CN101463724A - 双排孔水平冻结法连接通道的施工方法 - Google Patents

Abstract

一种双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其包括确定冻结参数、布置和钻打冻结孔、安装并运行冻结系统、施工开挖连接通道、施工监测监控以及与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆；该方法在自然解冻的同时，采用热盐水在冻结孔内循环，分区强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，通过预埋的注浆管进行融沉注浆，注浆部位的顺序同样为由下至上；冻结孔分内、外两排孔布置，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧打孔的方式；连接通道采用动态开挖方式，即两主隧道的推进施工同时照常进行。本发明有效地控制了开挖过程中洞口的稳定和连接通道及两主隧道的沉降，具有安全性高、节约工期的优点，适用于各类软土层连接通道的冻结施工。

Description

双排孔水平冻结法连接通道的施工方法

技术领域：

本发明涉及的是用于地下隧道及其连接通道的冻结法施工方法，特别涉及一种双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，属于建筑工程技术领域。

背景技术：

冻结法施工是利用人工制冷技术使地层中的水结成冰，把天然土变成冻土，从而增加其强度和稳定性，隔绝地下水与地下结构的联系，以便在冻结帷幕的保护下进行开挖施工的一种特殊施工方法。十九世纪六十年代，冻结法首先应用于英国南威尔士的建筑基础工程。1883年，德国工程师波茨舒(P.H.Potsch)在阿尔巴里的煤矿采用冻结法成功施工了103m深的井筒，并获得了冻结技术专利，引起全世界的关注，从此世界各国都广泛地应用冻结技术，促进了冻结技术的发展。冻结法在我国起步较晚，但发展速度却很快，我国自1955年开滦矿区首先应用冻结法凿井以来，冻结法已发展成为我国工程领域通过不稳定冲积层和裂隙含水层的主要施工方法。

经对现有技术的公开文献检索发现，与本发明有关的主要有杨国祥、丁光莹等人的中国发明专利《软土层水平冻结法连接通道的施工方法》；丁光莹等人撰写的文章《大连路隧道江底联络通道冻结施工技术》，收录于《地下工程与隧道》2003年第3期第30～34页；胡向东、陈蕊撰写的文章《双层越江隧道联络通道冻结法施工技术》收录于《低温建筑技术》2006年第5期第64～66页。在上述专利《软土层水平冻结法连接通道的施工方法》(专利申请号为200410067138.x)中，详细阐述了软土层水平冻结法连接通道的施工方法，具体内容为：确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻土墙平均温度和冻土强度；设计布置冻结孔，同时冻结孔布置应根据管片配筋图微调，冻结孔偏斜控制孔径向外的偏角在0.5°～1.0°范围；计算冻结冷量，根据冷量需要每台机组的制冷量达8.6×104kcal/h；先开挖隧道喇叭口导洞，再开挖中间段，然后开挖对侧隧道喇叭口导洞，中间段结构层施工完毕后，再刷扩两端喇叭口，开挖步距为0.3m或0.5m；实施全过程对水平冻结孔施工、冻结系统、冻结壁、圆隧道结构变化和支护结构等各个阶段和系统进行监测，并将监测数据及时反馈以指导施工。《大连路隧道江底联络通道冻结施工技术》文章是专利所结合的工程介绍。文章《双层越江隧道联络通道冻结法施工技术》主要阐述了在复兴东路双层越江隧道中进行水平冻结法连接隧道的施工，该联络通道结构偏心、隧道空间有限、冻结管布置复杂，水平、长斜孔和南北线隧道通孔钻进，钻孔精度要求高，施工困难，部分施工技术缺乏足够经验。

上述冻结施工方法目前虽然广泛应用于各类通过不稳定冲积层和裂隙含水层的隧道施工中，但是存在下列不足：(1)冻结孔是采用单排孔或是长短结合的双排孔，大体积冻结时效率低、时间长；(2)上述冻结方案在完成主隧道施工之后进行连接通道的施工，因而工期漫长；(3)对结构完成后的冻结帷幕一般采用自然解冻，因而无法有效控制隧道和连接通道的沉降。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种安全可靠的软土层双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其合理地布置冻结孔，以提高冻结效率，有效地控制开挖过程中洞口的稳定，并且采取系统的与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆措施，以控制连接通道和隧道的沉降，同时采用连接通道开挖与隧道推进施工同时进行的动态开挖方式，以缩短施工周期。

本发明解决上述问题所采取的技术方案如下：

一种双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，包括确定冻结参数、布置和钻打冻结孔、安装并运行冻结系统、施工开挖连接通道和施工监测监控，其特征在于：该施工方法还包括有与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆，其在自然解冻的同时，采用热盐水在冻结孔内循环，分区强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，通过预埋的注浆管进行融沉注浆，注浆部位的顺序同样为由下至上；所述冻结孔分内、外两排孔布置，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧打孔的方式；所述开挖连接通道的施工采用动态开挖方式，即两主隧道的推进施工同时照常进行。

本发明所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其依次包括如下具体步骤：

(1)确定冻结法施工参数

根据实际工况，确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻结帷幕平均温度、冻结帷幕强度和厚度：

①冻结盐水温度：积极冻结期：不高于-30℃，维护冻结期：-20～-25℃；

②冻结帷幕平均温度：-8～-15℃；

③冻结帷幕强度：δ_压＝4.95MPa，δ_拉弯＝2.7MPa，δ_剪＝2.4MPa；

④冻结帷幕厚度：连接通道正常段2.4m，连接通道喇叭口段2.1m。

(2)布置和钻打冻结孔

根据连接通道平面尺寸和结构受力特征布置冻结孔，该冻结孔布置分内、外两排孔，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧的打孔方式，冻结孔布置根据管片配筋状况进行微调以避开主筋，然后采用钻机进行冻结孔的施工；冻结孔打孔是利用冻结管作钻杆，采用跟管钻进，该冻结管为低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接、接缝补焊，钻进过程中严格监测、及时纠偏，确保最大允许偏斜150mm；钻进结束后进行打压试漏，合格者在冻结管内下供液管；连接通道中还布置有多个测温孔和泄压孔。

(3)安装并运行冻结系统

在靠近连接通道的位置安装包括冻结站、冷冻机组、冷冻板、冻结管路和冷却水管路在内的冻结系统，根据冷量需要选择冷冻机组，采用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，在冷冻机组、冻结管路以及连接通道两侧管片处采取保温措施；冻结系统安装调试正常后，依次进入连接通道开挖前的积极冻结期和开挖后的维护冻结期，在积极冻结过程中，定时监测盐水温度、盐水流量和冻结帷幕扩展情况，监测频率每2小时一次。

(4)动态施工开挖连接通道

通过实测和计算得出冻结帷幕各层面、各部位的厚度和平均温度，若已满足开挖条件，即进行连接通道的开挖施工，连接通道采用矿山法进行暗挖施工，在其开挖的同时，由其连通的两条主隧道的推进施工照常进行，连接通道的挖掘砌进采取分区方式进行，首先进行冻结站侧喇叭口导硐，然后开挖通道部分到设计尺寸，最后刷两端喇叭口，连接通道正常段的开挖步距为0.6m～0.8m，两端喇叭口段的开挖步距为0.6m；开挖支护方式采用临时支护和永久支护两次支护，临时支护采用钢支架和木背板加喷射混凝土结构，永久支护采用现浇钢筋混凝土结构。

(5)与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆

在自然解冻的同时进行主动人工强制解冻，采用热盐水在冻结孔内循环，分区进行强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，即先解冻下部冻土，再解冻中部冻土，最后解冻上部冻土；融沉注浆通过预埋的注浆管进行，采用常温清水冲孔方式延长注浆管至冻结帷幕外侧，注浆部位的顺序同样为由下至上，即先通道底板，再通道两侧，最后通道顶板；所述融沉注浆使用的注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液浆为铺，注浆压力不超过0.5MPa；融沉注浆配合强制解冻进行，当95％以上的测温点达到0℃以上时结束强制解冻，强制解冻结束后若实测数据趋于稳定，即可停止融沉注浆。

(6)施工监测监控

施工全过程对冻结系统、冻结帷幕、连接通道结构内外力、隧道结构冻胀力和隧道结构变形诸状态进行实时监测，并及时反馈监测数据以指导施工。

与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，其冻结孔采用双排孔布置且均为长孔，因此能够形成厚度均匀、强度足够的冻结帷幕，从而提高了冻结效率，有效地控制开挖过程中洞口的稳定，保证了施工的安全和工程结构的稳定，同时在此前提下，本发明采取了连接通道开挖与主隧道推进施工同时进行的动态开挖方式，从而大大缩短了施工周期；此外，本发明所述双排孔水平冻结法连接通道的施工方法采取了与自然解冻相结合的主动人工强制解冻方式对冻结帷幕进行解冻，这和与之同时配合进行的融沉注浆一起，形成了完整系统的人工掌控的解冻和控沉降措施，从而有效地控制了连接通道及其连接的两主隧道的沉降，达到了确保工程质量和减少工程对周边建筑的影响的效果，本发明适用于各类软土层连接通道的冻结施工。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述双排孔水平冻结法连接通道的施工方法适用于各类软土层中相邻隧道之间连接通道的冻结法施工，其包括确定冻结参数、布置和钻打冻结孔、安装并运行冻结系统、施工开挖连接通道和施工监测监控等内容，与现有技术不同的是：该施工方法还包括有与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆步骤，其在自然解冻的同时，采用热盐水在冻结孔内循环，分区强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，通过预埋的注浆管进行融沉注浆，注浆部位的顺序同样为由下至上；所述冻结孔分内、外两排孔布置，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧打孔的方式；所述开挖连接通道的施工采用动态开挖方式，即两主隧道的推进施工同时照常进行。

所述双排孔水平冻结法连接通道的施工方法的具体步骤和操作内容如下：

(1)确定冻结法施工参数

根据实际工况，确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻结帷幕平均温度、冻结帷幕强度和厚度。

在砂性土中冻结法施工参数采取如下指标：

①冻结盐水温度：积极冻结期(40天)：不高于-30℃，

维护冻结期(25天)：-20～-25℃；

②冻结帷幕平均温度：-8～-15℃；

③冻结帷幕强度：δ压＝4.95MPa，δ拉弯＝2.7MPa，δ剪＝2.4MPa；

④冻结帷幕厚度：根据弹性理论或有限元法确定连接通道正常段2.4m，连接通道喇叭口段2.1m，并校核强度安全系数。

(2)布置和钻打冻结孔

根据连接通道平面尺寸和结构受力特征设计布置冻结孔，该冻结孔布置分内、外两排孔，孔长度均以碰到对侧管片为准，采取两侧的打孔方式，同时为确保管片主要受力体系不被破坏，冻结孔的布置应根据管片配筋状况进行微调，以避开主筋。孔口管在制作管片时已预埋完毕，施工时根据需要可重新设置孔口管。连接通道中还布置有多个测温孔和泄压孔，以监测冻结帷幕范围不同部位的温度变化状况和适时进行泄压。本实施例中，冻结孔数量为：内排孔22个，外排孔18个；卸压孔4个，每侧各2个；测温孔15个。

一般选择φ108mm×8mm、φ95mm×8mm或φ89mm×8mm的20#低碳钢无缝钢管作为冻结管，冻结管采用丝扣连接，接缝要补焊，以确保其同心度、联接强度和密封性能。采用钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机进行冻结孔的施工。冻结孔打孔是利用冻结管作钻杆，采用跟管钻进，钻进过程中严格监测冻结孔的偏斜情况，一旦发现偏斜要及时纠偏，要确保冻结孔的偏斜(冻结孔成孔轴线与设计轴线之间的距离)不超过最大允许偏斜150mm；此外还要满足冻结孔内排孔最大允许间距为1500mm，外排孔最大允许间距为1900mm。钻进结束后进行打压试漏，压力控制在0.8MPa，保持30分钟后压力下降不超过0.05MPa，再稳定15分钟压力无变化者为试压合格。合格者在冻结管内下供液管。

(3)安装并运行冻结系统

冻结系统的位置靠近连接通道，其包括冻结站、冷冻机组、冷冻板、冻结管路和冷却水管路。冻结站设置在区间隧道内，靠近连接通道位置，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。根据冻结冷量需要计算选择冷冻机组，盐水系统选用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，冷却水循环系统通过冷却塔对回水进行冷却并循环使用。管路用法兰连接，冻结管路和冷却水管路上设置有阀门和测温仪、压力表等测试组件。在冻结站对侧隧道的冻结管端部区域布置冷冻板。

冻结管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，保温厚度不小于30mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎；冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温；盐水箱和冻结管路用50mm厚的保温板或棉絮保温；由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，为加强冻结帷幕与管片胶结，连接通道两侧管片的表面也采取保温措施，保温范围至冻结帷幕边界外2米。

冻结系统安装完毕后进行调试和试运转，使之在工艺规程和设备要求的技术参数条件下正常运行，随后冻结系统运转进入连接通道开挖前的积极冻结期，对土层进行冻结以便在施工区域形成冻结帷幕。在积极冻结过程中，定时监测盐水温度、盐水流量和冻结帷幕扩展情况，监测频率每2个小时一次。连接通道正式开挖后冻结系统运转进入维护冻结期，为确保冻结帷幕的稳定性，开挖时盐水温度不得高于-22℃，去回路盐水的温差小于2℃。

(4)动态施工开挖连接通道

根据测温孔的实测数据，计算出在该冻结时间下的冻土发展半径，从而得出冻结帷幕厚度，再据此用公式法或作图法得出冻结帷幕各个层面、各个部位的厚度和平均温度，若均达到下表1所列要求，即已满足开挖条件，就可进行连接通道的开挖施工。

开挖前安装安全门并确保安全门的密闭效果。正式开挖前必须进行探孔检查，探孔打在冻结帷幕的薄弱处，若探孔处无涌砂突水现象，则表明地层稳定、冻结帷幕正常，加之测温效果良好，即可打开钢管片进行正式开挖。

连接通道的开挖在其连通的两条主隧道照常推进施工的条件下同时进行，这是首次实现连接通道的动态开挖方式。

表1 开挖前应具备的基本条件

连接通道的开挖采用矿山法进行暗挖施工，根据工程结构特点，连接通道的挖掘砌进采取分区方式进行。为确保施工安全，开挖时先进行冻结站侧喇叭口导硐，然后开挖通道部分到设计尺寸，最后刷两端喇叭口。由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖时可以采用全断面一次开挖(上部通道除喇叭口处侧墙和拱顶外)，连接通道正常段开挖步距为0.6m～0.8m，两端喇叭口段处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距为0.6m。

开挖支护方式采用两次支护。第一次支护为临时支护，其采用4组H250×250mm型圆弧状钢支架组成圆形临时支架和木背板加喷射混凝土的结构进行支护，支架间距为0.6～0.8m，为增加支架的稳定性，相临两排支架间用支撑杆相互连接，所有支架间的冻土体全用木板背实背紧，少量空隙用水泥砂浆充填严实，最后用挂网喷射混凝土。第二次支护为永久支护，其采用现浇钢筋混凝土结构。

(5)与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆

当连接通道主体结构混凝土的强度达到75％以上之后，即可进行对冻结帷幕的解冻和融沉注浆，解冻采取自然解冻与主动人工强制解冻相结合的方式。在自然解冻的同时，强制解冻采用热盐水在冻结孔内循环，分区进行强制解冻冻土。解冻部位的顺序为由下至上，即先解冻下部冻土，再解冻中部冻土，最后解冻上部冻土。采取这样的解冻顺序的原因是，当解冻下部冻土时，由于中部和上部冻土还维持在较低的温度，因而冻土帷幕与浇注好的通道结构层和隧道管片一起共同承受着上覆水土压力。

根据监测系统监测的土体温度、沉降变化情况，利用浅部注浆管和深部注浆管进行压密注浆。融沉注浆通过预埋的注浆管进行，注浆顺序和解冻顺序一致，同样为由下至上，即注浆部位的顺序为先通道底板，再通道两侧，最后通道顶板。融沉注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液浆为铺；注浆压力不超过0.5MPa，具体要根据隧道变形监测情况做适当调整。

当连接通道一天内的沉降大于0.5mm，或累计沉降大于1.0mm时，则进行融沉补偿注浆；当连接通道隆起达到2.0mm时则暂停注浆；融沉注浆是否结束以隧道变形稳定为依据。融沉注浆与强制解冻配合进行，当95％以上的测温点达到0℃以上时结束强制解冻，强制解冻结束后若实测数据趋于稳定，即可停止融沉注浆。

(6)施工监测监控

为确保软土层水平冻结法连接通道能够安全、优质地完成施工，连接通道的施工监测采用地下工程冻结法信息化施工监控系统，对冻结系统、冻结帷幕、连接通道结构内外力、隧道结构冻胀力和隧道结构变形诸状态进行全过程的实时监测，并及时反馈监测数据以指导施工。

以下提供2个采用本发明所述双排孔水平冻结法连接通道的施工方法进行施工的具体实施例。

某越江双向隧道之间设有八条连接通道，均位于江底，每两条连接通道之间相距约830m。

具体实施例连接通道(二)：

连接通道(二)净距15.199m，隧道间高差0.017m，其施工过程如下：

(1)确定冻结法施工参数

①冻结盐水温度：积极冻结期：不高于-30℃，

维护冻结期：-20℃～-25℃；

②冻结帷幕平均温度：-8℃～-15℃；

③冻结帷幕强度：δ_压＝4.95MPa；δ_拉弯＝2.7MPa；δ_剪＝2.4MPa；

④冻结帷幕厚度：连接通道正常段2.4m，连接通道喇叭口段2.1m。

(2)冻结孔布置

①冻结孔主要参数

冻结孔间距：根据连接通道平面尺寸和受力特征以及避开管片主筋的原则布置冻结孔，冻结孔布置分内、外两排孔，内排冻结孔间距小于1500m，外排冻结孔间距小于1900m，孔长度均以碰到对侧管片为准，采取两侧的打孔方式。

冻结孔偏斜控制：冻结孔原则上不允许内偏，为减少冻土挖掘量，控制冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间距离的最大偏斜在150mm以内。

②冻结孔位置和数量

冻结孔数：连接通道(二)：东线隧道内圈孔14个；西线隧道外圈孔22个。

③冻结管规格

根据施工工艺，冻结管采用

低碳钢无缝钢管。

④冻结孔施工设备

鉴于该通道段地质条件和施工特点，采用水平钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机进行冻结孔的钻打施工。

⑤测温孔与卸压孔布置

连接通道布置9个测温孔，东线布设7个，西线布设2个，其目的是测量冻结帷幕范围内不同部位的温度变化状况，以便采用相应综合控制措施，确保施工的安全；卸压孔布置4个，两侧各布置2个。

(3)冻结孔施工

①用经纬仪测量放点，测出所有冻结孔的中轴线在隧道管片上的前后点，并用红漆标记；采用水准仪来测量水平高差及仰俯角，经纬仪来测量方位角及实际孔位。

②利用冻结管作钻杆，采用跟管钻进，冻结管采用丝扣连接、接缝补焊，确保其同心度、联接强度和密封性能。

③钻进过程中严格监测冻结孔偏斜情况，发现偏斜要及时纠偏。钻进完毕后，进行冻结管长度的复测，然后再用水平测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在0.65MPa，稳定30分钟后压力下降不超过0.05MPa者为试压合格。

④试压合格后在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

(4)冻结站设备参数

①制冷设备

根据连接通道现场冷量需要情况，采用2台W-YSLGF300II冷冻机组，积极冻结期间2台同时运转，维护冻结期一台运转，一台备用。当盐水温度在-30℃、冷却水温度28℃时，单台W-YSLGF300II冷冻机组制冷量可达8.6×10⁴kcal/h。

②盐水系统

选用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，溶液重度控制在1260kg/m³左右，溶液的凝固点为-38.6℃。

为确保盐水循环系统工作正常，配备2台盐水泵，该盐水泵型号为IS200-125-315A，其电机功率30kw，总流量400m³/h。

③冷却水循环系统

根据安装冷冻机组和制冷量要求，连接通道冻结冷却水循环量约200m³/h，冷却水进水温度为27～30℃，回水温度为31～34℃；为节约用水，安装2台50m³的KST-80型冷却塔，对回水进行冷却，保证循环水利用率80％，新鲜水补充量为15m³/h。

④其它

冷冻机油：N46冷冻机油；

制冷剂：氟立昂F-22制冷剂。

(5)冻结系统安装

①冻结站布置与设备安装

将冻结站设置在隧道内，占地面积约80m²，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

②管路连接、保温与测试仪表

管路用法兰连接，在冻结管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件，每根冻结管的进出口各安装阀门1个以便控制流量；在冻结站对侧隧道的冻结管端部区域布置冷冻板。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和冻结管干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温；冻结管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，保温厚度不小于30mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎；由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，为加强冻结帷幕与管片胶结，连接通道两侧管片的表面也采取保温措施，保温范围至冻结帷幕边界外2米。

③溶解CaCl₂和冷冻机组充氟加油

盐水(CaCl₂溶液)比重为1.26，先在盐水箱内充满清水，溶解CaCl₂，再送入冻结管干管内，直至盐水系统充满为止，溶解CaCl₂时要除去杂质。

冷冻机组充氟和加油按照设备使用说明书的要求进行，首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

(6)运行冻结系统，进行积极冻结与维护冻结

①冻结系统试运转与积极冻结

冻结系统安装完毕后进行调试和试运转；在试运转时，随时调节压力、温度等各状态参数，使冷冻机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。冻结系统运转正常后进入积极冻结期，在积极冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻结帷幕扩展情况，监测频率每2个小时一次。

②试挖与维护冻结

在积极冻结过程中，根据实测温度数据判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度，当冻结帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻结帷幕内土层基本无压力后进行正式开挖。正式开挖后，根据冻结帷幕的稳定性，进入维护冻结期，此时适当提高盐水温度，但不得高于-22℃。

(7)连接通道动态开挖与构筑施工

①安装安全应急门

安全应急门是考虑连接通道开挖构筑期间，当冻结帷幕发生大量砂、水涌出或位移变形超值，而其它抢救措施无效的情况下，为确保隧道安全而使用的；安全应急门达到牢固可靠、门扇启闭方便的要求。

②连接通道动态开挖

正式开挖前进行探孔检查，探孔打在冻结帷幕的薄弱处，若探孔处无涌砂突水现象，则表明地层稳定、冻结帷幕正常，加之测温效果良好，则随后打开钢管片正式开挖；根据工程结构特点，连接通道开挖采用矿山法进行暗挖施工，掘进采取分区分层方式进行；连接通道开挖的同时，其连通的两条主隧道仍然继续照常推进施工。

开挖时先进行冻结站侧喇叭口导硐，然后开挖通道部分到设计尺寸，最后刷两端喇叭口；由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖采用全断面一次开挖(上部通道除喇叭口处侧墙和拱顶外)，连接通道正常段开挖步距为0.6m～0.8m，两端喇叭口段处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距为0.6m。

③临时支护

连接通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中应力的重新分布，这种重新分布的应力使冻结帷幕产生蠕变从而引起冻结管变形；为控制变形的发展，冻土开挖后及时对冻结帷幕进行支护，临时支护既起到维护地层稳定、确保施工安全的作用，又能作为永久支护的一部分。临时支护采用4组H250×250mm型圆弧状钢支架组成圆形临时支架和木背板加喷射混凝土结构，支架间距为0.6～0.8m，为增加支架的稳定性，相邻两排支架间必须用支撑杆相互连接；所有支架间的冻土体全用木板背实背紧，少量空隙用水泥砂浆充填严实，最后用挂网喷射混凝土。

④防水层施工

根据本工程的特点和出自开挖构筑安全的考虑，采用内防水施工，即在临时支护完成后在其表面铺设防水层，防水层选用水泥基防水涂料；在铺设防水层时，混凝土结构表面要清理干净，达到无渗水、油污等，防水层施工前选用聚胺脂等注浆材料对渗水点进行注浆堵漏。

⑤永久支护

永久支护为钢筋混凝土结构，为减少混凝土施工接缝，混凝土浇筑采用分段浇筑的施工方式，必要时用硬管输送混凝土，或采用外部震捣(即用附着式振动器震捣)，以提高工作效率，确保砌筑质量；砼浇筑连续浇筑，如因特殊原因不能连续浇灌时，在接茬部位凿成毛面，以确保混凝土的粘接性；砼结构强度达到100％设计强度时进行拆模。

(8)与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆

当连接通道主体结构混凝土的强度达到75％以上之后，即可进行对冻结帷幕的解冻和融沉注浆，解冻采取自然解冻与主动人工强制解冻相结合的方式。在自然解冻的同时，强制解冻采用热盐水在冻结孔内循环，分区进行强制解冻冻土。解冻部位的顺序为由下至上，即先解冻下部冻土，再解冻中部冻土，最后解冻上部冻土。这是因为当解冻下部冻土时，由于中部和上部冻土还维持在较低的温度，因而冻土帷幕与浇注好的通道结构层和隧道管片能够一起共同承受着上覆水土压力。

根据监测系统监测的土体温度、沉降变化情况，利用浅部注浆管和深部注浆管进行压密注浆。融沉注浆通过预埋的注浆管进行，注浆顺序和解冻顺序一致，同样为由下至上，即注浆部位的顺序为先通道底板，再通道两侧，最后通道顶板。融沉注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液浆为铺；注浆压力不超过0.5MPa，具体要根据隧道变形监测情况做适当调整。

当连接通道一天内的沉降大于0.5mm，或累计沉降大于1.0mm时，则进行融沉补偿注浆；当连接通道隆起达到2.0mm时则暂停注浆；融沉注浆是否结束以隧道变形稳定为依据。融沉注浆与强制解冻配合进行，当95％以上的测温点达到0℃以上时结束强制解冻，强制解冻结束后若实测数据趋于稳定，即可停止融沉注浆。

(9)施工监测监控

连接通道的施工监测采用地下工程冻结法信息化施工监控系统，对工艺参数和结构状态进行全过程的实时监测，并及时反馈监测数据以指导施工。监测内容如下：

①冻结孔施工

钻孔深度，冻结管偏斜度，冻结系统密封性能。

②冻结系统监测内容

冻结管路去、回路盐水温度，冷却循环水进、出水温度，冷冻机组吸排气温度，冷冻机组吸排气压力，制冷系统冷凝压力，制冷系统汽化压力，盐水流量。

③冻结帷幕

冻结帷幕内部温度场，冻结帷幕断面内水文卸压孔压力变化及温度变化，开挖后暴露时间内冻结帷幕表面位移，开挖后冻结帷幕表面温度。

④隧道结构变化

隧道的沉降位移，隧道的水平及垂直方向的收敛变形。

具体实施例连接通道(五)：

连接通道(五)净距15.184m，隧道间高差0.018m。其施工过程如下：

(1)确定冻结法施工参数

①冻结盐水温度：积极冻结期：不高于-30℃，

维护冻结期：-20℃～-25℃；

②冻结帷幕平均温度：-8℃～-15℃；

③冻结帷幕强度：δ_压＝4.95MPa；δ_拉弯＝2.7MPa；δ_剪＝2.4MPa；

④冻结帷幕厚度：连接通道正常段2.4m，连接通道喇叭口段2.1m。

(2)冻结孔布置

①冻结孔主要参数

冻结孔间距：根据连接通道平面尺寸和受力特征以及避开管片主筋的原则布置冻结孔，冻结孔布置分内、外两排孔，内排冻结孔间距小于1500m，外排冻结孔间距小于1900m，孔长度均以碰到对侧管片为准，采取两侧的打孔方式。

冻结孔偏斜控制：冻结孔原则上不允许内偏，为减少冻土挖掘量，控制冻结孔成孔轨迹与设计轨迹之间距离的最大偏斜在150mm以内。

②冻结孔位置和数量

冻结孔数：连接通道(五)：东线隧道内圈孔14个；西线隧道外圈孔22个。

③冻结管规格

根据施工工艺，冻结管采用108×8mm20#低碳钢无缝钢管。

④冻结孔施工设备

鉴于该通道段地质条件和施工特点，采用水平钻进能力较大的MKD-5S型全液压钻机进行冻结孔的钻打施工。

⑤测温孔与卸压孔布置

连接通道布置9个测温孔，东线布设7个，西线布设2个，其目的是测量冻结帷幕范围内不同部位的温度变化状况，以便采用相应综合控制措施，确保施工的安全；卸压孔布置4个，两侧各布置2个。

(3)冻结孔施工

①用经纬仪测量放点，测出所有冻结孔的中轴线在隧道管片上的前后点，并用红漆标记；采用水准仪来测量水平高差及仰俯角，经纬仪来测量方位角及实际孔位。

②利用冻结管作钻杆，采用跟管钻进，冻结管采用丝扣连接、接缝补焊，确保其同心度、联接强度和密封性能。

③钻进过程中严格监测冻结孔偏斜情况，发现偏斜要及时纠偏。钻进完毕后，进行冻结管长度的复测，然后再用水平测斜仪进行测斜并绘制钻孔偏斜图。冻结管长度和偏斜合格后再进行打压试漏，压力控制在0.65MPa，稳定30分钟后压力下降不超过0.05MPa者为试压合格。

④试压合格后在冻结管内下供液管，然后焊接冻结管端盖和去、回路羊角。

(4)冻结站设备参数

①制冷设备

根据连接通道现场冷量需要情况，采用2台W-YSLGF300II冷冻机组，积极冻结期间2台同时运转，维护冻结期一台运转，一台备用。当盐水温度在-30℃、冷却水温度28℃时，单台W-YSLGF300II冷冻机组制冷量可达8.6×10⁴kcal/h。

②盐水系统

选用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，溶液重度控制在1260kg/m³左右，溶液的凝固点为-38.6℃。

为确保盐水循环系统工作正常，配备2台盐水泵，该盐水泵型号为IS200-125-315A，其电机功率30kw，总流量400m³/h。

③冷却水循环系统

根据安装冷冻机组和制冷量要求，连接通道冻结冷却水循环量约200m³/h，冷却水进水温度为27～30℃，回水温度为31～34℃；为节约用水，安装2台50m³的KST-80型冷却塔，对回水进行冷却，保证循环水利用率80％，新鲜水补充量为15m³/h。

④其它

冷冻机油：N46冷冻机油；

制冷剂：氟立昂F-22制冷剂。

(5)冻结系统安装

①冻结站布置与设备安装

冻结站设置在隧道内，占地面积约80m²，站内设备主要包括冷冻机组、盐水箱、盐水泵、清水泵、冷却塔及配电控制柜等。

②管路连接、保温与测试仪表

管路用法兰连接，在冻结管路上设置有伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件，每根冻结管的进出口各安装阀门1个以便控制流量；在冻结站对侧隧道的冻结管端部区域布置冷冻板。

冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和冻结管干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温；冻结管路经试漏、清洗后用保温板或棉絮保温，保温厚度不小于30mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎；由于混凝土和钢管片相对于土层要容易散热得多，为加强冻结帷幕与管片胶结，连接通道两侧管片的表面也采取保温措施，保温范围至冻结帷幕边界外2米。

③溶解CaCl₂和冷冻机组充氟加油

盐水(CaCl₂溶液)比重为1.26，先在盐水箱内充满清水，溶解CaCl₂，再送入冻结管干管内，直至盐水系统充满为止，溶解CaCl₂时要除去杂质。

冷冻机组的充氟和加油按照设备使用说明书的要求进行，首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

(6)运行冻结系统，进行积极冻结与维护冻结

①冻结系统试运转与积极冻结

冻结系统安装完毕后进行调试和试运转；在试运转时，随时调节压力、温度等各状态参数，使冷冻机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。冻结系统运转正常后进入积极冻结期，在积极冻结过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻结帷幕扩展情况，监测频率每2个小时一次。

②试挖与维护冻结

在积极冻结过程中，根据实测温度数据判断冻结帷幕是否交圈和达到设计厚度，当冻结帷幕交圈并达到设计厚度后再进行探孔试挖，确认冻结帷幕内土层基本无压力后进行正式开挖。正式开挖后，根据冻结帷幕的稳定性，进入维护冻结期，此时适当提高盐水温度，但不得高于-22℃。

(7)连接通道动态开挖与构筑施工

①安装安全应急门

安全应急门是考虑连接通道开挖构筑期间，当冻结帷幕发生大量砂、水涌出或位移变形超值，而其它抢救措施无效的情况下，为确保隧道安全而使用的；安全应急门达到牢固可靠、门扇启闭方便的要求。

②连接通道动态开挖

正式开挖前进行探孔检查，探孔打在冻结帷幕的薄弱处，若探孔处无涌砂突水现象，则表明地层稳定、冻结帷幕正常，加之测温效果良好，则随后打开钢管片正式开挖；根据工程结构特点，连接通道开挖采用矿山法进行暗挖施工，掘进采取分区分层方式进行；连接通道开挖的同时，其连通的两条主隧道仍然继续照常推进施工。

开挖时先进行冻结站侧喇叭口导硐，然后开挖通道部分到设计尺寸，最后刷两端喇叭口；由于土体采用冻结法加固，冻土强度较高，冻结帷幕承载能力大，因而开挖采用全断面一次开挖(上部通道除喇叭口处侧墙和拱顶外)，连接通道正常段开挖步距为0.6m～0.8m，两端喇叭口段处断面较大，为减轻开挖对隧道变形的影响，开挖步距为0.6m。

③临时支护

连接通道开挖后，地层中原有的应力平衡受到破坏，引起通道周围地层中应力的重新分布，这种重新分布的应力使冻结帷幕产生蠕变从而引起冻结管变形；为控制变形的发展，冻土开挖后及时对冻结帷幕进行支护，临时支护既起到维护地层稳定、确保施工安全的作用，又能作为永久支护的一部分。临时支护采用4组H250×250mm型圆弧状钢支架组成圆形临时支架和木背板加喷射混凝土结构，支架间距为0.6～0.8m，为增加支架的稳定性，相邻两排支架间必须用支撑杆相互连接；所有支架间的冻土体全用木板背实背紧，少量空隙用水泥砂浆充填严实，最后用挂网喷射混凝土。

④防水层施工

根据本工程的特点和出自开挖构筑安全的考虑，采用内防水施工，即在临时支护完成后在其表面铺设防水层，防水层选用水泥基防水涂料；在铺设防水层时，混凝土结构表面要清理干净，达到无渗水、油污等，防水层施工前选用聚胺脂等注浆材料对渗水点进行注浆堵漏。

⑤永久支护

永久支护为钢筋混凝土结构，为减少混凝土施工接缝，混凝土浇筑采用分段浇筑的施工方式，必要时用硬管输送混凝土，或采用外部震捣(即用附着式振动器震捣)，以提高工作效率，确保砌筑质量；砼浇筑连续浇筑，如因特殊原因不能连续浇灌时，将接茬部位凿成毛面，以确保混凝土的粘接性；砼结构强度达到100％设计强度时进行拆模。

(8)与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆

当连接通道主体结构混凝土的强度达到75％以上之后，即可进行对冻结帷幕的解冻和融沉注浆，解冻采取自然解冻与主动人工强制解冻相结合的方式。在自然解冻的同时，强制解冻采用热盐水在冻结孔内循环，分区进行强制解冻冻土。解冻部位的顺序为由下至上，即先解冻下部冻土，再解冻中部冻土，最后解冻上部冻土。这是因为当解冻下部冻土时，由于中部和上部冻土还维持在较低的温度，因而冻土帷幕与浇注好的通道结构层和隧道管片能够一起共同承受着上覆水土压力。

根据监测系统监测的土体温度、沉降变化情况，利用浅部注浆管和深部注浆管进行压密注浆。融沉注浆通过预埋的注浆管进行，注浆顺序和解冻顺序一致，同样为由下至上，即注浆部位的顺序为先通道底板，再通道两侧，最后通道顶板。融沉注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液浆为铺；注浆压力不超过0.5MPa，具体要根据隧道变形监测情况做适当调整。

当连接通道一天内的沉降大于0.5mm，或累计沉降大于1.0mm时，则进行融沉补偿注浆；当连接通道隆起达到2.0mm时则暂停注浆；融沉注浆是否结束以隧道变形稳定为依据。融沉注浆与强制解冻配合进行，当95％以上的测温点达到0℃以上时结束强制解冻，强制解冻结束后若实测数据趋于稳定，即可停止融沉注浆。

(9)施工监测监控

连接通道的施工监测采用地下工程冻结法信息化施工监控系统，对工艺参数和结构状态进行全过程的实时监测，并及时反馈监测数据以指导施工。监测内容如下：

①冻结孔施工

钻孔深度，冻结管偏斜度，冻结系统密封性能。

②冻结系统监测内容

冻结管路去、回路盐水温度，冷却循环水进、出水温度，冷冻机组吸排气温度，冷冻机组吸排气压力，制冷系统冷凝压力，制冷系统汽化压力，盐水流量。

③冻结帷幕

冻结帷幕内部温度场，冻结帷幕断面内水文卸压孔压力变化及温度变化，开挖后暴露时间内冻结帷幕表面位移，开挖后冻结帷幕表面温度。

④隧道结构变化

隧道的沉降位移，隧道的水平及垂直方向的收敛变形。

综上所述，本发明所述双排孔水平冻结法连接通道的施工方法中的冻结孔采用双排孔布置且均为长孔，因此能够形成厚度均匀、强度足够的冻结帷幕，提高了冻结效率，同时还采取了与自然解冻相结合的主动人工强制解冻方式对冻结帷幕进行解冻，和融沉注浆一起形成了完整系统的人工掌控的解冻和控沉降措施，因而本发明能够有效地控制开挖过程中洞口的稳定和连接通道及两主隧道的沉降，保证了施工安全和工程质量，减少了工程对周边建筑的影响；同时在此前提下，本发明采取了连接通道开挖与主隧道推进施工同时进行的动态开挖方式，从而大大缩短了施工周期。本发明具有安全性高、节约工期的优点，适用于各类软土层连接通道的冻结施工。

Claims (7)

1、一种双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，包括确定冻结参数、布置和钻打冻结孔、安装并运行冻结系统、施工开挖连接通道和施工监测监控，其特征在于：该施工方法还包括有与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆，其在自然解冻的同时，采用热盐水在冻结孔内循环，分区强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，通过预埋的注浆管进行融沉注浆，注浆部位的顺序同样为由下至上；所述冻结孔分内、外两排孔布置，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧打孔的方式；所述开挖连接通道的施工采用动态开挖方式，即两主隧道的推进施工同时照常进行。

2、根据权利要求1所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：该施工方法依次包括如下具体步骤：

(1)确定冻结法施工参数

根据实际工况，确定积极冻结期和维护冻结期的盐水温度、冻结帷幕平均温度、冻结帷幕强度和厚度；

(2)布置和钻打冻结孔

根据连接通道平面尺寸和结构受力特征布置冻结孔，该冻结孔布置分内、外两排孔，孔长度以碰到对侧管片为准，采取两侧的打孔方式，冻结孔布置根据管片配筋状况进行微调以避开主筋，然后采用钻机进行冻结孔的施工；

(3)安装并运行冻结系统

在靠近连接通道的位置安装包括冻结站、冷冻机组、冷冻板、冻结管路和冷却水管路在内的冻结系统，根据冷量需要选择冷冻机组，采用CaCl₂盐水溶液为冷媒剂，冻结系统安装调试正常后，依次进入连接通道开挖前的积极冻结期和开挖后的维护冻结期；

(4)施工动态开挖连接通道

通过实测和计算得出冻结帷幕各层面、各部位的厚度和平均温度，若已满足开挖条件，即进行连接通道的开挖施工，连接通道采用矿山法进行暗挖施工，在其开挖的同时，由其连通的两条主隧道的推进施工照常进行，连接通道的挖掘砌进采取分区方式进行，首先进行冻结站侧喇叭口导硐，然后开挖通道部分到设计尺寸，最后刷两端喇叭口，开挖支护方式采用临时支护和永久支护两次支护，临时支护采用钢支架和木背板加喷射混凝土结构，永久支护采用现浇钢筋混凝土结构；

(5)与自然解冻相结合的主动人工强制解冻和融沉注浆

在自然解冻的同时进行主动人工强制解冻，采用热盐水在冻结孔内循环，分区进行强制解冻冻土，解冻部位的顺序为由下至上，即先解冻下部冻土，再解冻中部冻土，最后解冻上部冻土，融沉注浆通过预埋的注浆管进行，注浆部位的顺序同样为由下至上，即先通道底板，再通道两侧，最后通道顶板；

(6)施工监测监控

施工全过程对冻结系统、冻结帷幕、连接通道结构内外力、隧道结构冻胀力和隧道结构变形诸状态进行实时监测，并及时反馈监测数据以指导施工。

3、根据权利要求2所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：步骤(1)所确定的冻结法施工参数范围为：

①冻结盐水温度：积极冻结期：不高于-30℃，维护冻结期：-20～-25℃；

②冻结帷幕平均温度：-8～-15℃；

③冻结帷幕强度：δ_压＝4.95MPa，δ_拉弯＝2.7MPa，δ_剪＝2.4MPa；

④冻结帷幕厚度：连接通道正常段2.4m，连接通道喇叭口段2.1m。

4、根据权利要求2所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：步骤(2)所述冻结孔打孔是利用冻结管作钻杆，采用跟管钻进，该冻结管为低碳钢无缝钢管，采用丝扣连接、接缝补焊，钻进过程中严格监测、及时纠偏，确保最大允许偏斜150mm；钻进结束后进行打压试漏，合格者在冻结管内下供液管；连接通道中还布置有多个测温孔和泄压孔。

5、根据权利要求2所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：步骤(3)所述的冻结系统在冷冻机组、冻结管路以及连接通道两侧管片处采取保温措施，该冻结系统在积极冻结过程中，定时监测盐水温度、盐水流量和冻结帷幕扩展情况，监测频率每2小时一次。

6、根据权利要求2所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：步骤(4)所述连接通道正常段的开挖步距为0.6m～0.8m，两端喇叭口段的开挖步距为0.6m。

7、根据权利要求2所述的双排孔水平冻结法连接通道的施工方法，其特征在于：步骤(5)所述融沉注浆使用的注浆材料以水泥-水玻璃双液浆为主，单液浆为铺，注浆压力不超过0.5MPa；融沉注浆配合强制解冻进行，当95％以上的测温点达到0℃以上时结束强制解冻，强制解冻结束后若实测数据趋于稳定，即可停止融沉注浆。