缩短地面加固后的冷冻法联络通道积极冻结时间技术控制

崔艳喜

中铁广州工程局集团城轨工程有限公司 广东 广州 511400

1工程概况

1.1美的大道站~北滘新城站区间2#联络通道兼废水泵房结构设计概况

美北区间2#联络通道兼废水泵房左、右线盾构隧道里程为ZDK-9-412.803、YDK-9-397.414，中心距为13.834m，左线隧道中心标高-23.091m，右线隧道中心标高-23.102m，联络通道及泵房所处位置地面标高约为-0.44mm（+2.48m）。本工程冻结风险等级为二级。

根据详勘资料揭示，2#联络通道兼废水泵房隧道拱顶原状土体主要为 <2-1b>淤泥质土，洞身主要为 <2-1b> 淤泥质土、 <3-1> 粉细砂，通道下卧 <3-1> 粉细砂。

图2‑3 美北区间2#联络通道兼废水泵房地质剖面图

1.2美的大道站~北滘新城站区间2#联络通道兼废水泵房冷冻设计概况

图2‑4 美北区间2#联络通道兼废水泵房冻结孔示意图

表2‑2 美北区间2#联络通道兼废水泵房冻结参数一览表

序号	参数名称	单位	2#联络通道及泵房	备注
1	冻土墙设计厚度	mm	2300
2	冻土墙平均温度	℃	≤-10
3	冻土帷幕交圈时间	天	23~28
4	积极冻结时间	天	暂定45	施工过程中，应加强测温孔、泄压孔、辅助探孔、盐水状况等的监测，并以实测情况来判断冻结帷幕形成状况。
5	冻结孔数量	个	140
6	单排冻结孔成孔控制间距	m	通道两侧墙部位1.05m，泵站侧墙部位1.3m，拱顶、底板部位1.0m
7	冻结孔允许偏差	mm	13
8	设计盐水最低温度	℃	-28~-30	冻结7天盐水温度达-18℃以下
9	单孔盐水流	m3/h	5~8
10	冻结管规格	mm	ø89×8/ ø108×10	低碳钢无缝钢管；透孔采用大管径冻结管
11	测温孔数量	个	12	管材同冻结管 ∅45×3、∅89×8
12	卸压孔数量	个	4	管材同冻结管 ∅89×8
13	注浆孔数量	个	/	/
14	冷排管长度	m	/	/
15	冻结管总长度	m	1115.173
16	冻结站总需冷量	104Kcal/h	10.486	工况条件

1.3美的大道站~北滘新城站区间3#联络通道结构设计概况

美北3#联络通道左、右线盾构隧道里程为ZDK-8-805.108、YDK-8-802.348，中心距为24.800m，开挖长度18.6m。左线隧道中心标高-16.342m，右线隧道中心标高-16.265m，联络通道所处位置地面标高约为-0.04mm（+2.35m）。采用地面加固+冻结法+矿山法暗挖施工。工程冻结风险等级为二级。

根据详勘资料揭示，3#联络通道全断面位于：<2-2>淤泥质粉细砂、<2-1b>淤泥质土。

图2‑1 北林区间3#联络通道地质剖面图

1.4美的大道站~北滘新城站区间3#联络通道地面加固设计概况

美北区间3#联络通道采用Φ850@600地面三轴水泥搅拌桩进行满堂加固，长桩强加固区加固范围为联络通道顶部以上7m至进入<7-2>强风化泥质粉砂岩至少1m，弱加固区加固范围为强加固区顶至地面，短桩强加固区加固范围为隧道顶以上7m至联络通道底下5m，弱加固区加固范围为强加固区顶至地面；联络通道平面左右各外扩3.125m，隧道边左右各外扩2.125m。联络通道最外围采用一圈三轴搅拌桩套打加固，强加固区范围为地面至进入不透水层泥质粉砂岩至少1m，并设置4口降水井。

图2‑4美北3#联络通道地面加固布置图

图2‑2美北3#联络通道地面加固断面布置图

1.5美的大道站~北滘新城站区间3#联络通道冷冻设计概况

图2‑2美北区间3#联络通道冻结孔示意图

表2‑1美北区间3#联络通道冻结参数一览表

序号	参数名称	单位	3#联络通道	备注
1	冻土帷幕厚度	mm	1700
2	冻土帷幕平均温度	℃	≤-10	冻结壁与管片交界面平均温度≤-5℃
3	积极冻结时间	天	暂定38	实际冻结时间以监测结果为准
4	冻结孔数量	个	118
5	冻结孔成孔控制间距	m	通道两侧墙部位1.1m，泵站侧墙部位1.1m
6	冻结孔允许偏差	mm	150
7	盐水最低温度	℃	-28~-30	冻结7天达-18℃
8	维护冻结盐水温度	℃	≤-28
9	单孔盐水流	m3/h	5~8
10	冻结管规格	mm	ø89×8	低碳钢无缝钢管
11	透孔数量	个	4
12	测温孔数量	个	10
13	卸压孔数量	个	4
14	注浆孔数量	个	/	/
15	冷排管长度	m	10.575
16	冻结管总长度	m	1089.905
17	冻结站总需冷量	104Kcal/h	10.248	工况条件

2选择课题

2.1选题理由

原因一：

冷冻法联络通道中，积极冻结时间设计一般控制在45天左右，由于地层条件和冻结制冷等原因，积极冻结时间甚至更长（其中本项目北林3#联络通道积极冻结78天才具备各项开口条件，严重超过设计冻结时间），而联络通道施工又处在关键工期。实际工程中，由于工期需要，经常面临如何有效缩短工期的问题，根据冻结法联络通道的施工工艺特点，围护冻结期的时间很难压缩，缩短工期最好是缩短积极冻结时间，因此缩短积极冻结时间对整个工期的把控起决定性的作用。

原因二：

积极冻结时间因工程地质和水文地质的不同会出现较大的差异，针对广州地区淤泥质土层、淤泥质粉细砂、粉细砂等富水软土层和地温高、气温高、湿度大的特点摸索出一些针对性的控制方法。

原因三：

采用地面加固后的联络通道地层已发生改变，如何确保在加固地层中控制冻结时间，暂无相关经验，因此借用该联络通道施工，摸索出控制方法，提高联络通道施工技术水平和抗风险能力。

2.2现状调查

冷冻法加固是利用人工制冷技术,使地层中的水冻结,使软土变成冻土,增加其强度和稳定性，起到加固土体的作用。目前，联络通道冻结加固技术用于地铁隧道联络通道施工也越来越广泛，但冷冻法的工期相对比较长，对于地处地温高、气温高、湿度大的广州地铁淤泥质土、淤泥质粉细砂地层进行三轴搅拌桩地面加固后的地层中冷冻法联络通道施工如何缩短积极冻结期的技术较为少见。

3活动目标

通过网上资料的查阅和对分包单位的沟通与行业相关专家的咨询，影响积极冻结时间的因素包括冻结设计、地层温度、工程地质和水文地质、隧道施工环境、盐水温度和流量等，冻结过程情况复杂，需提前分析并制定好应急措施。

为加强冷冻法施工冻结时间的过程控制，保证工程安全质量及进度，特选择缩短地面加固后的冷冻法联络通道积极冻结时间技术控制作为本次QC活动的课题。

4分析原因

冻结法联络通道缩短工期的关键是减少积极冻结时间，而影响积极冻结时间的因素有冻结设计、地层温度、工程地质、水文地质、隧道施工环境、冻结参数等。

5确定要素

1. 冻结设计对积极冻结时间的影响

验证情况：1.冻结孔间距大，积极冻结时间会长；2.冻结孔与开挖荒径的距离，距离大，积极冻结时间会长；3.冻结壁厚度和平均温度，厚度大，平均温度低，则积极冻结时间长。

2. 地层温度对冻结的影响

验证情况：1.地层原始地温高，需冷量提升，降温时间长，达到设计要求的冻结时间长；

2.水泥系加固地层导致地温升高，同样导致冻结时间增加。

（3）土质类型、土体含水率的影响

验证情况：1.广东地区联络通道所处地层主要是淤泥质土层、淤泥质粉细砂、粉细砂等富水软土层地层，一般情况下淤泥质土层冻结速度小于砂层；

2.土层冻结最佳含水量20%-30%，含水量大于45%，导热系数减小，热负荷增大，导致冻结时间将加长。根据详勘资料，淤泥质土含水量58.2%,粉质黏土含水量39.3%，可能导致冻结时间变长。

（4）水文地质，地下水流速

验证情况：1. 冻结法一般要求地下水流速不大于5m/d，地下水流能带走大量冷量，极大影响冻结发展速度；

（5）隧道施工环境，隧道内风速、湿度、温度和周边环境对冻结降温的影响。

验证情况：1.隧道内风速、湿度和温度对管片和土体交界面的冻结效果影响很大，风速快、湿度大、隧道内温度会导致管片散热加剧，从而使得管片与土体界面冻结速度降低，造成联络通道的积极冻结时间延长；

2.规范和设计要求：冻结期间200m内不得有降水作业。联络通道积极冻结期内，洞内加固注浆同步施工，可能存在影响；

3.隧道底部存在流动水，带走冻结区冷量，影响界面冻结速度。

（6）冻结参数对积极冻结时间的影响

验证情况：1.盐水温度低，积极冻结时间会缩短；2.盐水流量大，冻结冷量多，积极冻结时间会缩短

6制定对策

通过现场查勘、专家走访、文件和资料查阅等方式可知：冻结设计、地层温度、工程地质、水文地质、隧道施工环境、冻结参数等因素对积极冻结时间影响较大。

针对以上检查结果，制定以下针对性措施，保证施工质量：

措施一：

考虑到广州地区地层特点，为确保冻结效果和缩短积极冻结时间，采取如下措施降低循环水温度：

① 减小冻结孔间距，缩短冻结壁交圈时间；

② 减小冻结孔与开挖荒径的距离；

③ 根据情况调整为双圈孔冻结，能够降低冻结壁平均温度，缩短积极冻结时间。

措施二：

针对施工中联络通道所处地层主要有淤泥质粉细砂、淤泥质土、粉质粘土、底部、强风化泥质粉砂岩等，考虑到不同地层冻结速度不同，采取如下措施：

根据不同地层冻土发展速度不同，以冻土发展速度最小的土层的冻结孔布置间距为基准布置冻结孔。

措施三：

针对施工中联络通道所处地层的水文情况，考虑到动水对冻结的影响，采取如下措施：

① 根据动水的流速和流向，在以冻土发展速度最小的土层的冻结孔布置间距为基准上进一步减小冻结孔布置间距，以确保足够的冷量；

② 根据地层的情况，进行注浆改良，改变地层的水流情况，降低水流的影响，从而缩短积极冻结时间。

措施四：

针对施工中联络通道所处地层的温度情况，考虑到地层温度对冻结的影响，采取如下措施：

① 根据地层温度的高低，在以冻土发展速度最小的土层的冻结孔布置间距为基准上进一步调整冻结孔布置间距，以确保足够的冷量能够有效缩短积极冻结时间；

② 根据地层温度的情况，进一步降低盐水温度和加大盐水流量，有效提高热交换，缩短积极冻结时间。

措施五：

针对施工环境中隧道内风流、湿度和温度及周边环境对冻结的影响，采取如下措施：

① 管片上增设冷排管，降低冷量散失，加快界面冻结速度；

② 保温采用3cm厚加强保温板双层铺设，保温板与管片贴合密实，板与板之间缝隙采用泡沫填缝剂填实。

③ 冻结区增设挡风板；

④ 协调停止冻结区附近的洞内注浆作业和附近的降水作业；

⑤ 增加截水和排水措施，消除动水对冻结效果影响。

措施六：

针对冻结运转来缩短积极冻结时间，采取如下措施：

① 降低盐水温度，保持盐水温度不高于-30℃，加大供冷量，可以缩短积极冻结时间；

② 加大盐水流量；

③ 选择制冷量大的机组，低冷却水的温度，确保机组效率，增大冷量，可以缩短积极冻结时间。

7实施情况

7.1施工交底及培训

在冻结施工前，组织对项目管理及班组人员进行培训，确保将施工措施及要求传到一线的管理及操作人员中。随时依据现场实际情况对施工进行补充交底，做到动态化管理，保证冻结降温顺利进行。

7.2措施实施情况

实施一：

冻结设计进行改进：

①采用双排孔布置，排间距1.0m（常规采用单排孔）；

②内排孔距离开挖荒径0.75m（一般在1.0m）。

实施二：

冻结运转进行改进：

①更换成1台18kw大功率水泵；

②对现有循环水进行置换，补充新鲜水，新鲜水供应能力大于50m³/h；

③盐水温度保持在-30℃（一般在-28℃），盐水流量维持在6.5 m³/h（一般在5 m³/h）。

图8‑4循环水系统

实施三：

落实如下措施改善施工环境：

①钢管片两侧及顶部增设冷排管，接入冻结系统进行盐水循环，见图 8 -5；

②积极冻结至二衬施作期间暂停附近洞内注浆作业；

③冷冻区域两侧管片缝内插入钢板进行截水并及时进行排水，消除动水对冻结效果影响，见图 8 -6。

④保温采用3cm厚加强保温板双层铺设，保温板与管片贴合密实，板与板之间缝隙采用泡沫填缝剂填实，见图 8 -7。

⑤对主副侧冻结区增设挡风板，消除隧道通风散热对冻结区的影响，见图 8 -8。

图8‑5冷排管	图8‑6 截水钢板
图8‑7双层保温板	图8‑8 挡风板

实施四：

为减小动水的影响，采取如下措施：

①对联络通道所处隧道前后管片进行注浆；

②对地层进行注浆。

实施五：

开口处钢管片与冻结壁交界面为冻结薄弱点，开口后喇叭口附近散热带来较大安全隐患。采用如下措施来降低风险：

① 导洞上部和两侧加装保温层；

② 在喇叭口开挖面倒角位置安装一圈冷排管（1根），喷射混凝土达到初期强度后打开盐水循环；

③ 导洞与第4榀间的连接面及时喷射混凝土或加设保温层的措施。

如图 8 -9和图 8 -10。

图8‑9导洞保温措施

图8‑10导洞施工图

8效果检查

美北区间3#联络通道2021年1月22日完成冻结孔施工，2021年1月27日完成冻结站试机调试，2021年1月28日开始积极冻结，在各项措施的积极落实下，降温取得明显效果，积极冻结36天，2021年3月5日成功具备各项开口条件。

经过不断试验总结，制定一系列质量管理措施，并严格落实到现场，缩短了积极冻结时间，冻结效果良好。

图9‑1美北区间3#联络通道开挖情况

由上图联络通道开挖情况可见，得出的结论具有指导实际施工的重要意义，出色地完成预期的目标，已经基本实现。

在汲取借鉴美北2#联络通道施工经验总结，美北3#联络通道通过以上措施及对策，现场严格执行落实，大大缩短了积极冻结时间，取得良好的施工效果。美北3#联络通道兼泵房预期冻结38天达到开挖条件，实际冻结36天，为整个工期的缩短做出了贡献，为项目部带来了良好的经济效益及社会效益。

9巩固措施

通过上述的选题到现场勘察跟进，再到拟定措施反馈现场，最后指导施工现场，采取有效措施缩短了积极冻结时间，取得了良好的加固效果，标志着我项目部在冷冻法联络通道缩短积极冻结时间技术方面取得了阶段性的胜利。同时制定了以下巩固措施：

（1）保持现场技术管理措施不松懈，继续跟进相关设计和施工文件及施工数据和冻结效果。

（2）对更多的影响因素进行分析，进一步多角度、全方位地研究对缩短积极冻结时间控制的管理措施。

（3）加强与周边施工单位交流。

10总结展望

通过本次活动，不仅达到了我们制定的小组活动目标，缩短了冷冻法联络通道积极冻结时间，冻结效果得到了保证，也让小组成员质量意识、个人能力、解决问题的信心等都有了很大提高，同时还增强了团队凝聚力和集体荣誉感，是大家工作经历中一段不可多得的宝贵经历。