隧道风道结构冻结暗挖施工工艺探究

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1工程概况

某项目位于北京市区的西北方位，属典型的地铁区间站阶段性工程，周边非建筑物密集区，故依据项目的实际作业环境现状，技术人员特选用暗挖法对该区间段展开相关施工作业。线路下穿南区二号路、南区三号路，根据项目施工期间的城市建设状况可知，道路下方已建设Φ300给水管、Φ300污水管、2000mm×2000mm电力管沟等多条管线。

2结构设计要点

2.1冻结孔的设计

冻结孔的设置需要依照相关标准科学合理地设计及布置，具体位置建议在结构的左右两侧。出入口及风道施工期间增设1排横向冻结孔，加强防护效果，以免冻结帷幕失稳［1］。出入口的跨度较大，安全保障至关重要，鉴于此项要求，于中间区域设垂直向冻结孔。此过程中要时刻保持冻结壁的壁部厚度在3m范围值以内。

2.2冻结参数的设计

开挖环节，冻结盐水温度－30℃～－28℃，在此温度区间内保证冻结壁的稳定性。所涉及的外围冻结孔的终孔距离要确定在1m以下方算合格。为取得预期的冻结效果，严格控制冻结需冷量Q，具体按以下方式计算而得:Q=1.3×π×d×l×k(1)式中，d为冻结管直径m;l为冻结总长度m;k为冻结管散热系数。

3冻结施工流程

3.1冻结孔开孔

1)冻结孔施工顺序。以透孔为作业的首要步骤依次展开，此过程中遇偏孔现象，要随即对其展开调整，确保参数回归至规定的范围值以内;随后以现有的孔位作为基础依据，通过从上到下的顺序逐一开孔，避免不安全事故的产生。

2)冻结孔定位。开孔结束后，紧接着对冻结的孔位做定位处理，以前期的测量基准点和设计图为根据，由前到后逐一开展定位工作。在整个定位放线作业中，还要随时观察现有的管片配筋情况，按照实际的配筋标准对放线展开合理的调整。

3)开孔部位及孔口处的封闭配置。①混凝土管片上:遇管片内部含钢筋的情况下，可借助专业的钻机，配上规格为Φ133mm的金刚石钻芯对孔位展开适时的调整处理，待深度抵达0.3m位置时即刻停止钻进，紧接着割断岩心并取出，将规格为Φ133×5mm的孔口管依次放入管片内;②管片上:孔口管要以焊接的方式与现有管片实现连接并安好一定数量的球阀，随后方可开展相应的钻进工作;③孔口装置安装:通过专业的螺丝工具实现孔口装置与闸阀的连接，并安装一定的垫片加以密封。

3.2冻结管钻进与冻结器安装

在开孔作业全部结束后，紧接着要利用专业的钻机展开相关的造孔工作。值得一提的是，为确保冻结孔的合格程度，在钻进过程中，机械设备的选择尤为关键，本次冻结管钻进作业中，特选用规格为Φ89×8mm的冻结管作为钻机的钻杆，管与管之间利用专业的套管丝实现扣连，最后以焊接的方式加以固定，在孔口密封装置配备齐全后，随即完成整个冻结器的安装工作。为了保证钻进精度，开孔段是关键。且在整个开孔作业中，遇偏孔情况要及时纠正。

3.3冻结站安装

1)设备就位施工措施:设备就位后，进行操平找正，相同的设备一定要整齐划一，各类型循环泵需与地面固定;对于现场组装的制冷设备，安装前应将设备零部件及附属管道清洗干净，并检查零部件表面有无损伤及缺陷，合格后方可按设备装配图纸进行组装。

2)管道系统安装施工措施:该项系统的组建离不开阀门的整体运用，故从阀门的类型选择、安装方式等方面着手，结合前期的设计方案及现有管道的实际情况，将阀门合理安装在各不同部位之上;并在制冷管道组装前，以人工处理的方式将管内现存的杂质予以去除，确保管道内部干净的同时，还要将其放置于干燥地段。

3.4管路连接、保温安装

1)此时展开焊接作业，用以实现清水管路和盐水干管二者之间的连接，同时在专用的作业平台上架设管架并保持好与地面的相隔距离，这样做可防止被水浸泡的不良后果，随即开展相应的保温工作，且保温层的外面有塑料薄膜包扎。并用一定数量的高压胶管实现集配液圈与冻结管的组装。冻结孔最后以串联的方式设置15组，长度要参照初始的孔数长度确定。

2)冷冻机组的处理:选用专业材质的PEF板对机组内部的蒸发器及低温管路展开保温，其他部位则可选用常规的保温板套用。

3)隧道兼泵房两侧管片保温:受土层外力的保护，外部的混凝土及管片散热功能较为明显，此时施工人员需要对此处的冻结帷幕实行加固保温处理，起到实际的锁温效果，采用5cm厚度的橡塑保温板，用保温胶粘于管片，敷设范围设冻结管外缘不小于2m，减少冷量损失。板材之间不得有缝隙。

3.5管路测试及积极冻结

此次暗挖施工作业中，为工程自身质量及效率的提升以及后期验收的合格，在区间站内部的所有冷冻系统安装后，随即开展管路测试和冻结功能的测试。具体操作步骤为:①盐水系统试运转:将安装好的冷冻机设置为停滞状态，以12h为一个观察时间段，对盐水系统里的液体位置予以详细记录，由此确定制冷系统的合格情况;②电路检查:上述①完成后，随即开展冷冻电路系统和水循环参数的确认及调整，待机线在空转的状态下坚持3h之后是否仍处于工作状态;③测试过程中，要随时对能量、压力及温度等各项数值予以观察并适当调整，确保其在一个正常的范围值内运行。

3.6维护冻结

冻结系统在组装运行之后，还会存在一个维护冻结的情况，此种状况下内部的盐水温度会降低至－28℃，维护期间，施工人员不可任意将其放置不管，随时要开展适当的监测工作，如遇维护期出现非正常运转的情况，及时分析原因并出给解决方案，确保其的安全性。

3.7施工风险分析及应对措施

3.7.1钻孔阶段

在进行钻孔施工作业时，应注意孔口管是否脱落以及水砂是否会从孔口处流出。控制冻结管的接缝质量，如果在进行冻结作业时，冻结管接缝不够严密，极易导致接缝处盐水漏出的情况。盐水漏出至底层会降低冻结作业的质量，进而无法正常形成冻结帷幕，达不到冻结作业的预期效果。此外，应控制好冻结孔的作业深度，不可使其与方案设定值偏差过大，以提高冻结帷幕的形成质量。钻孔作业的注意事项包括以下几点。

1)冻结时的开孔作业应分两次进行，开孔工具金刚石取芯钻。在完成所有钻孔作业后，需在孔口安设孔口管，同时在孔口管的头部装设250mm的鱼鳞扣，为提高鱼鳞扣装设的稳定性，可在鱼鳞扣外周缠绕铁丝。在进行钻进工作时，务必使孔口管的尾部连接好孔口密封装置。在对孔口管的管片进行安装处理时，需提前留出不低于100mm的保护层。在安设球阀时，应对密封装置进行压紧处理。此外，安排相关技术人员对孔口管进行观察，如果发现孔口管存在水砂流出的情况，应及时派人对盘根进行更换，同时使用工具压紧新盘根。

2)在进行钻进作业时，选用水平钻进的方式。在不影响施工作业的情况下，尽量选择无水钻进处理。对冻结孔进行钻进时，注意土体的流失量，在土体流失量小于冻结管的体积时，用孔口密封装置口上的注浆阀门对土体进行单液注浆作业，进行单液注浆作业。

3)在进行钻孔作业前，应做好预备工作。对于冻结孔的深度、钻入角度、钻入方向等，需安排相关工作人员进行质量控制。在钻孔过程中，确保冻结孔的焊接质量符合施工要求。在完成钻孔作业后，仍需派相关技术人员对完工的孔进行质量检测。

3.7.2积极冻结阶段

在积极冻结阶段，应做好风险评估分析。冻结作业的质量极易受到供电不足和供水不足的影响，从而使得冻结作业被迫停止。因此，项目工程组需确保供水与供电的途径足够稳定。除供电、供水外，冷冻设备的故障也会导致冻结作业中断，从而降低冻结作业的质量。所以，在进行冻结作业前，需对冻结所用设备进行检修。在这些设备停用时，应定期进行养护处理。冻结作业阶段需注意以下要求。

1)为确保冻结作业的用水安全，需在每个冻结站处安设2套冷冻机组。若其中1台发生故障，则可使用另一台进行作业，确保冻结作业可持续进行。

2)应严格按照施工要求选用冷冻排管与保温材料，以确保冻结帷幕与隧道管片交接处的冻结效果达到预期效果。对于孔管内部的气体，应及时排除，从而使冷冻机内部的冷量储备满足冻结作业的所需量。

4暗挖法施工工艺分析

4.1基本施工思路

先使一条隧道初支贯通，在确认无误的前提下施工另一条隧道的初期支护，并在此期间安排第一条隧道的二衬施工。以上下台阶法开挖，间距错开3～5m，遇核心土部位，要将预留的长度控制在2m之外，按1∶(0.7～1.0)的要求对台阶进行放坡，具体根据现场土层的稳定状态做合理的调整，见图1。

4.2关键施工工艺

4.2.1深孔注浆

深孔注浆又被称为二重管注浆作业，对此在材料的选择上要极其细致，建议使用水泥+水玻璃的组合浆液。深孔注浆的具体要点如下。

1)准备工作。对掌子面做整平处理，搭建注浆平台，配套注浆施工所需的注浆机，修筑合适尺寸的护壁泥浆池。以实际施工要求为准制备水泥浆，做到随拌随用。

2)测量定位。准确测出注浆孔的布设位置，用全站仪坐标法精准定位，设置醒目的标识，采取防护措施，作为后续施工的参照基准。

3)预埋定位套管。套管的具体位置要以前期确定好的注浆位置为依据，以预埋的方式展开规格Φ80的定位作业，外露部分0.1m、埋入部分0.4m，用棉纱封堵管口，避免杂物落入。

4)封闭掌子面。此时可通过梅花形式对掌子面加以封闭处理，同时增设规格为150×150mmΦ6.5mm的钢筋网，由此开展混凝土的喷射工作。

5)钻进成孔。根据钻孔要求，安排钻机就位，精细调整钻进角度，保证钻机位置准确且具有稳定性。向定位套管内插入二重管钻杆，慢速钻进，这期间用泥浆护壁，维持钻孔壁的稳定性。根据钻进作业进度，适时对钻杆做接长处理。泥浆的配合比根据现场地质条件做灵活的调整，充分发挥出泥浆的护壁作用，以防塌孔。

6)上一孔注浆期间，隔2孔安排钻孔，按照此方式循环作业。待各孔注浆工作完全落实到位，且土体得到有效的加固处理后(实测强度达标)，安排隔孔间的钻孔、注浆。

4.2.2锁脚锚管的设置

分别在各台阶处设1根长度为2m的Φ32mm钢焊管，作为锁脚锚管，从而避免格栅钢架下沉。注浆的材料要选择工程专用的水泥浆液为最佳，使用前要经过特定的试验得出科学合理的配比参数，方可开展正式的注浆工作。

4.2.3喷射混凝土

深孔注浆前，先对开挖面做封闭处理，以免在注浆期间发生工作面漏浆的问题。止浆墙喷射厚度80mm，对上台阶全范围内的掌子面做喷射处理，混凝土标号与初支部分一致。在地层条件不稳定的状态下要加快混凝土的喷射速度，起到一定的稳固效果。因某些原因而导致中途长时间停工时，喷射混凝土，封闭工作面。在该项工作中，挂网喷设混凝土，选用Φ6@150×150mm钢筋网，喷射厚度80mm。

4.2.4初支背后回填注浆

初期支护施工后安排初支背后注浆作业，选用水泥砂浆，经过注浆后使初支背后有足够的严密性［2］。除此之外，注意对注浆位置的确定及部署安排，建议在离下台阶地段的5m距离同时展开注浆作业，由上到下顺着隧道的边墙位置依次开展，保持注浆孔的相互间隔距离在3.0m左右为最合适，遵守梅花形式布置，最后对初支不明显的部位要加以处理。

4.2.5混凝土施工

首先是二衬钢筋的绑扎处理，钢筋选用提前加工的方式，以成品形态运至施工现场用以安装和焊接。模板安装环节，要求位置准确、模板稳定，尤为关键的是挡头板，此部分不可跑模;挡头板紧密拼接，模缝严密，以免由于板缝间漏浆而影响表面的完整性与平整性。及时修整拱架，清理附着在模板上的杂物，均匀刷涂脱模剂，以便后续可及时投入使用。就本项目而言，在具体的混凝土作业当中，施工人员通过“泵送入模”的方式展开相关操作，并借助分层浇筑的方式予以灌注、捣振，使其厚度均匀地控制在400mm以下。使相邻两层有效结合，层间浇筑间隔时间不超过1.5h，使相邻两层混凝土有效结合，得到完整的结构。混凝土卸料高度超2m时可能有离析现象，为此配套串筒或溜槽辅助作业，也可在浇筑面接水平导管。

4.2.6二衬背后回填注浆

1)针对初支与二衬的间隙做注浆填充处理，消除间隙，保证结构连接的完整性和稳定性。

2)对于塑料全包防水层的结构，注浆系统设在防水层表面，环向、纵向间距分别为3、5m。此外，还考虑到施工缝和变形缝两处，在两侧各1.0m内设注浆系统，实现全方位的注浆。

3)底座和导管作为注浆系统的重要组成构件，其的作用不容小觑，单就底座的稳固方式来说，其可使底板与防水板形成稳定结合的关系，而后用塑料胶带对底座四周做全方位的封闭处理，禁止形成空隙，否则混凝土灌注时材料可能经由该处进入，进而导致导管堵塞。注浆导管集中在两侧墙引出，或是根据实际需求调整为单个直接引出的方法，但需采取临时封堵措施，并设置醒目的标记，以便后续可顺利进行注浆作业。

4)注浆材料为高强无收缩水泥浆液，掺8%～10%膨胀剂，水灰比(0.8～1.0)∶1，按0.3～0.5MPa的注浆压力有效注入。

5监测结果

1)最小冻结壁厚度3.72mm，平均温度－14.2℃(出入口及风道开机冻结54d后的实测数据)。

2)冻结土层的力学性能方面，抗压强度平均值4.03MPa，抗剪强度1.6MPa。纵观冻结全流程，高压管廊可始终保持稳定，有隆起、沉降现象，最大值分别为5、30mm，但均得到有效的控制，处于可控范围内。通过对电力综合管廊的观察可以发现，其仍维持正常，不会由于施工而受到干扰。总体来看，冻结暗挖法在保证地层稳定性、营造施工安全性、减小对周边设施的干扰等方面均有积极的作用，可行性较高。

6结语

在地铁车站区间隧道风道结构的施工中，在应用冻结暗挖法后可有效优化地铁车站的施工环境，提供安全的施工作业条件，降低对周边环境现存建筑物及其他相关事物的侵扰。本文，经过分析后提出冻结暗挖法的具体应用要点，以供参考。

参考文献:

［1］谢智．地铁车站风道结构冻结暗挖法施工工艺［J］．工程技术研究，2021，44(8):101－102．

［2］曹小为．浅埋暗挖地铁隧道施工技术与风险探究［J］．工程建设与设计，2020，68(12):98－99.

作者:侯永军 单位:中铁十六局集团地铁工程有限公司