闫超
上海中惯建设工程有限公司 上海 201800
摘要：为满足城市化建设要求，对地下空间的合理利用成为现今社会关注的重点。冻结穿越工程作为地下空间开发的重要项目，其施工质量将直接影响地下空间的稳定性，并关乎地上结构质量。所以合理应用冻结施工技术成为目前业内研究的重点。本文就结合地铁项目加固工程，对冻结施工技术的应用展开详细的分析和说明。
关键词：地铁项目加固；冻结法；施工技术
地铁工程项目是目前城市化建设中较为重要的组成部分，是城市交通行业进一步发展的关键。地铁工程项目多以地下施工为主，对稳固性要求较高，所以在施工作业中需注重冻结穿越的质量把控，合理规划冻结孔位置、设计强度、厚度、冻结时间及推进冻结板块的长度等，根据这些参数数据科学规划施工方案，以推动施工作业的安全进行。
1.人工冻结技术的原理
冻结法最初应用于金矿开采，起源于俄国，后凭借显著的优势流传到德国，开始应用于煤矿矿井建设。随着冻结法使用越来越普遍，逐渐成为地下工程施工中不可或缺的地基加固技术。现阶段，冻结法已经被广泛运用于地铁施工中，且实践应用越来越完善与成熟。人工冻结技术又称之为人工制冷技术，是指使地表层液体在持续低温状态下快速凝固，形成固体，增强地基的强度、稳固性与抗水渗性，在提升地基可靠性的基础上，达到隔绝地基与地下渗水的目的。可以说，人工冻结技术的应用，是地下工程施工有序开展的必要条件。
通常情况下，人工冻结技术以氨类物质作为主材料。整个制冷系统主要由氨循环系统、盐水循环系统及冷却水循环系统三部分组成[1]。制冷系统应用的主要目的是采用人工干预的措施，对岩土性质进行改良，增强地基基础的可靠性，以便在坚固护壁的支撑下，保障钻井等工序的有序开展。
2.人工冻结技术的优点
与传统施工技术相比，人工冻结技术最显著的优势是具有良好的抗渗能力。这也是人工冻结技术被拓展应用到各类工程建设中的主要原因。随着现代化城市建设进程的加快，地下工程的建设速度越来越快。在地下工程施工中，地下环境的复杂性与地质结构的安全性一直是施工重难点内容。而人工冻结技术的合理应用，有效解决了此类问题。总的来说，人工冻结技术的优点集中体现在如下几方面：
其一，抗渗能力较强，隔绝地基层与地下深水；其二，适用性良好，适用于除低含水率的所有地层；其三，制冷性能良好，整体制冷系统结构组成简单，投资成本较低，土壤污染程度小，噪音分贝小。即便是冻土随外界温度回升出现速融现象，也不会对地基基础以及地下结构造成严重损害。
3.基于实际项目案例的冻结法施工关键技术应用分析
3.1项目概况
以天津地铁Z1线尖山路站修复工程中的一段为例，由于该段存在明显的变形问题，修复工程将从原有的车站地墙位置到盾构段管片未变形位置，整个过程中采用冻结加固和暗挖施工方式。从目前实际勘察情况来看，损坏管片宽度在1.5m左右，阶段长度约3m，隧道内径约5.5m。在工程开展前，对地铁所在区域地质地貌环境展开调查，发现该区域地质结构由粉质黏土、砂质粉土、黏质粉土、粉砂等结构构成。
该地铁段由于横跨尖山路，故而将修复所需开挖的基坑结构设置在西部头井西侧位置上。但在基坑施工前，要先做好周边建筑保护。该区域东北侧有三栋多层建筑、移动高层建筑，东侧与线路站台共墙，西侧则与隧道相邻。所以在基坑施工前，要保证多层建筑与隧道管片距离在30m左右，高层建筑与管片距离在40m以上。南侧和西侧隧道与暗挖隧道管片间的距离控制在13m和6.7m以上。
本项目在设计中根据现场具体情况，采用垂直、水平盐水冻结加固和暗挖施工方案，以盐水作为媒介实现低温冻结，保障土体结构的稳固性。
3.2项目难点
本项目修复路段内的含水量较高，孔隙率较大，如果直接采用水平冻结方式，会因为水头差的产生而致使实际作业中出现涌水或涌砂的情况。另外，由于该段隧道工程已经完全打通，相应的区域段内的土体结构已发生变化，如果盲目施工，可能会发生安全事故。虽然有利用注浆法对土体结构的物理性能加以调整，但也在一定程度上增加了垂直钻孔的难度；整体施工环境较差，施工可用空间较小，再加上顶部混凝土结构的密实度不佳，施工中可能会出现渗漏问题；隧道管片破损范围的界定存在不精准情况；隧道开挖后，土层结构原有的应力结构被打破，土体结构力的划分存在不均衡性，容易出现位移问题，增加已经固结好的结构的荷载压力，进而发生结构蠕变。而蠕变加剧，冻结管承载压力的增加，很容易出现断裂问题，削弱加固效果，引起更多问题；周边环境及建筑保护不到位。
3.3关键施工技术
3.3.1施工工序
首先注重端头部位冻结加固施工质量把控。在前期设计阶段，通过测温孔的设置实施现场观察、测量和计算，并结合收集数据对冻结帷幕交圈过程、冻土情况以及槽壁加固效果展开分析。根据加固强度要求合理规划设计内容。实际施工中，当加固区域达到设计强度要求后，盾构机械将进一步推进至距离设计圆柱体的冻结帷幕安全距离以外部分，之后对洞口的槽壁向内部加固至少达到600mm，最后展开探孔的施工操作，以无泥浆、水的流出现象为标准，待冻结程度达到设计要求后，开展槽壁破除工作[2]。在槽壁破除过程中，也要保持持续土体冻结操作，避免出现间断。同时注重冻结参数的观测，待其达到规定设计要求后，停工并拔出冻结管，以此推进下一道工序的顺利开展。
3.3.2冻结孔施工
一是钻孔施工。1）确定开孔位置，现场开展孔口管安装作业。开孔位置应严格按照设计要求进行，注重孔洞位置的精确性。开孔作业开展前，要先准确设备，如开孔器器等。开孔前后均要对位置加以细致检查，符合要求后再开始作业。开孔尺寸控制在140mm左右。2）实施孔口位置密封处理。通过螺丝连接，将孔口与闸阀固定，使用密封垫，加深孔口密封效果。3）冻结孔施工。对机械操作角度以及俯仰角度予以合理设计和验算，目的是提高冻结孔施工质量，强化稳固效果。冻结孔的孔口位置需安装旁通阀，实施密封处理。第一步，钻孔机械要实施“无泥浆”钻孔操作，等到钻孔进尺达到设计指标，再改变施工工艺方法实施“有泥浆”钻孔操作，第二步，进一步开启孔口装置上的旁通阀门，实时监测出水状况以及出砂的情况。4）测斜。利用经纬仪和灯光的共同作用对孔洞实行测量的一种方式，判断孔洞垂直度。测斜率要控制在100mm内，减少过大偏移带来的影响。5）密封试验。以注水的方式检测冻结管的密封效果，试验中水压控制在0.8兆帕，试验时间为30分钟。
二是槽壁破除。一般是在冻结半月后进行。
在此之前要先确定冻结效果是否达到规定标准要求、盾构机的安装是否已经完成且检验合格、橡胶帘布板质量是否完好并已经安装到指定位置。待确认完成后拔管。如果现场条件允许，可在最后一层槽壁钢筋破除后拔管，且做好槽壁保温处理。
三是槽壁探孔处理。槽壁探孔施工作业开展前，要对现阶段的施工作业展开观测和检查，了解交圈帷幕施工过程、掌握冻土情况、确定槽壁加固效果，待这些工作均与实际标准要求相符，且盾构机已经推进到施工中较为安全的距离后，再开始槽壁探孔施工。施工前先将内部结构予以加固，加固厚度控制在600mm，最后展开探孔施工，以无泥浆、水的流出现象为标准，待冻结程度达到设计要求后，再进一步对槽壁展开破除工作。
四是拔管。槽壁破除后，冻土帷幕和槽壁胶结构均达到规定标准要求，盾构机也已经在冻结板的安全距离内再开始拔管操作，拔管坚持由下到上的顺序进行。
3.4冻结法在地铁项目加固工程中的应用方法
1）防喷涌是水平冻结孔施工过程中的重难点内容。为达到防喷涌的目的，必须采取如下几方面处理措施：钻进施工前，将孔口管固定在内衬墙上，并将管道固定点位数量控制在至少5个以上。在各孔口管前端安装一个密封盒和一个球阀。使用优质纯棉纱对密封装置缝隙及冻结管缝隙实施填充处理。在孔口防喷涌装置施工结束后，严格按照标准规范对装置施工质量展开全面且细致的检查，检查无误后继续后续施工。
2）参照冻结孔施工图以及预先设置的施工基准点，对冻结孔进行放线测量与孔口定位。在钻进施工前，积极调整钻孔机参数，确保钻孔机参数符合设计方的钻孔参数要求。各冻结孔必须保持垂直，同时根据隧道轴线基准点对测温孔加以定位，确定测温孔的开孔中心[3]。
3）垂直钻孔精度控制措施
第一，确保钻孔施工现场的平整性与稳固性。深入施工现场开展放样测量，获取地面标高参数。盾构施工结束后，根据隧道坡度和管片形态等基本情况，进一步明确钻孔的垂直深度。绘制完整且精确的CAD图纸，明确标注各冻结孔的设计深度。
第二，根据冻结孔位置，确定钻机位置。在钻进施工过程中，根据地层的硬度条件，选择适宜的钻头。通常情况下，钻进施工以三翼钻头为主。此类钻头最显著的优势是不会对管片混凝土造成任何程度的损害。一旦钻头碰触到隧道管片，钻机会出现明显的回弹现象，提醒钻进人员实行现场调整。
第三，开孔段钻进是提升钻孔精度的必要条件。当钻孔垂直深度达到5m时，对钻杆垂直度加以反复核实，合理调整钻机位置，且严格控制钻进压力。
第四，下放冻结管前，预先配置管道，确保冻结管与钻孔中心轴线保持重合。
第五，冻结管下放结束后，使用灯光测斜法对冻结管的倾斜度加以检测，绘制完整且精确的管偏位平面图，采用绳测法对冻结孔垂直深度加以复测，如实记录深度测量数据。当冻结管深度与斜度达到标准要求后，对管道施加一定的压力，检测管道是否存在渗漏点。
第六，钻孔前，对设计断面和里程数加以反复核对，确保钻孔深度准确无误。将靠近隧道中心位置的冻结孔作为试验孔，调整实际钻孔深度，以免钻孔作业对管片混凝土造成结构性损害。将钻孔与管片混凝土间的安全距离控制在至少20cm以上。
第七，将开孔位置误差控制在100mm以内，将冻结孔终孔间距与偏斜率都控制在合理范围内。
第八，在正式施工前，钻孔人员要积极开展技术交底工作，创建完善的施工档案管理制度，指定专业技术人员进行现场轮班，严格控制实际钻孔深度，避免左侧管片混凝土结构遭到损害。
第九，选用C40P10商品混凝土作为结构层混凝土材料，使用输送泵设备对混合砼实施输送灌注。根据实际情况，采用适宜的混凝土振捣措施，适当增加放气孔数量，增大混凝土浇筑密实度。混凝土浇筑结束后，第一时间填充预先配制的混合浆液。此外，还要根据管片混凝土结构的形变程度与破损程度对修复范围加以确定[4]。若管片混凝土未出现任何环向裂缝，可以考虑保留整体结构。一方面，减少施工任务量，节约投资成本，另一方面降低管片混凝土结构拆除的施工风险系数。在切割隧道时，由于无法预测管片所遭受的损害范围与程度，所以施工人员要结合以往积累的实践经验，采取数值模拟计算法进行施工。如果隧道管片中填满水泥砂浆，需要使用全回转钻机进行管道切割，严格控制隧道管片的影响范围。
第十，开挖过程中，对冻结帷幕的不规则形变程度展开实时检测。根据冻结帷幕的变形情况及时调整开挖量，选择适宜的临时支护方式。对支护内壁实施填充处理，以提高支护内壁的填充密实度，达到有效控制冻结帷幕不规则形变的目的。
第十一，基坑开挖施工过程中，必须深度考量建筑物的地基基础埋深、建筑物的结构可靠性和建筑物的使用寿命等客观条件。在正式施工前，对建筑予以质量鉴定。在实际施工中，由第三方监测机构对地基不规则沉降、上部结构不规则形变和整体建筑结构倾斜等情况加以动态监测。
4.本人在本次工程中的主要工作内容
组织编制施工方案，提交相关部门审查核实；展开施工图纸的绘制和审核，及时找出其中问题并加以解决；注重现场施工作业的协调处理，加快施工作业进程；实现冻结监控设备运行状态的实施监督和分析，掌握和判定冻结帷幕发展情况；组织开展定期分析和总结会议，对作业结果进行检查验收；对施工作业开始的各个阶段予以科学把控与处理，测量各项数据精准性，使修复工程能够完全按照规定要求完工。
5.业绩成果
本项目完工后，变形和病害问题得到解决，工程结构加固效果加强，可维护地铁的顺利通行，该工程作业获得了领导的高度重视和肯定。
6.结语
地铁项目加固工程中，冻结法施工关键技术的合理应用，能够有效改善工程加固效果，保障施工作业的安全性、高效性和可靠性，进而降低意外问题和危险事故的发生率，为地铁的日后运营提供坚实保障，并最终促进我国轨道交通事业的长远发展。
参考文献：
[1]张卫锋.某地铁项目加固工程"冻结法"施工关键技术[J].四川建材,2019(12)
[2]王卫民.地铁暗挖风道冻结法施工技术[J].工程机械与维修,2020,No.292(03)
[3]黄磊,刘文博,吴雨薇,等.南宁地铁东滨区间联络通道冻结法加固施工监测分析研究[J].森林工程,2019,035(006)
[4]高福华.冻结法在合肥地铁联络通道施工中的应用[J].中国标准化,2019,No.552(16):96-97.