李亚巍1，王 琛2，余群舟1
（1．华中科技大学工程管理研究所，湖北 武汉430074；2．武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉430074）
[摘要]联络通道施工风险较高，是地铁建设风险控制的关键点。2号联络通道位于长江江底的高承压水粉细砂层中，采用冻结法施工。详细介绍了联络通道冻结法施工的风险，提出了相应的预防措施和事后处理措施，结合监测数据得出一些规律，提出冻结法施工关键在于综合考虑确定各项施工参数，及时注浆，及时监测测温孔、泄压孔、去回盐液温差的数据变化。
[关键词]地下工程；地铁；联络通道；冻结法；施工风险；监测
[中图分类号] U231.3 [文章编号]1002-8498( 2016)07-0118-05
0 引言
地铁联络通道一般位于区间隧道的中间，通常与集、排水泵站连在一起，共同起着两隧道连接、集、排水和防火等作用。然而联络通道的施工难度却高于普通隧道，尤其是在富水、破碎、密集建筑区域等复杂环境条件下。地层冻结法由于地层冻结后的强度和弹性模量较未冻结时有极大提高且均匀、形成完全不透水的冻土墙、安全性高、技术可靠、对地层零危害、复原性好和便于施工管理而认为是不良地质条件下联络通道施工工法中最佳和有效的方法。目前，我国人工冻结技术与国际先进技术水平要求还有一定差距，同样的地质条件下，我国冻结法设计的冻结壁厚度偏厚，相应的冻结孔数也多，钻机能力还比较低，冷冻机安装工作量大，采用移动式机组较少，主要是在煤炭竖井冻结法施工基础上采用数值模拟和实验的方法对冻结温度场和冻胀融沉进行研究，基于地铁的研究很少，应进一步研究应用中的问题，使人工冻结法的应用领域及范围继续扩大。虽然在北京、上海、广州等城市地铁中都运用地层冻结法并取得了成功，然而不同地区的工程地质条件往往具有明显的地域特性，北京地区主要为黏性土与砂性土互层、上海为软土地层、广州为上软下硬地层等。武汉市地铁4号线2号联络通道处于长江江底，覆土厚度26. 8m，至江面49. 8m，水土压力达0.4MPa，施工位置所处土层及上覆土层为粉细砂层，孔隙水压力大，与长江水有直接水力联系，施工中容易出现突水、涌泥的现象，施工风险极高。
本文系统介绍了联络通道整个施工过程的风险控制手段以及测温孔、泄压孔和盐水去回路温差的监测数据分析，为类似工程提供了经验。
1 工程概况
武汉市轨道交通4号线2期工程复兴路站一拦江路站越江区间在右线ZK14 +560处设置2号联络通道（与泵房合建，位于江中），通道覆土厚度为26. 8m，至江面49. 8m，隧道通道中心间距为13m。施工采用“水平孔冻结加固土体，隧道内开挖构筑”的施工方案。其结构由隧道管片相接的喇叭口、中部矩形集水井2个部分组成。喇叭口的开挖尺寸约为3 930mm（宽）×4 950mm（高）；集水井处尺寸约为4 076mm（宽）×7 630mm（高）；钢管片厚度为350mm（见图1）。
2 工程地质及水文地质条件
2号联络通道上覆土层为粉细砂层，存在第四系松散岩类孔隙水，孔隙水压力大，与长江水有直接水力联系。穿越地层为④，层和⑧，层中密—密实砂层，局部可能遇⑤层密实的圆砾土；承载力一般，压缩性低；室内及现场简易抽水试验均表明通道处砂层透水性中等，地下水丰富，且易产生渗透变形破坏，地下水流速在1.5~2.5 m/d，单独采用冷冻法不易达到理想效果，施工时，宜先对砂类土围岩采取注浆等措施降低地下水流速度后，再进行冻结法施工。施工期间（施工时间2013年9月-2014年2月）为长江枯水期，但水土压力仍达0. 4MPa。
3 冻结方案设计和施工过程
3.1冻结参数设计
冻结方案设计是在掌握联络通道尺寸、地层地质条件导热系数、比热容等重要参数的前提下进行的孔数、开孔间距、冻结深度、盐水温度、盐水流量等参数的设计。在保证冻结壁的安全和稳定性下，应尽量做到经济适用。具体步骤如下。
1)冻结壁荷载的计算（按受压结构设计）。荷载主要考虑土压力和水压力以及土方开挖范围以内的其他荷载。
2)设计标志层冻土力学性质（指标）。按照《人工冻土物理学性能试验》进行地层冻土物理力学性质试验，获取人工冻土必要的物理力学指标和特性以及冻敏性地层冻胀、融沉特性。
3)初选冻结壁有效平均温度和冻结壁的厚度。根据人工冻土基本力学性质，他们与冻结壁有效平均温度直接相关。一般是根据经验初选冻结壁有效平均温度，再根据所选温度对应的冻土物理力学指标和特性，初算冻结壁厚度。
4)调整、优化冻结壁有效平均温度和厚度。匡算经济合理性，进而最后调整和优化冻结壁有效平均温度和冻结壁厚度。
5)盐水温度和盐水流量。盐水温度与盐水流量应满足在设计的时间内使冻结壁厚度和平均温度达到设计值的要求。一般回路盐液与岩层间的温度差是3～5℃，去路盐液与回路盐液的温度差也是3～5℃。
6)冻结管吸热能力。本工程考虑了降温区地热对冻结时间的影响，具体公式如下：
7)冻结壁内平均温度的计算。将冻结管中的温度场近似看作圆管稳态导热，具体公式如下：
8)返回第3），4），5），6），7）步，直到设计和经济合理为止。
2号联络通道配备W-YSLGF300Ⅱ型螺杆机组3台，其中1台备用。单台机组设计工况制冷量为8.6×104 kcal/h，电机功率110kW/h。配盐水循环泵选用IS150-125-400C型2台，备用1台，流量160m3/h，功率22kW/h。积极冻结时间为50d。具体设计参数如表1所示。
3.2冻结管的布设
2号联络通道及泵站冻结孔的布置采取从左、右线隧道两侧布孔，因冷冻泵站设置在右线，故联络通道右线布置冻结孔60个，左线布置冻结孔40个，其中隧道中腰部位设置6个穿透孔，以校核钻孔方位，且用于冷冻系统对侧的冻结管和冷冻排管供冷。冻结孔倾角采用上仰、近水平、下俯3种角度布置。冻结孔的布置如图2，3所示。
3.3施工过程
本项目联络通道施工过程可分为冻结孔施工和冻结站安装、冻结施工、开挖构筑施工和后续融沉注浆4个阶段。
4 联络通道风险识别和风险控制措施
风险识别，即分析工程施工期所有的潜在风险因素并进行归类、整理、筛选，重点考虑那些对目标参数影响较大的风险因素。
本项目综合运用了核对表法和头脑风暴法两种方法，核对表法主要是依据国内已建成的联络通道，主要是参考本线路已先做的1号联络通道和上海地铁4号线联络通道。
风险控制即对识别出的风险因素提出相应的预防措施和事后处理措施。
依据冷冻法施工工序，联络通道施工风险可以分为冷冻管施工、冻结站安装和冷冻施工风险、通道及泵房开挖构筑风险和融沉注浆等4部分。
4.1冻结孔打设阶段
1)风险1 轴线偏差。预防措施：透孔为第1个打设的孔，用来检测轴线是否偏差。事故处理措施：对孔位进行调整，重新确定打孔参数，再进行打孔。
2)风险2 孔口管脱落。预防措施：每个孔口管加固点不少于4个，且必须满焊。事故处理措施：①无泥砂流出，对孔口管进行重新加固；②有泥砂流出，用速凝水泥和导流管对此孔进行封堵，待水泥凝固后，注入聚氨酯，封闭此孔，然后打设补孔。
3)风险3 冻结管断裂。预防措施：①钻机找正后，及时固定；②控制冻结管的焊接质量，检查合格后方可继续钻进；③冻结管之间丝扣连接紧密，确保同心度。事故处理措施：①利用钻机对断管进行打捞，捞出后此孔重新打设；②压力过大无法打捞，则通过旁通阀注浆，封闭此孔，另选位置打设补孔。
4)风险4单向阀损坏。预防措施：①单向阀安装前，检查单向阀配件；②安装后，在进土前，先行打水测试单向阀完好性。事故处理措施：利用钻机将此孔拔除，重新打设此孔。
5)风险5粉砂层中，漏水涌砂。预防措施：冻结孔开孔分2次进行，以此来控制泥浆涌出。事故处理措施：钻孔期间大量漏砂、涌水现象无法进行正常钻孔时应立即压紧密封装置，封闭该孔，通过孔口旁通阀注浆。
4.2冻结运转阶段
1)风险1 冻结管断裂或隧道内管路破裂。预防措施：①对孔位进行调整，重新确定打孔参数，再进行打孔；②在每个冻结串联支路上的盐水出、入口安装阀门；③当压力上升超过原始地压0. 2MPa时，及时打开卸压孔，释放冻胀力。事故处理措施：①是隧道内管路问题，及时更换管路或补焊；②若盐水流失在土体内，对冻结孔进行下套管处理，即在冻结管内下放463mm×4mm无缝钢管用于供液冻结。
2)风险2 冷冻设备故障导致停冻。预防措施：①平时加强设备的管理与维修；②现场备有各种冻结机组的易损件，备用1台冷冻机组。事故处理措施：①利用备用机组继续维持冻结，同时修复故障机组。在积极冻结期间造成机械故障导致停机，可适当延长冻结时间来弥补；②开挖期间，则减小开挖步距，确保支撑体系稳固性。
3)风险3 冻胀管片变形。预防措施：①布设卸压孔，冻胀压力过大时，及时释放压力；②冻结交圈前在隧道内安装预应力支架。
4)风险4 施工停电。预防措施：项目部供电配备双回路电源。事故处理措施：一路电源断电后及时切换另一路电源，同时检修电线管路，并联系上级电力部门帮助给予解决。
4.3 开挖构筑施工阶段
1)风险1 开挖面化冻或渗水。预防措施：开挖时，注意观测开挖面的环境温度。事故处理措施：①发现开挖面有暴露土块掉落或渗水现象，可考虑加强制冷，同时土体表面加设保温材料，减小开挖步距，及时进行临时支护，必要时直接施工二衬；②若土块掉落面积很大，且土体有松动现象或水流量大，则用砂袋填充工作面，并关闭安全门，继续冻结。
2)风险2 涌水涌砂。预防措施：安装安全应急门及安全应急盖板。
3)风险3 作业面严重破坏，安全门无效。事故处理措施：①对应急预案内容进行演练，落实到人；②隧道沿途挂设“安全通道”牌，突发状况下人员可有条不紊的撤离；③施工前和附近的医疗、火警等救援单位建立联系。
4.4融沉注浆阶段
风险：融沉致隧道后期变形。预防措施：①预埋注浆孔；②监测隧道拱顶沉降，净空收敛。
5监测监控
为了确保水平孔冻结暗挖隧道施工安全优质地按时完成，须对冻结系统进行必要的监测，使监测资料及时反馈，指导施工，以便调整施工工艺并采取措施。监测监控主要包括测温孔、泄压孔和盐水取回温度三方面监测，监测时间从2013年12月18日到2014年2月5日。
1)2号联络通道有12个测温孔，每个测温孔按2，1，0. 4m 3个不同深度监测，积极冻结期具体数据如图4所示。数据显示测温孔的温度呈指数下降，当积极冻结期结束，2014年2月1日-2014年2月5日，即积极冻结期的最后5d，所有测温孔不同深度的平均温度为- 14. 43℃，满足设计要求的冻结帷幕平均温度≤- 10℃。
2)测温孔温度降低的平均速率如图5所示，2，1，0. 4m测探深度温度降低的最大速率分别为0. 96 ,0. 91，0.83℃/d；最小速率0.67，0.64，0.52℃／d；平均速率0. 80，0.78，0.66℃/d。
3)2号联络通道积极冻结期间盐水去回温差及2个泄压孔的监测数据如图6，7所示。整个冻结期间盐水去回平均温差为1.4℃≤2℃；泄压孔的压力<0.4MPa，满足设计要求。
6结语
1)测温孔的温度呈指数下降，在冻结过程的最初几天内，冻结管附近岩层的温度降低得很快，由于水在结冰时必须放出潜热以及已冻结岩土的热阻的增加，会出现或长或短的停滞阶段，温度的下降较为缓慢。
2)同一时间同一测温孔，探测深度与温度成反比，与温度降低速率成正比。这是因为深度越深，热交换损失越稳定，所以施工过程中一定要注意冻结区外侧的保温，尤其是与主隧道管片相接处，由于钢的热导率远大于土的导热系数，所以一定要注意保温。
3)为了避免冻结管产生剧烈的温度应力使冻结管破裂，冻结期间一定要注意控制温度梯度，温度梯度过大，冻结锋面推移较快，同时冻结时间延长，从而土的累加冻胀量增大。
4)2号联络通道位于长江水域，易产生渗透变形破坏，地下水流速在1.5~2. 5m/d，单独采用冷冻法不易达到理想效果，施工时，宜先对砂类土围岩采取注浆等措施降低地下水流速度后，再进行冻结法施工。
5)加强选择施工方案的技术论证、确保施工质量并严格按照规范进行施工、建立通畅的风险处理机制，同时还要加强现场检测与远程监控，实施信息化施工。
