大直径盾构隧道联络通道冻结法施工

大直径盾构隧道联络通道冻结法施工一、冻结法施工的技术原理与适用条件冻结法施工是利用人工制冷技术，将隧道周围含水地层中的水冻结成冰，形成具有高强度和低渗透性的冻结壁，从而在不稳定地层中构建临时支护结构，保障联络通道开挖与衬砌作业的安全。其核心原理是通过布置在隧道管片上的冻结管，循环输送低温盐水（通常为-25℃至-30℃的氯化钙溶液），使地层中的水分逐渐冻结，冰体相互连接形成封闭的冻结壁。对于大直径盾构隧道（通常指直径≥10m的隧道），联络通道冻结法施工的适用条件主要包括：地层条件：适用于富水砂层、粉土层、软土地层等易坍塌或渗水的地层，尤其在地下水压较高（≥0.3MPa）的情况下，冻结法的止水效果显著优于其他工法。工程需求：当联络通道需穿越两条平行隧道，且隧道间距较小（通常≤15m）时，冻结法可避免对既有隧道结构造成过大扰动；同时，对于周边存在敏感建筑物或地下管线的工程，冻结法的非开挖特性可最大限度减少地面沉降。二、冻结法施工的关键技术环节（一）冻结孔布置与钻进控制冻结孔的布置直接决定冻结壁的形成质量。在大直径隧道中，冻结孔通常沿联络通道设计轮廓线呈环形布置，分为主冻结孔和辅助冻结孔：主冻结孔：布置在联络通道开挖轮廓线外1.5m至2.0m处，孔深需覆盖整个联络通道长度（通常10m至15m），间距控制在0.8m至1.2m，以确保冻结壁的连续性；辅助冻结孔：布置在主冻结孔与隧道管片之间，用于加强管片周围地层的冻结，防止管片接缝渗水。钻进过程中需严格控制孔位精度：采用导向钻进技术，确保冻结孔偏斜率≤0.5%，避免冻结孔相互交叉或偏离设计位置。对于大直径隧道，由于管片直径较大，冻结孔钻进时需考虑管片的弧度，通常采用扇形布孔方式，使冻结孔末端汇聚于联络通道中心轴线。（二）冻结系统设计与运行冻结系统由制冷机组、盐水循环系统、冻结管三部分组成：制冷机组：根据地层体积和冻结时间计算制冷量，通常采用双级压缩制冷机组，单台制冷量≥100kW，确保低温盐水的持续供应；盐水循环系统：包括盐水箱、盐水泵、集配液圈等，盐水流速需控制在1.5m/s至2.0m/s，以保证热量交换效率；冻结管：采用φ108mm×8mm的无缝钢管，管端封闭并焊接导向头，管内设置回液管（通常为φ50mm钢管），形成“下进上出”的循环路径。冻结过程分为积极冻结期和维护冻结期：积极冻结期：持续时间约30天至45天，目标是使冻结壁厚度达到设计要求（通常≥2.0m），温度降至-10℃以下；期间需每日监测冻结壁温度、盐水温度及流量，当冻结壁交圈且厚度满足要求后，进入维护冻结期。维护冻结期：持续至联络通道衬砌完成，盐水温度维持在-20℃左右，确保冻结壁强度不降低。（三）冻结壁质量监测与评估冻结壁的质量直接关系到施工安全，需通过温度监测、变形监测、声波测试等手段进行实时评估：温度监测：在冻结孔之间布置温度传感器（每2m布置一个），监测地层温度变化，当冻结壁平均温度≤-10℃时，可判定冻结壁达到设计强度；变形监测：在隧道管片上布置收敛计和沉降观测点，控制冻结过程中隧道的径向收敛≤5mm，地面沉降≤10mm；声波测试：通过超声波检测仪测量冻结壁的纵波速度，当纵波速度≥3000m/s时，表明冻结壁已形成完整的刚性结构。三、大直径隧道联络通道冻结法施工的难点与对策（一）大断面冻结壁的稳定性控制大直径隧道联络通道的开挖断面通常较大（宽×高≥5m×6m），冻结壁需承受更大的土压力和水压力，易出现冻结壁变形过大或局部解冻的问题。对策包括：优化冻结孔布置：增加主冻结孔的密度（间距缩小至0.8m），并在冻结壁薄弱部位（如联络通道顶部和底部）增设加强冻结孔；提高冻结壁厚度：将冻结壁设计厚度从常规的1.5m增至2.5m，确保其安全系数≥2.0；采用“分级开挖”方式：先开挖上半断面（高度约3m），及时施作初期支护（如格栅钢架+喷射混凝土），再开挖下半断面，减少冻结壁的暴露时间。（二）管片保护与接缝止水大直径隧道管片的厚度通常为0.6m至0.8m，冻结过程中管片易因低温收缩产生裂缝，且管片接缝处易出现渗水。对策包括：管片预热：在冻结前对管片表面喷洒温水（温度≥20℃），减少管片与冻结壁之间的温差；接缝密封：在管片接缝处粘贴遇水膨胀止水条，并注入聚氨酯密封胶，防止盐水渗入隧道内部；冻结管密封：冻结管穿过管片时，采用橡胶密封圈+环氧树脂的双重密封结构，确保管片的水密性。（三）融沉控制技术冻结壁解冻后，地层中的冰体融化会导致体积收缩，引发地面沉降。针对大直径隧道的融沉问题，可采取以下措施：控制解冻速度：采用“逐步提高盐水温度”的方式（每日升温≤5℃），使地层缓慢解冻，减少融沉速率；地层注浆加固：在解冻前通过冻结孔或专门的注浆孔，向冻结壁周围地层注入水泥-水玻璃双液浆，填充冰体融化后的空隙；跟踪注浆：根据地面沉降监测数据，及时进行补充注浆，确保地面沉降量控制在允许范围内（通常≤30mm）。四、工程案例分析——以上海某越江隧道联络通道为例该隧道为双向六车道大直径盾构隧道，直径14.5m，联络通道穿越富水砂层，地下水压0.5MPa，采用冻结法施工。（一）工程难点地层为中粗砂层，渗透性强（渗透系数≥10⁻³cm/s），冻结过程中易出现盐水流失；联络通道开挖断面达6m×7m，冻结壁需承受较大荷载；隧道上方为城市主干道，地面沉降控制要求严格（≤20mm）。（二）施工方案优化冻结孔布置：共布置主冻结孔48个，间距0.8m，辅助冻结孔12个，孔深15m，确保冻结壁厚度达到2.8m；制冷系统：采用2台120kW双级压缩制冷机组，盐水温度控制在-30℃，积极冻结期延长至45天；开挖与支护：采用CRD工法（交叉中隔壁法）开挖，每循环进尺0.5m，初期支护采用I20a型钢架+300mm厚喷射混凝土，二次衬砌采用C50防水混凝土；融沉控制：解冻前注入水泥-水玻璃浆200m³，解冻过程中进行跟踪注浆，最终地面沉降量控制在15mm以内。（三）施工效果该联络通道施工历时120天，未发生坍塌、渗水等安全事故，冻结壁平均温度-12℃，强度达到15MPa，满足设计要求；隧道结构变形≤3mm，周边管线运行正常，工程质量获评“上海市优质工程”。五、技术发展趋势随着大直径盾构隧道工程的增多，冻结法施工技术正朝着智能化、精细化方向发展：智能监测系统：采用物联网技术，实时采集冻结温度、地层变形、盐水流量等数据，通过BIM模型可视化展示冻结壁形成过程，实现施工风险的提前预警；低温材料应用：研发耐低温的管片密封材料和冻结管防腐材料，提高冻结法的耐久性；复合工法融合：将冻结法与注浆法、管棚法结合，形成“冻结