摘要：联络通道是地铁施工中最重要、最困难的环节之一。位于上下隧道通常与集水井和排水泵一起设置，建造难度大。尤其是遇到软土层时，坍塌和透水的风险更大。做好施工现场的土地加固处理是十分必要的。近年来，冻结施工技术逐渐发展，是一种有效的加固方法。
关键词：地铁；联络通道；冻结加固技术
前言
人工冻结技术在地铁联络通道加固中得到越来越多的应用。联络通道工程是地铁隧道中的一个重要组成部分，兼顾区间隧道的安全疏散和排水功能，同时联络通道施工也具有较高的安全风险。目前国内主要地铁区间的联络通道多采用地层加固方法；如上海、杭州、南京、天津等多地均有较多应用，且安全可靠，具有无法取代的优越性。
1冻结法的应用
1.1冻结法的由来
人工冻结技术是在冻土帷幕的保护下进行岩土地下工程施工的一种特殊的施工方法，由德国工程师波茨舒获得技术专利，之后传播于许多国家发展使用，我国1955年首次使用冻结技术于煤矿井的施工中。近二十年来，冻结法工艺被广泛应用于我国城市地铁工程施工中，我国也已经是世界上该工法使用最广泛的国家之一。
1.2基本原理
冻结法施工是一种可靠的地基处理方式，在高强、隔水的冻结壁保护下得以进行开挖与支护。其原理是输送低温盐水到施工土层中，通过热量交换循环使地下土层得以冻结支护。冻结法能够适应比较复杂的工程水文地质条件，其形成的冻土壁形状不受加固场地的限制，冻结管布置也具有任意性；地下土层进行冻结后，其强度明显提高，形成的冻结壁不仅强度较高，更能起到对土层的支护作用以及可以隔绝地下水。而进行冻结后的土层具有较高的复原性以及较小的扰动，不会对以后的施工产生影响。
1.3冻结法的施工工艺
（1）冻结法现场施工时，先经历积极冻结阶段，该阶段冻结系统正常运行直至冻结帷幕达到设计要求；其次经历维护冻结阶段，该阶段持续供冷，以保证联络通道施工正常进行；最后为解冻恢复阶段，该阶段为在联络通道主体结构施工完成后，拔除冻结管，地层解冻恢复原始状态。
（2）施工过程注意事项：①钻孔施工：严格控制开孔间距的误差，在钻孔前用仪器精确测量孔位，并控制钻孔深度，按照施工要求，在钻孔过程中进行纠偏；②冻结管与冻结站的安装：冻结管与测温管用丝扣焊接连接牢固，在整个冷冻站安装完成后还需进行水压试漏实验和抽真空，确保冻结站的质量要求；③冻结系统的调试：冻结站需要有备用的制冷机组，以及安装流量计、测温计、压力表等测试元件。设备安装完成后还需进行调试和试运行，试运行期间定时检查盐水温度、盐水流量和冻结帷幕的形成情况，必要时根据所测的数据调试冻结系统的运行参数，为接下来的施工做好准备。
（3）监测内容：为保证冻结法施工各阶段正常进行，需要进行冻结管耐压性能、冻结管偏斜、冻土温度、泄压孔压力、联络通道开挖变形、地表冻胀与融沉等多方面内容监测。
2工程背景
以位于钱塘江底的区间隧道1号联络通道为例，该联络通道中心标高－23.52m，左右线隧道中心距离12m。联络通道由左、右线隧道管片相连接的喇叭口、水平通道和通道下方的泵房三部分组成，结构从外到内分别为支护层、缓冲层、防水板、保护层、结构层。水平通道高4.255m，宽4.1m；喇叭口处高4.755m，宽4.7m；泵房长4.6m（沿联络通道方向），宽4.1m，深4.6m。初期支护层厚度均为200mm；水平通道为直墙圆拱，结构层拱顶厚度为450mm，侧墙厚度为600mm，底板厚度为1000mm；喇叭口结构层沿周边外扩300mm；泵房结构层厚度为600mm。联络通道上覆土层厚度约20m，依次为①3砂质粉土、③2砂质粉土、③3砂质粉土夹粉砂、③5粉砂夹砂质粉土、③7砂质粉土、④3淤泥质粉质黏土、⑥2淤泥质粉质黏土。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆联络通道结构位于⑧2淤泥质粉质黏土，结构底板位于⑨1a粉质黏土。泵房结构位于⑨1a粉质黏土、瑏瑢2细砂、瑏瑢4圆砾层，结构底板位于瑏瑢4圆砾层。本区瑏瑢2细砂、瑏瑢4圆砾层为承压含水层，实测承压水头高度约23m。本工程水平通道处冻土帷幕厚度为2.4m，喇叭口处为2.1m，冻土工作温度为－10℃。
3数值分析模型的建立
3.1概况说明
据对称性，建立1/4模型，在对称界面约束其法向位移。模型范围内主盾构隧道、联络通道及泵房的初支和二衬结构、连接段的喇叭口均按设计图纸具体细部尺寸考虑。河床以上静水压力以附加面荷载施加，承压水头也以附加面荷载作用在承压含水层顶板和底板界面处。为弱化边界效应，模型横向自主盾构隧道向外延展2.5倍隧道直径，纵向自冻结壁向外延展3倍冻土帷幕半宽，竖向自承压含水层底板向下延展5m，总的模型尺寸为25m×20m×50m。采用空间8节点六面体单元进行离散，共划分104151个单元。
3.2计算参数
据室内热物理力学性质试验结果，并参考类似地层冻结工程实测反馈数据，冻土参数选取如下：⑥2、⑧2淤泥质粉质黏土弹性模量90MPa，泊松比0.25；⑨1a粉质黏土弹性模量120MPa，泊松比0.22；瑏瑢2细砂层、瑏瑢4圆砾层弹性模量150MPa，泊松比0.20。考虑到冻土体积膨胀率与土层类别、天然含水量、水分补给条件、初始应力、周边结构约束和冻结参数等众多因素相关，分别选取1%、2%、4%、6%进行比较计算。施工过程中可通过监测数据（主要是变形），对比数值分析结果，反馈实际的冻胀率，以此为条件获得其他方面的信息。为表达方便，后续分析如无说明，一般为4%冻胀率条件的计算结果。
3.3计算流程及模拟手段
根据实际施工过程，按以下流程进行分阶段模拟：
（1）计算初始地应力场；
（2）对预定冻结范围实施冻结，改变承压水作用边界；
（3）打开管片，开挖联络通道，刷大喇叭口，同步施作初期支护；
（4）施作联络通道范围内衬砌，继续向下开挖泵房，同步施作初期支护；
（5）施作泵房范围内衬砌；对冻结体升温，并考虑融沉补偿注浆。
初始地应力场生成按重力加载完成，并通过回代同步生成的初应力文件消除初始位移。冻结施工以热应力间接耦合方法模拟。计算分两步实施：首先进行稳态热分析，即指定模型边界和冻结管周边的温度边界条件及模型中各部分的导热系数，获得维护冻结工况下的地层温度分布；随后转入结构分析，按照预先定义的不同温度条件下各材料参数，进行热应力分析，得到由于冻结而产生的附加位移场和应力场。多步开挖与结构施作过程的实施利用有限元中单元生死技术。融沉的计算同样依靠热应力间接耦合方法。实际施工中，随着解冻的过程会同步辅以注浆以补偿由于冻土融化而产生的体积收缩，为考虑不同的注浆实施效果，以不同的最终体积收缩率来模拟，即通过控制最终的升温幅度，等效地实现这一过程。
结束语
冻结法在地铁联络通道施工中的应用已非常广泛，但随着城市地铁发展迅速，出现了越来越多的长距离，大落差以及越江越河的冻结工程，所以经现场模型试验所得出的冻结温度场的各种发展规律不仅对现模拟工程的施工，还对以后相似或者相同的冻结工程提供了一套具备重要参考意义的设计及施工方法。
参考文献：
［1］郝润霞，刘欣宇.冻结法联络通道施工对隧道的影响分析［J］.四川建筑科学研究，2017（2）：361－363.
［2］邵国鑫.宁波软土层地铁盾构隧道联络通道的冻结法设计与施工［J］.工业建筑，2016（11）：148－152.
论文作者:林群章
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：通道论文; 冻土论文; 土层论文; 泵房论文; 结构论文; 隧道论文; 喇叭口论文; 《基层建设》2019年第5期论文;