移动和挖掘土体的过程中，还需密切监测其状态，以确保质量控制和人员安全。
3联络通道数值模拟
3.1模型构建
联络通道数值模拟的模型构建需要以原工程地质地形条件资料为理论依据，将工程项目的CAD图导入Rhino软件中进行建模。根据圣维南原理，只有所构建的模型选取足够大,才能保证边界开挖时不受扰动的影响。数值模型范围：沿着隧道轴线方向83m，高程65m，垂直隧道轴线135m，采用Kubrix共划分124061个网络单元格，包括23061个节点，模型坐标原点位于（0，0，0）点，即沿隧道轴线方向X轴（水平轴）、Z轴（垂直隧道向上轴）、Y轴（垂直隧道轴线向内垂直轴），构建的模型表面为自由面，模型的前、后、左、右面设定为固定边界，在模型的底面施加竖向法进行约束。在联络通道开挖过程中，为了准确测得周围动土帷幕的变形情况，需要在Z轴方向拱顶位置设置5个不同的监测点来监测拱顶的沉降和隆起，并在X轴方向两侧也各设置5个不同的监测点来监测其周边的收敛变形。因此，在模型的构建时需要在以上相同的位置设置监测点。
3.2模型假设
为了便于施工模拟和关键问题的发现，同时又不影响模拟结果，需要在模型中进行以下假设。①不考虑水泵房对联络通道和隧道的影响，在模拟过程中拓宽下部冻结壁的宽度；②在本项目中，由于冻土和未冻结的土均属于弹塑性材料，且该弹塑性材料符合Mohr-Coulomb的破坏准则，对于联络通道内需要加固的土体、钢筋混凝土支护结构也均为弹塑性材料；③冻土和未冻结的土均为各向同性体，冻土帷幕预计厚度为2.5m；④根据冻土试验结果：-10°的冻土帷幕的抗压强度为5.0MPa，抗拉强度为2.5MPa，抗剪强度为2.1MPa；⑤假定联络通道在开挖前的地层处于初始平衡的状态下，即在隧道开挖完成后，需要将所有的位移和速度清零，最终得到的结果是隧道在开挖后冻土的受力和变形状态。
3.3施工过程模拟
1）区间正线设置9个联络通道全部采用冻结法施工，施工过程中共需要3个循环，单个循环的进尺为3m。
2）联络通道毛洞应力释放率为30%，初期支护后的应力释放率为70%。
3）进入下一个循环，单个循环的具体过程：上台阶开挖3m，应力释放30%，初喷混凝土时一起安装钢拱架，应力释放率为70%；下台阶开挖3m，应力释放率为30%，初喷混凝土时一起安装钢拱架，应力释放率为70%。
4施工期间和竣工后的监测工作
4.1地表沉降监测
1）根据设计要求，在基坑周边2m～3m范围选择具有代表性位置，设置与基坑边线垂直的横向监测断面，每侧至少布设两排，排距为3m～8m，第一排距基坑边距不宜大于2m，每排测点间距为10m～20m，车站周边共布设117个测点。
2）作业过程中严格遵守规范。每次观测由固定测量人员、固定仪器按相同的观测路线进行，观测记录精确至0.01mm，计算结果均精确至0.01mm。
4.2墙顶监测
1）墙顶水平、竖向位移监测点宜为共用点，采用Φ12mm螺纹钢，顶部安置专用棱镜，螺纹钢预埋在墙顶梁上或制作简易的观测墩，以便于土钉墙散水。桩顶位移监测点埋设如图1所示。
2）采用闭合水准路线，将各监测点以支线形式纳入其中施工监测。沉降观测的精度指标：环线闭合差为±0.6mm，每站高差中误差为±0.3mm，视线高≥0.3m。每次观测时，必须对三个工作基点测设一条闭合线路，以保证有必要的检核条件，减少测量误差的发生。其闭合差为±1.0mm，监测点相对基准点高差中误差≤0.5mm，视线高≥0.3m。每次观测时，必须按附合水准路线至少联测两个水准基点，以保证测量数据的准确性。
4.3地下水位观测
1）坑外地下水位观测孔采用Φ50mmPVC管材料，采用钻孔法埋设。钻机成孔至设计深度后清孔。一般深度在20m左右。
2）水位孔底部以上2m处安放PVC透水管，在其外侧用滤网包好（滤网段一般≥2m）。然后逐节将水位管插入孔内至设计深度。在透水管的深度范围内回填黄沙，保持良好的透水性，其他段采用回填土或泥球将空隙填实。
5结果分析
5.1联络通道开挖对隧道管片带来的影响
1）在隧道联络通道施工过程中需要拆除区间内的少部分管片，然而，拆除后管片容易导致盾构变形，并最终对其产生严重影响。同时，联络通道内土体的开挖也必然会重新分布周围应力，从而对管片造成一定的影响。
2）联络通道在开挖后，会造成少部分的管片处于受拉状态，且这一受拉状态主要集中在开口环的对侧，剪应力则集中在管片的两侧，最大正剪应力集中在开口环的位置。
3）联络通道的开挖对隧道内管片的稳定性会产生一定影响，导致冻结土与管片接触部位应力集中，也是施工过程中最为薄弱的环节。因此，联络通道在开挖过程中应加强对开口位置管片的变形监测，以及联络通道洞口处管片的加固，防止管片在开挖过程中造成的破坏。
5.2冻结帷幕的强度与变形分析
1）在冻结帷幕完全封闭的施工区域内，为了监测并控制因冻结过程及后续开挖作业可能产生的压力变化，需要在预设的泄压孔（或称减压孔）位置安装一个压力表。通过压力表观察冻结帷幕的变化情况，根据观察情况，判断冻结帷幕的形成和冻胀压力。
2）帷幕冻结过程中，根据压力表上的数据判断冻结帷幕是否达到设计的厚度，检查其与隧道的胶结情况，如果冻结帷幕与隧道完全连接在一起后，即可进入维护冻结阶段，冻结期间的温度应严格控制在-25℃～-28℃，冻结时间应根据帷幕的实际情况进行确定。
3）仔细分析测温孔和测压孔内的数据，判断帷幕是否达到设计要求的厚度，并经过探孔确认后方可进一步开挖。
4）考虑到施工现场环境的复杂性，采用冻结法施工工艺可满足工程项目的实际需求。
6联络通道冻结法施工
在工程中的应用基于上述数值模拟和施工现场的数据，根据冻结帷幕的应力分布状态、变形情况及联络通道在开挖过程中对管片造成的影响，冻结施工工艺在本工程项目中的应用需要注意以下问题。
本工程项目采用冻结法施工工艺，由于联络通道的周边已经冻结，冻结管道需要从联络通道的一侧沿着中间位置打设，可准确了解数值模拟中冻结管道的布置情况，冻结管道布设完毕后，需及时布置测温孔和测压孔，以消除管片的应力情况。隧道内的管片在拆除前，需要在隧道内取适当的土体进行物理学参数试验，以确定隧道土体的强度，如果土体的强度达到设计要求强度的80%，方可拆除管片。待所有的管片拆除后，对隧道的洞门使用双排小导管进行加固，然后，沿着隧道的走向进行探孔，探孔的深度为2 m即可，探孔过程中根据小导管的出水情况，判断隧道洞口加固效果，如果加固效果良好且不出现异常情况方可继续加固。在此过程中，由于隧道的右线需要挖掘，因此在管片拆除和联络通道施工完成后，对隧道左线的管片进行拆除。之前需确定拆除范围，并准备拆除时需要的工具和材料。在进行拆除时，应先将上部的管片全部拆除，待此步骤完成后，方可进行开口施工[3]。
7结语
综上所述，本文通过对城际铁路工程中盾构联络通道冻结法施工工艺的深入探讨，系统地阐述了该工艺的基本原理、施工流程、关键技术措施及其在实际工程中的应用效果。冻结法作为一种高效、可靠的地层加固技术，在软土地区及地下水丰富的地下工程中展现出了显著的优势。在盾构联络通道施工中，冻结法通过向地层中输送低温冷媒，形成连续的冻土帷幕，有效切断了地下水对开挖面的影响，显著提高了土体的强度和稳定性，为后续的开挖作业提供了坚实的保障。
转载文献来源：中国知网-北方建筑
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