一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系及其开挖方法

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域。具体地说是一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系及其开挖方法。

背景技术

大断面长距离隧道工程与其他小断面、短距离隧道工程相比，所面临的施工风险更多，施工难度更大，隧道的结构、施工环境和施工组织更加复杂，尚存在大量工程技术问题。其中，如何选择合理、最优的施工方法来安全通过工程地质不良段，最大程度地降低对周围环境的破坏，是工程建设业主方、设计方、施工方和监理方均十分关注的问题。

为了在不稳定地层中修建隧道，国内外提出了许多地层预加固技术措施，在土质隧道中普遍应用注浆、小导管和管棚等技术。而人工冻结法作为一种临时加固技术，已广泛应用于矿井建设、市政工程中，但是，在大断面长距离隧道工程中的应用经验仍显不足，尤其是需要在不稳定地层中修建大断面长距离隧道时，缺乏较为成熟的施工方法。目前这类施工工程中，在利用人工冻结法加固隧道外围土体时，常采用传统的杯型冻结壁加固方式。这种加固方式需要采用满堂冻结，钻孔数量多，且在开挖区域也形成了强冻结区，使开挖难度加大，后期冻结管拔除的工程量也较大。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系及其开挖方法，以解决在地层涌水量较大、土层含沙量大，且不具备明挖条件的大断面隧道施工过程中，采用冻结法加固外围土体时，钻孔数量多、开挖难度大等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系，其特征在于，包括冻土帷幕和水泥加固体；所述冻土帷幕为筒型冻结壁，所述筒型冻结壁形成强冻结区，所述筒型冻结壁围成的待开挖区域为弱冻结区；所述水泥加固体位于待开挖大断面隧道掌子面沿开挖方向的非开挖区。

一种大断面隧道施工中采用冻结壁与水泥加固体联合围护体系的开挖方法，包括如下步骤：

步骤A：根据筒型冻结壁的设计方案进行钻孔，并安装好冻结系统，积极冻结形成冻土帷幕，所述冻土帷幕为筒型冻结壁，所述筒型冻结壁形成强冻结区，所述筒型冻结壁围成的待开挖区域为弱冻结区；

步骤B：完成积极冻结后，在距待开挖小断面掌子面10m处的围岩内进行首次水平注浆，形成所述水泥加固体；

步骤C：开挖验收通过后进行分段水平开挖，直至开挖部分初次支护完成后，进行下一段注浆及开挖；依序按照每10m水平注浆完成一次后进行开挖，至待开挖段的初次支护全部完成；开挖至端头后进行注浆加固，以完成末端加固；

步骤D：完成防水后进行二次衬砌施工，停止冻结，封堵内外全部冻结孔，并进行充填及融沉注浆。

上述一种大断面隧道施工中采用冻结壁与水泥加固体联合围护体系的开挖方法，在步骤B中，依据冻结孔布设规则，将待开挖大断面的施工区从上而下依次分为第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶4个开挖区，每个开挖区均为水平开挖；将积极冻结分为第一期冻结和第二期冻结；所述第一期冻结包括对所述第一台阶和所述第二台阶两个开挖区的冻结；所述第二期冻结包括对所述第三台阶和所述第四台阶两个开挖区的冻结；且所述第二期冻结是在所述第二台阶开挖区开挖完成后施工；步骤C可分为如下工序：

步骤(C-11)第一台阶的开挖：依序按照每10m水平注浆一次后进行分段水平开挖，随挖随支，直至第一台阶的初期支护全部完成；然后在第一台阶开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第一台阶的末端加固；当第一台阶开挖全部完成后：在第一台阶施工安装第一中部中隔板，并利用第一台阶的开挖空间施工垂直注浆孔对第二台阶待开挖区进行注浆封端加固；

步骤(C-12)第二台阶的开挖：采用所述第一台阶的开挖方法对第二台阶进行开挖；开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第二台阶的末端加固；所述第二台阶的开挖全部完成后，在所述第二台阶施工安装第一底部中隔板，并利用第二台阶的开挖空间施工垂直注浆孔对第三台阶待开挖区进行注浆封端加固；

步骤(C-13)第三台阶的开挖：在完成第二台阶开挖后，进行所述第二期冻结，完成第二期冻结后，按照所述第一台阶的开挖构筑方法对所述第三台阶进行开挖；开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第三台阶的末端加固；所述第三台阶的开挖全部完成后，在所述第三台阶施工安装第二中部中隔板，并利用第三台阶的开挖空间施工垂直注浆孔对第四台阶待开挖区进行注浆封端加固；

步骤(C-14)第四台阶的开挖：采用所述第一台阶的开挖方法对第四台阶进行开挖；开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第四台阶的末端加固。

上述一种大断面隧道施工中采用冻结壁与水泥加固体联合围护体系的开挖方法，在步骤B中，依据冻结孔布设规则，将待开挖大断面的施工区从上而下依次分为第一台阶、第二台阶和第三台阶3个开挖区，每个开挖区均为水平开挖；步骤C可分为如下工序：

步骤(C-21)第一台阶的开挖：依序按照每10m水平注浆一次后进行分段水平开挖，随挖随支，直至第一台阶的初期支护全部完成；然后在第一台阶开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第一台阶的末端加固；当第一台阶开挖全部完成后：在第一台阶施工安装第三中部中隔板A，并利用第一台阶的开挖空间施工垂直注浆孔对第二台阶待开挖区进行注浆封端加固；

步骤(C-22)第二台阶的开挖：采用所述第一台阶的开挖方法对第二台阶进行开挖；开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第二台阶的末端加固；所述第二台阶的开挖全部完成后，在所述第二台阶施工安装第三中部中隔板B，并利用第二台阶的开挖空间施工垂直注浆孔对第三台阶待开挖区进行注浆封端加固；

步骤(C-23)第三台阶的开挖：采用所述第一台阶的开挖方法对第三台阶进行开挖；开挖至端头后进行水平注浆加固，以完成第三台阶的末端加固。

本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：

(1)本发明采用筒型冻结壁形式对拟建隧道外围的土体进行冻结加固，可以形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，而开挖区域则形成弱冻结区，降低了开挖区的开挖难度；然后，在隧道掌子面进行水平超前注浆加固，形成冻结壁与水泥加固体联合围护体系，该围护体系可以满足不稳定地层大断面隧道的施工要求。

(2)本发明中，由于大断面隧道的断面较大，且地层结构不稳定，将冻土帷幕分为两个冻结加固区，能够保证断面周围土体及开挖过程中围护体系的强度，避免因加固强度不足而造成的施工安全风险；另外，本发明采用筒型冻结壁形式进行加固，不需要在掌子面增加冻结孔，而是采用水平注浆来代替，节省了大量钻孔时间和材料，提高了施工效率。在开挖前，对大断面隧道掌子面进行水平超前注浆加固，可以在待开挖区形成完整的围护体系，从而确保施工中围岩的稳定性和隔水性，保证了施工的顺利进行。在开挖过程中，通过对整个施工过程进行实时监测，及时观测到地层变形情况，可以确保整个施工过程能够顺利进行。

(3)本发明的开挖施工方法不同于传统的杯型冻结方式，而是采用筒型冻结壁，不需要在掌子面钻冻结孔，而是将传统的满堂端部冻结用水平注浆加固代替，节省了大量钻孔时间和材料，开挖区域为弱冻结区，开挖难度下降。将待开挖大断面的施工区分成3或4个开挖区，从上到下依次分层水平挖进，且在每层开挖施工中隔板，并在施工过程中利用上一台阶的开挖空间对下一台阶进行注浆封端加固，可以避免在下一台阶施工开挖时，因井筒型冻结壁底部未加固而可能出现的涌水涌沙等问题；在开挖过程中随挖随支，及时封闭成环，以减少空帮时间，从而确保施工过程中不会因为地层不稳定而引发施工问题。

附图说明

图1本发明实施例2中1#横通道结构示意图；

图2本发明实施例2中1#横通道A-A剖面图；

图3本发明实施例2中1#横通道B-B剖面图；

图4a本发明实施例2中1#横通道第一阶段冻结壁纵剖面图；

图4b本发明实施例2中1#横通道第一阶段冻结壁1-1横剖面图；

图4c本发明实施例2中1#横通道第一阶段冻结壁2-2横剖面图；

图5a本发明实施例2中1#横通道第二阶段冻结壁纵剖面图；

图5b本发明实施例2中1#横通道第二阶段冻结壁1-1横剖面图；

图5c本发明实施例2中1#横通道第二阶段冻结壁2-2横剖面图；

图6a本发明实施例2中1#横通道外圈冻结孔布置图；

图6b本发明实施例2中1#横通道内圈及底部冻结孔布置图；

图7本发明实施例2中1#横通道冻结孔开孔位置图；

图8本发明实施例2中1#横通道开挖步骤1示意图；

图9本发明实施例2中1#横通道开挖步骤2示意图；

图10本发明实施例2中1#横通道开挖步骤3示意图；

图11本发明实施例2中1#横通道开挖步骤4示意图；

图12本发明实施例2中1#横通道开挖步骤5示意图；

图13本发明实施例2中1#横通道开挖步骤6示意图；

图14本发明实施例2中1#横通道开挖步骤7示意图；

图15本发明实施例2中1#横通道钻孔完成示意图；

图16本发明实施例2中1#横通道积极冻结示意图；

图17本发明实施例2中1#横通道第一台阶开挖示意图；

图18本发明实施例2中1#横通道开挖完成示意图；

图19本发明实施例1中大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系第一期冻结加固区纵剖面图；

图20本发明实施例1中大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系第二期冻结加固区纵剖面图；

图21本发明实施例1中大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系第一期冻结加固区横剖面图；

图22本发明实施例1中大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系第二期冻结加固区横剖面图；

图23本发明实施例4中2#横通道结构示意图；

图24本发明实施例4中2#横通道冻结壁纵剖面结构示意图；

图25a本发明实施例4中2#横通道冻结壁1-1横剖面结构示意图；

图25b本发明实施例4中2#横通道冻结壁2-2横剖面结构示意图；

图26a本发明实施例4中2#横通道外圈冻结孔布置图；

图26b本发明实施例4中2#横通道内圈及底部冻结孔布置图；

图27本发明实施例4中2#横通道冻结孔开孔位置图；

图28本发明实施例4中2#横通道开挖步骤1示意图；

图29本发明实施例4中2#横通道开挖步骤2示意图；

图30本发明实施例4中2#横通道开挖步骤3示意图；

图31本发明实施例4中2#横通道开挖步骤4示意图；

图32本发明实施例4中2#横通道开挖步骤5示意图；

图33本发明实施例4中2#横通道开挖步骤6示意图；

图34本发明实施例4中2#横通道钻孔完成示意图；

图35本发明实施例4中2#横通道积极冻结示意图；

图36本发明实施例4中2#横通道开挖完成示意图；

图37本发明实施例3中2#横通道第三冻结加固区结构示意图；

图38本发明实施例2中1#横通道注浆孔布置图。

图中附图标记表示为：1-第一期冻结加固区；11-第一上部冻结壁；12-第一底部中隔板冻结壁；13-第一侧墙冻结壁；14-第一中部中隔板冻结壁；2-第二期冻结加固区；21-第二上部冻结壁；22-第二底部冻结壁；23-第二侧墙冻结壁；24-第二中部中隔板冻结壁；3-待开挖大断面隧道掌子面；30-第三冻结加固区；301-第三上部冻结壁；302-第三底部冻结壁；303-第三侧墙冻结壁；304-第三中部中隔板冻结壁A；305-第三中部中隔板冻结壁B；4-水泥注浆区；5-待开挖小断面掌子面；6-卸压孔群X；61-第一卸压孔群X；62-第二卸压孔群X；63-第三卸压孔群X；64-第四卸压孔群X；7-加热孔群DJ；81-外圈冻结孔群D；82-第一列外圈冻结孔群FB；83-第二列外圈冻结孔群D；84-第一行外圈冻结孔群DB；85-第二行外圈冻结孔群DB；86-第三行外圈冻结孔群DB；87-第四行外圈冻结孔群DB；88-第五行外圈冻结孔群DB；89-第六行外圈冻结孔群DB；91-外圈辅助冻结孔群DN；92-第一列外圈辅助冻结孔群DN；101-第一界面加强冻结孔群G；102-第二界面加强冻结孔群G；103-第三界面加强冻结孔群G；104-第四界面加强冻结孔群G；105-第五界面加强冻结孔群G。

具体实施方式

实施例1

如图19和图20所示，一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系，包括冻土帷幕和水泥加固体；冻土帷幕为筒型冻结壁，筒型冻结壁形成强冻结区，由筒型冻结壁围成的待开挖区域为弱冻结区；冻土帷幕包括第一期冻结加固区1和第二期冻结加固区2；水泥加固体位于待开挖大断面隧道掌子面3沿开挖方向的非开挖区。本实施例采用筒型冻结壁形式对拟建隧道外围的土体进行冻结加固，可以形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，而开挖区域则形成弱冻结区，降低了开挖区的开挖难度；然后在隧道掌子面进行水平超前注浆加固，形成冻结壁与水泥加固体联合围护体系，该围护体系可以满足不稳定地层大断面隧道的施工要求。

如图21所示，第一期冻结加固区1为“日”字形直墙圆弧顶底型冻结壁；第一期冻结加固区1包括第一上部冻结壁11、第一底部中隔板冻结壁12、第一侧墙冻结壁13和第一中部中隔板冻结壁14；第一上部冻结壁11的厚度为3.0m，第一底部中隔板冻结壁12厚度为3.5m，第一侧墙冻结壁13和第一中部中隔板冻结壁14厚度均为2.5m；第一上部冻结壁11、第一底部中隔板冻结壁12、第一侧墙冻结壁13和第一中部中隔板冻结壁14均沿前端掌子面3向非开挖区延伸8.0m；

如图22所示，第二期冻结加固区2为“日”字形直墙圆弧底型冻结壁；第二期冻结加固区2包括第二上部冻结壁21、第二底部冻结壁22、第二侧墙冻结壁23和第二中部中隔板冻结壁24；第二上部冻结壁21与第一期冻结加固区1的第一底部中隔板冻结壁12相连接；第二侧墙冻结壁23和第二中部中隔板冻结壁24的厚度均为2.5m，第二底部冻结壁22的厚度为3.5m，第二上部冻结壁21、第二底部冻结壁22、第二侧墙冻结壁23和第二中部中隔板冻结壁24均沿前端掌子面3向非开挖区延伸8.0m。由于大断面隧道的断面较大，且地层结构不稳定，将冻土帷幕分为两个冻结加固区，能够保证断面周围土体及开挖构筑过程中围护体系的强度，避免因加固强度不足而造成的施工安全风险；另外，本实施例采用筒型冻结壁形式进行加固，不需要在掌子面增加冻结孔，而是采用水平注浆来代替，节省了大量钻孔时间和材料，提高施工效率。

水泥加固体为水泥注浆区4，待开挖大断面隧道掌子面3由自上而下依次排列的四个待开挖小断面掌子面5组成，水泥注浆区4位于待开挖小断面掌子面5的前方；且水泥注浆区4在开挖过程中，沿待开挖小断面掌子面5的开挖方向，每隔10m设置一处。在开挖前，对大断面隧道掌子面进行水平超前注浆加固，可以在待开挖区形成完整的围护体系，从而确保施工中地层的稳定性，保证施工的顺利进行。

如图7所示，冻土帷幕的冻结孔在待开挖区的纵向截面上布局如下：

在待开挖区上方：自上而下依次分布有7个卸压孔组成的卸压孔群X6、9个加热孔组成的加热孔群DJ7、19个外圈冻结孔组成的外圈冻结孔群D81和10个外圈辅助冻结孔组成的外圈辅助冻结孔群DN91；卸压孔群X6中的卸压孔沿水平方向等间距分布，且相邻两个卸压孔之间的孔间距为1500mm，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L1为6800mm；加热孔群DJ7中的加热孔沿同一个加热孔群圆弧等间距分布，且相邻两个加热孔之间的孔间距为1500mm，加热孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为5460mm，加热孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L2相等；外圈冻结孔群D81中的15个外圈冻结孔沿同一个外圈冻结孔群圆弧分布，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为800mm，外圈冻结孔群圆弧的弧顶分布有1个外圈冻结孔，自外圈冻结孔群圆弧的弧顶向两侧分别分布有6个等间距的外圈冻结孔，在外圈冻结孔群圆弧的终点分别有一个外圈冻结孔，在外圈冻结孔群圆弧末端倒数第一个外圈冻结孔和倒数第二个外圈冻结孔之间的水平线上分布有两个分别位于外圈冻结孔群圆弧两侧的外圈冻结孔；外圈冻结孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为4660mm，外圈冻结孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L3相等；外圈辅助冻结孔群DN91中的8个外圈辅助冻结孔等间距分布在同一个外圈辅助冻结孔群圆弧上，且相邻两个外圈辅助冻结孔之间的孔间距为1200mm；另外2个外圈辅助冻结孔分别分布在外圈辅助冻结孔群圆弧末端附近且位于外圈辅助冻结孔群圆弧与外圈冻结孔群圆弧之间，外圈辅助冻结孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为3160mm，外圈辅助冻结孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L4相等；

在待开挖区上方还分布有第一测温孔、第二测温孔和第三测温孔，第一测温孔分布在加热孔群圆弧的上，且位于加热孔群圆弧弧顶左侧，第二测温孔与第一测温孔同水平线，且位于加热孔群圆弧与外圈冻结孔群圆弧之间；第三测温孔则位于外圈辅助冻结孔群圆弧弧顶的正下方；

在待开挖区左侧：沿纵向分布有第一列外圈冻结孔群FB82和第二列外圈冻结孔群D83，第一列外圈冻结孔群FB82距离待开挖区的距离大于第二列外圈冻结孔群D83距离待开挖区的距离；在第一列外圈冻结孔群FB82所在纵向直线上还开设有辅助冻结孔和测温孔，在第二列外圈冻结孔群D83所在纵向直线上还开设有辅助冻结孔，在第二列外圈冻结孔群D83与待开挖区之间的区域分布有辅助冻结孔和测温孔；

在待开挖区右侧分布有与待开挖区左侧关于待开挖区纵向中心线对称的孔群；

在待开挖区内：自上而下依次分布有2个卸压孔组成的第一卸压孔群X61、7个界面加强冻结孔组成的第一界面加强冻结孔群G101、4个界面加强冻结孔组成的第二界面加强冻结孔群G102、2个卸压孔组成的第二卸压孔群X62、7个界面加强冻结孔组成的第三界面加强冻结孔群G103、8个界面加强冻结孔组成的第四界面加强冻结孔群G104、2个卸压孔组成的第三卸压孔群X63、7个界面加强冻结孔组成的第五界面加强冻结孔群G105和2个卸压孔组成的第四卸压孔群X64；第一卸压孔群X61中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L5为782mm，2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；第一界面加强冻结孔群G101中的7个界面加强冻结孔沿水平方向等间距分布，且有一个界面加强冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第一界面加强冻结孔群G101连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L51为5300mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1230mm；第二界面加强冻结孔群G102中的4个界面加强冻结孔组成的沿水平方向等间距且对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧；第二界面加强冻结孔群G102连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L6为6103mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为2000mm；第二卸压孔群X62中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L7为7384mm；2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；第三界面加强冻结孔群G103中的7个界面加强冻结孔沿水平方向等间距分布，且有一个界面加强冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第三界面加强冻结孔群G103连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L8为10303mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1230mm；第四界面加强冻结孔群G104中的8个界面加强冻结孔组成的沿水平方向等间距且对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧；第二界面加强冻结孔群G104连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L9为11000mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1200mm；第三卸压孔群X63中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L10为11172mm；2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；第五界面加强冻结孔群G105中的7个界面加强冻结孔沿水平方向等间距分布，且有一个界面加强冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第三界面加强冻结孔群G105连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L11为11853mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1230mm；第四卸压孔群X64中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L12为12262mm；2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；

在待开挖区内还开设有第四测温孔、第五测温孔、第六测温孔和第七测温孔，4个测温孔均开设在待开挖区纵向中轴线，且第四测温孔位于第一界面加强冻结孔群G101和第二界面加强冻结孔群G102之间；第五测温孔位于第二界面加强冻结孔群G104连成的直线上；第六测温孔位于第三卸压孔群X63和第五界面加强冻结孔群G105之间；第七测温孔位于第四卸压孔群X64下方；

在待开挖区两侧边缘处沿纵向均分布有一列由4个外圈辅助冻结孔组成的第一列外圈辅助冻结孔群DN92；

在待开挖区下方：自上而下依次分布有11个外圈冻结孔组成的第一行外圈冻结孔群DB84、10个外圈冻结孔组成的第二行外圈冻结孔群DB85、11个外圈冻结孔组成的第三行外圈冻结孔群DB86、10个外圈冻结孔组成的第四行外圈冻结孔群DB87和11个外圈冻结孔组成的第五行外圈冻结孔群DB88；第一行外圈冻结孔群DB84中的11个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布，且有一个外圈冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第一行外圈冻结孔群DB84连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L13为13133mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1200mm；第二行外圈冻结孔群DB85中的10个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布；第二行外圈冻结孔群DB85连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L14为13463mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1200mm；第三行外圈冻结孔群DB86中的11个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布，且有一个外圈冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第三行外圈冻结孔群DB86连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L15为13760mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1200mm；第四行外圈冻结孔群DB87中的10个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布；第四行外圈冻结孔群DB87连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L16为14163mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1200mm；第五行外圈冻结孔群DB88中的11个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布，且有一个外圈冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第五行外圈冻结孔群DB88连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L17为14463mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1200mm。

实施例2

采用实施例1中一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系的开挖施工方法，以XXX地铁XXX号线XXX站与XXX站之间的大断面隧道的1#横通道冻结工程为例，进行开挖施工测试。

1工程概况

1.1工程内容

XXX地铁XXX号线XXX站与XXX站之间的大断面隧道施工拟采用盾构法为主、矿山法为辅的工法。XXX区间采用三线盾构，局部道岔渡线段采用暗挖法施工，暗挖部分主要由1#、2#横通道、配线延长段及道岔渡线段、车站暗挖段组成，总长约265m，最大开挖断面宽为17.6m。区间出XXX站后下穿XXX高尔夫球场，区间大部分位于高尔夫球场下方，并沿XXX路南侧敷设。

1#工作井已施工完成，由于1#工作井附近地层涌水量较大、土层含沙量大、自稳差，并且不具备明挖条件，故XXX区间1#横通道采用冻结法加固+矿山法暗挖的施工工法。

1.2工程地质及水文地质

1.2.1地形地貌

XXX市位于粤中拗陷(三级单元)的中部，广从、瘦狗岭、广三断裂是本区构造的基本骨架，主要以广从断裂和瘦狗岭断裂为界线分成四个构造区：增城凸起，广花凹陷，东莞盆地，三水断陷盆地。本区间线路位于东莞盆地。

区间位于XXX市XXX区，地貌单元为冲积平原地带过渡到山前冲积小盆地地带、山间冲积地带、剥蚀残丘及微丘台地地貌单元。

1.2.2工程地质

1#横通道主要穿越可塑状砂质黏性土层<5Z-1>、硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>、全风化混合花岗岩<6Z>；2#横通道主要穿越硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>，砂质黏性土<7Z-B>；横通道顶覆土厚度为7m。

本区间地质情况较为复杂，下覆基岩主要为碎屑岩、炭质页岩、炭质灰岩、灰岩及混合花岗岩等各种岩类。本实施例中混合花岗岩类残积土可分为可塑状砂质黏性土(5Z-1)及硬塑状砂质黏性土(5Z-2)。

1#横通道穿越不良地质地带主要有：残积土地层、砂土液化等。

(1)地面沉降：场地内地表分布填土〈1〉、淤泥质土〈4-2b〉等，如果横通道冻胀过度可能导致麓湖高尔夫球场内草皮开裂损伤。

(2)地面塌陷：1#横通道底部穿越混合花岗岩残积土地层，该地层主要为可～硬塑状砂质黏性土，全风化多呈坚硬土状，遇水易崩解，工程水理性质差，围岩稳定性差，若冻结壁和支护结构不当，组合体系变形严重可能诱发坍塌事故。

(3)地层扰动：1#横通道范围内主要为人工填土、砂质黏土、残积土、全、强风化混合花岗岩，总体力学性质较差，遇水易软化，崩解。

1.2.3水文地质

1#横通道范围勘察揭露的地下水水位较浅，水位埋深为1.80～18.10m，地下水位的变化与其赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响，每年4月～9月是地下水的补给期，水位会明显上升，每年10月～次年3月为地下水消耗期和排泄期，地下水位随之下降，年变化幅度为2.5～3.0m。地下水按赋存方式分为第四系土层孔隙水，层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。由于本工点地形起伏变化较大，地形切割较深，地下水以垂直循环为主，地下水径流途径较短，径流方向与坡向总体一致，地下水多以散流形式向附近沟谷排泄，另外也有以地表蒸发和植被叶面蒸腾等方式排泄。

1.3 1#横通道结构

1#工作井尺寸为12m×9.5m(长×宽)，隧底标高7.790m，地面标高34.000m。1#工作井维护结构为厚800mm的地下连续墙，内部设置有4道1.8m×1.5m(宽×高)环框梁。1#横通道长31.00m，1#横通道为变截面，进通道B-B剖面截面宽9.1m，高13.00m，通道端头D-D剖面宽9.1m，高18.25m。1#横通道结构图见图1～图3。

1#横通道开挖分四台阶，中隔板为I25a型钢+厚320mm的C25喷射混凝土。1#横通道初期支护为厚350mm的C25P6喷射混凝土+格栅钢架，二衬结构为厚700mm的C35P6抗渗混凝土。

2冻结设计方案

冻结壁与水泥加固体联合围护体系

对于地层涌水量较大，土层含沙量大，并且不具备明挖条件的大断面隧道，可采取“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系与矿山法开挖施工工法。

总体施工方案：采用筒型冻结壁形式，使拟建隧道外围的土体冻结加固，形成强度高、封闭性好的冻土帷幕，开挖区域形成弱冻结区，然后在隧道掌子面进行水平超前注浆加固，形成冻结壁与水泥加固体联合围护体系，围护体系质量检测合格后再采用矿山法进行隧道开挖支护施工。

该联合围护体系的优点：传统冻结壁为杯型冻结壁，需要采用满堂冻结，钻孔数量多，开挖区域也形成了强冻结区，开挖难度大，而“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系去掉了端部冻结孔，即将传统的端部冻结用水平注浆加固代替，节省了大量钻孔时间和材料，开挖区域为弱冻结区，开挖难度下降。

冻结法加固地层的突出优点是：冻土帷幕均匀性好且与维护结构墙结合严密，加固效果良好，施工安全可靠。1#横通道冻结施工的总体方案：采用冻结加固方案，外圈筒形冻结壁形式，使拟建横通道外围冻结壁范围内土体冻结加固，形成强度高的冻土帷幕，开挖区域形成弱冻结区。为了控制土层冻融引起的地层变形，需要在冻结加固区融化过程中进行跟踪注浆。在整个施工过程中须加强变形及冻结系统参数的监测。

2.1冻结设计图

根据设计，1#横通道采用两阶段冻结，第一期冻结采用直墙圆弧顶底型冻结壁，上部冻结壁厚度为3.0m，侧墙及中隔板冻结壁厚度为2.5m，底部中隔板冻结壁厚度平均3.5m，前端开挖掌子面处冻结壁延伸8.0m。1#横通道第一阶段冻结壁见图4a、图4b和图4c。

根据设计，1#横通道第二期冻结采用直墙圆弧底型冻结壁，上部与第一期冻结的底部冻结壁相连接，侧墙冻结壁厚度为2.5m，底板冻结壁厚度平均3.5m，前端开挖掌子面处冻结壁延伸8.0m。1#横通道第二期冻结冻结壁见图5a、图5b和图5c。

施工冻结孔分为外圈冻结孔D、DB、FB，外圈辅助冻结孔DN、DNB、F，界面加强冻结孔G；测温孔C、卸压孔X、加热孔DJ。1#横通道冻结孔布置见图6a和图6b，开孔位置见图7。

2.2冻结设计参数

冻结设计主要参数见表1：

表1

2.3施工重点与难点

(1)工程地质风险

1#横通道主要位于混合花岗岩残积土地层，为本实施例工程施工难点，岩石较破碎，遇水易软化，属Ⅴ级围岩，地质条件较差。1#横通道上部位于可塑状砂质黏性土层<5Z-1>、硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>中，土层入水崩解，含沙量较大，钻孔易出现涌砂、冒泥等现象；底部位于强风化混合花岗岩<6Z>，部分冻结孔的钻孔施工需穿越软硬地层，钻孔施工难度较大。

(2)钻孔施工难点

1#横通道冻结造孔个数高达266个(含冻结孔225个，测温孔17个，泄压孔15个，加热孔9个)。

工作井施工作业面狭窄，开孔密集布置在工作井主面维护结构上且需避开环框梁等结构，基本不具备补孔条件。水平钻孔施工距离长达40m，冻结孔呈现发散布置，施工精度控制难度大，成孔质量要求高。

(3)横通道断面大

1#横通道标准段宽度为9.1m，断面形式为渐变断面高度自13.0m～18.25m，最大断面166m2。考虑冻结壁与初支联合承载，需要及时支护，并要保证初支与冻结壁紧密贴合，协同受力，同时开挖时间长，考虑冻结壁蠕变及开挖面暴露升温影响，故开挖时必须及时支护，严格监控、控制冻结壁变形。

(4)冻结开挖工期长，冻胀融沉控制难度大

1#横通道冻结体积达到8405.76m

(5)盾构穿越区冻结管清除工作量大

1#横通道施工的冻结孔中有近70根对后续配线及正线盾构穿越有影响，需在横通道施工结束后进行冻结管清除工作。冻结管清除工作量较大，清除过程中可能出现断管等不利影响。

(6)延伸端部8m冻结壁质量控制

由于1#横通道端部地面无法占用，将1#横通道端头延伸8m冻结壁，配合冻结壁发展情况，端部掌子面开挖前采用超前加固。

3开挖施工方案

3.1施工工法

1#横通道采用矿山法进行开挖支护施工，施工过程中进行超前水平注浆加固，后期盾构隧道范围冻结管进行拔除处理，保证后期盾构掘进。

本实施例工程主要包括1#工作井内冻结造孔施工、地面冷冻站冻结系统安装、结构周围地层冷冻加固、1#横通道开挖与构筑、冻结管拔除、充填与融沉注浆、割管封孔等主要工序。

3.2开挖工序

1#横通道采用冷冻法外圈支护加固，辅以掌子面袖阀管前进式注浆加固。采用台阶法施工，共分4个台阶，在1#竖井内搭设作业平台，由上至下依次开挖，上一洞室贯通后，在进行下一洞室施工，每个洞室内分两台阶开挖，循环进尺0.5m。开挖后及时施作初期支护。人工安装拱架和钢筋网，喷射混凝土采用湿喷机作业。隧道整体贯通后，由下至上进行二衬施工。具体来说，根据设计规划，划分为两次冻结进行施工，即第一期冻结对第一、二台阶进行冻结，第二期冻结对第三、四台阶进行冻结。每层开挖施工中隔板，开挖过程中随挖随支，及时封闭成环，减少空帮时间。

依据冻结孔布设规则，将1#横通道分成4个开挖区域，依次自上而下水平开挖。开挖步骤如下：

步骤1：根据筒型冻结壁的规划设计进行钻孔，钻孔施工完成，并安装好冻结系统，所有冻结器安装完毕打压试漏结束，保温施工完成，化盐结束，开机冻结，见图8；

步骤2：第一期积极冻结完成，在距前端开挖掌子面10m处的未开挖区进行首次水平注浆，且冻结壁厚度、平均温度达到设计要求，开挖所需材料准备齐全，应急抢险物资全部到位，开挖验收通过，准备进行隧道开挖构筑，见图9；

步骤3：依序按照每隔10m水平注浆完成一次后进行开挖，开挖至端头，初次支护完成后，利用上部空间施工垂直注浆孔对下一步开挖台阶区域进行注浆加固。开挖第一台阶，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测，见图10；

步骤4：进行第二台阶开挖，技术要求与第一台阶一致，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测。开挖至端头后进行水平注浆加固，完成末端加固。开挖完成后进行下一台阶封端加固，见图11；

步骤5：进行第二期积极冻结完成，并进行第三台阶开挖，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测。开挖至端头后进行水平注浆加固，完成末端加固。开挖完成后进行下一台阶封端加固，见图12；

步骤6：进行后续全部开挖，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件。开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测。开挖至端头后进行水平注浆加固，完成末端加固，见图13；

步骤7：完成防水后进行二次衬砌施工，停止冻结，封堵内外全部冻结孔，并进行充填及融沉注浆，见图14；即在隧道整体贯通后，采用支架法，由下至上分4层，每层分3段，进行二衬施工。

3.3横通道水平注浆方案

3.3.1孔位布置

1#横通道注浆分段长度10m，搭接2.5m，注浆孔@1400mmx1400mm，梅花型布置。注浆顺序由下至上、由外至内依次进行。注浆孔位示意图详见图38。

3.3.2注浆顺序

每循环采用2套注浆设备同时注浆，注浆顺序由下至上、由外至内依次进行，两台注浆机在同一水平面上注浆，注浆孔间距应大于2.5m。注浆时注浆喷头不能处于同一横断面，两根注浆喷头前后纵向应错开距离不小于8m。

3.3.3注浆压力

试验段注浆压力为0.5～1.5MPa，后期施工根据试验段扩散半径、注浆压力、地表沉降、地表隆起等数据分析，对注浆压力进行调整。

3.3.4注浆配合比

选用P042.5普通硅酸盐水泥，浆液选用：水：水泥＝1：1。

3.3.5注浆施工准备

(1)止浆墙及掌子面封闭

台阶法施工步距错开5m施工止浆墙。掌子面封闭采用绑扎钢筋网片+打设锚管+喷射混凝土进行封闭。钢筋网片采用双层网片，直径为Φ25mm螺纹钢，网片间距为250mm×250mm，钢筋网片与格栅拱架及临时仰拱型钢支撑焊接。锚管采用Φ42mm普通无缝钢管，打设长度为3.5m，横竖向间距为1200mm×1500mm。喷射混凝土厚度为500mm。

(2)脚手架平台搭设

搭设脚手架应牢固可靠，工作平台应满铺脚手板，脚手架搭设完成后要进行验收，并对作业人员进行交底培训后方可使用。脚手架为多排脚手架，水平及竖向均设置剪刀撑，剪刀撑应于脚手架立杆全部用扣件连接紧固。

3.3.6注浆施工流程

(1)定孔位：按照设定外插角度固定孔位导向器，要求孔位偏差不大于3cm。

(2)钻机就位：第一个注浆孔为上方1#孔，钻机必须放置在已搭设完成且验收通过的临时脚手架上，调整钻杆的垂直度对准孔位后，钻机不得移位固定牢固，不得随意起降。

(3)钻进成孔：第一个孔施工时，要慢速运转。掌握地层对钻机的影响情况，以确定在该地层条件下的钻进参数。密切关注溢水出水情况，出现大量溢水出水时，应立即停钻，分析原因再进行施工。每钻进一段，检查一段，及时纠偏，最终孔底位置偏差不大于30cm。钻孔和注浆顺序由下向上、由外向内依次施工。

(4)回抽钻杆：严格控制提升幅度，每步不大于20cm，匀速回抽，注意注浆参数变化。

(5)浆液配比：根据既定的配合比参数进行配合比操作，采用经校定过准确的计量工具进行配合比配置，确保浆液凝结时间与配合比参数匹配，确保注浆参数才能有效的控制注浆半径满足加固要求。

(6)注浆：注浆孔开孔直径不小于45mm，严格控制注浆压力，同时密切关注注浆量，当压力突然上升或从孔壁、断面围岩溢浆时，应立即停止注浆，查明原因后，采取调整注浆参数或移位等措施重新注浆。

(7)注浆即将完毕封口时，在掌子面位置注浆压力控制在0.4～0.8MPa，应控制注浆流量，必须采用1档进行注浆。避免因注浆压力过大，破坏已封闭的掌子面。封口时调整注浆参数，保证不溢浆、不跑浆。

(8)注浆全过程应加强施工检查和监控量测。

(9)由专人负责每道工序的操作记录。

4施工过程与结果

XXX市轨道交通XXX号线XXX区间1#横通道冻结加固工程自XXXX年XX月XX日开始钻孔，XXXX年XX月XX日完成钻孔工序，累计完成冻结孔与测温孔246个，加热孔9个，补孔9个，见图15；

XXXX年XX月XX日，冻结系统安装完成，随后对整个管路系统进行试水，密封性合格。XXXX年XX月XX日开始积极冻结，见图16；

1#横通道第一台阶于XXXX年XX月XX日开挖(见图17)，至XXXX年XX月XX日，1#横通道四个台阶开挖顺利完成，见图18。

5结论

XXX市轨道交通XX号线XX区间1#横通道冻结加固工程采取冻结法加固+矿山法开挖的工法，历时XXX天，安全顺利完成开挖测试，本实施例得到的结论主要有：

(1)人工冻结法可有效增强围岩自身承载能力，隔绝地下水的联系，与矿山法开挖方式相配合，可安全顺利通过工程地质条件恶劣的地段，本实施例工程的冻结参数与开挖支护方案设计合理，保障了横通道工程的施工安全。

(2)冻结与开挖施工过程中必须严格监测冻结系统参数，如发现温度等参数异常，必须立即响应，查找问题原因，并采取有效措施解决。

(3)在大断面通道采用人工冻结法的开挖施工过程中，应加强对通道拱顶围岩下沉变形和侧墙变形的监测，有异常变化时，立即控制拱顶和侧墙的变形。

实施例3

如图19所示，一种大断面隧道施工中冻结壁与水泥加固体联合围护体系，包括冻土帷幕和水泥加固体；冻土帷幕为筒型冻结壁，筒型冻结壁形成强冻结区，由筒型冻结壁围成的待开挖区域为弱冻结区。

如图37所示，冻土帷幕为“目”字型圆弧顶底型冻结壁组成的第三冻结加固区30；第三冻结加固区30包括第三上部冻结壁301、第三底部冻结壁302、第三侧墙冻结壁303、第三中部中隔板冻结壁A304和第三中部中隔板冻结壁B305；第三上部冻结壁301的厚度为3m，第三底部冻结壁302的厚度为3.5m，第三侧墙冻结壁303的厚度为2.5m，第三中部中隔板冻结壁A304和第三中部中隔板冻结壁B305的厚度均为2.5m；

第三上部冻结壁301、第三底部冻结壁302、第三侧墙冻结壁303、第三中部中隔板冻结壁A304和第三中部中隔板冻结壁B 305均沿待开挖小断面前端掌子面5向非开挖区延伸8.0m。

水泥加固体为水泥注浆区4，待开挖大断面隧道掌子面3由自上而下依次排列的三个的待开挖小断面掌子面5组成，水泥注浆区4位于待开挖小断面掌子面5的前方；且水泥注浆区4在开挖过程中，沿待开挖小断面掌子面5的开挖方向，每隔10m设置一处。

如图27所示，冻土帷幕的冻结孔在待开挖区的纵向截面上布局如下：

在待开挖区上方：自上而下依次分布有7个卸压孔组成的卸压孔群X6、9个加热孔组成的加热孔群DJ7、19个外圈冻结孔组成的外圈冻结孔群D81和10个外圈辅助冻结孔组成的外圈辅助冻结孔群DN91；卸压孔群X6中的卸压孔沿水平方向等间距分布，且相邻两个卸压孔之间的孔间距为1500mm，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L1为4540mm；加热孔群DJ7中的加热孔沿同一个加热孔群圆弧等间距分布，且相邻两个加热孔之间的孔间距为1500mm，加热孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为3500mm，加热孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L2相等；外圈冻结孔群D81中的15个外圈冻结孔沿同一个外圈冻结孔群圆弧分布，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为800mm，外圈冻结孔群圆弧的弧顶分布有1个外圈冻结孔，自外圈冻结孔群圆弧的弧顶向两侧分别分布有6个等间距的外圈冻结孔，在外圈冻结孔群圆弧的终点分别有一个外圈冻结孔，在外圈冻结孔群圆弧末端倒数第一个外圈冻结孔和倒数第二个外圈冻结孔之间的水平线上分布有两个分别位于外圈冻结孔群圆弧两侧的外圈冻结孔；外圈冻结孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为2400mm，外圈冻结孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L3相等；外圈辅助冻结孔群DN91中的8个外圈辅助冻结孔等间距分布在同一个外圈辅助冻结孔群圆弧上，且相邻两个外圈辅助冻结孔之间的孔间距为1200mm；另外2个外圈辅助冻结孔分别分布在外圈辅助冻结孔群圆弧末端附近且位于外圈辅助冻结孔群圆弧与外圈冻结孔群圆弧之间，外圈辅助冻结孔群圆弧的弧顶与待开挖区的弧顶在同一个竖直线上且二者之间的距离为877mm，外圈辅助冻结孔群圆弧上任意一点到待开挖区上边沿所在圆弧的纵向距离L4相等；

在待开挖区上方还分布有第一测温孔、第二测温孔和第三测温孔，第一测温孔分布在加热孔群圆弧的上，且位于加热孔群圆弧弧顶左侧，第二测温孔与第一测温孔同水平线，且位于加热孔群圆弧与外圈冻结孔群圆弧之间；第三测温孔则位于外圈辅助冻结孔群圆弧弧顶的正下方；

在待开挖区左侧：沿纵向分布有第一列外圈冻结孔群FB82和第二列外圈冻结孔群D83，第一列外圈冻结孔群FB82距离待开挖区的距离大于第二列外圈冻结孔群D83距离待开挖区的距离；在第一列外圈冻结孔群FB82所在纵向直线上还开设有辅助冻结孔和测温孔，在第二列外圈冻结孔群D83所在纵向直线上还开设有辅助冻结孔，在第二列外圈冻结孔群D83与待开挖区之间的区域分布有辅助冻结孔和测温孔；

在待开挖区右侧分布有与待开挖区左侧关于待开挖区纵向中心线对称的孔群；

在待开挖区内：自上而下依次分布有2个卸压孔组成的第一卸压孔群X61、9个界面加强冻结孔组成的第一界面加强冻结孔群G101、2个卸压孔组成的第二卸压孔群X62、5个界面加强冻结孔组成的第二界面加强冻结孔群G102、9个界面加强冻结孔组成的第三界面加强冻结孔群G103、5个界面加强冻结孔组成的第四界面加强冻结孔群G104和2个卸压孔组成的第三卸压孔群X63；

第一卸压孔群X61中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L5为3924mm，2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；第一界面加强冻结孔群G101中的9个界面加强冻结孔沿水平方向等间距分布，且有一个界面加强冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第一界面加强冻结孔群G101连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L51为7742mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1230mm；第二卸压孔群X62中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L7为9522mm，2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；第二界面加强冻结孔群G102中的5个界面加强冻结孔组成的沿水平方向等间距且对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧；第二界面加强冻结孔群G102连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L6为9742mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为2000mm；第三界面加强冻结孔群G103中的9个界面加强冻结孔沿水平方向等间距分布，且有一个界面加强冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第三界面加强冻结孔群G103连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L8为12742mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1230mm；第四界面加强冻结孔群G104中的5个界面加强冻结孔组成的沿水平方向等间距且对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧；第四界面加强冻结孔群G104连成的直线与待开挖区的弧顶的竖直距离L9为13342mm，且相邻两个界面加强冻结孔之间的孔间距为1700mm；

第三卸压孔群X63中的2个卸压孔沿水平方向对称分布在待开挖区纵向中轴线两侧，并且卸压孔与待开挖区的弧顶的竖直距离L10为13501mm；2个卸压孔之间的孔间距为3000mm；

在待开挖区两侧边缘线上沿纵向均分布有一列由9个外圈辅助冻结孔组成的第一列外圈辅助冻结孔群DN92；

在待开挖区下方：自上而下依次分布有11个外圈冻结孔组成的第三行外圈冻结孔群DB86、10个外圈冻结孔组成的第四行外圈冻结孔群DB87、11个外圈冻结孔组成的第五行外圈冻结孔群DB88和10个外圈冻结孔组成的第六行外圈冻结孔群DB89；第三行外圈冻结孔群DB86中的11个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布，且有一个外圈冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第三行外圈冻结孔群DB86连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L15为14908mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1197mm；第四行外圈冻结孔群DB87中的10个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布；第四行外圈冻结孔群DB87连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L16为15308mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1189mm；第五行外圈冻结孔群DB88中的11个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布，且有一个外圈冻结孔位于待开挖区纵向中轴线上；第五行外圈冻结孔群DB88连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L17为15608mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1197mm；第六行外圈冻结孔群DB89中的10个外圈冻结孔沿水平方向上等间距分布；第六行外圈冻结孔群DB89连成的直线与待开挖区的弧底的竖直距离L18为15911mm，且相邻两个外圈冻结孔之间的孔间距为1189mm；

在待开挖区底部边缘线上，自上而下分布有8个外圈冻结孔组成的第一行外圈冻结孔群DB84、10个外圈冻结孔组成的第二行外圈冻结孔群DB85；第一行外圈冻结孔群DB84中的外圈冻结孔沿水平方向等间距分布，且第一行外圈冻结孔群DB84连成的直线到第三行外圈冻结孔群DB86连成的直线的垂直距离为L11；第二行外圈冻结孔群DB85中的外圈冻结孔沿水平方向等间距分布，且第二行外圈冻结孔群DB85连成的直线到第三行外圈冻结孔群DB86连成的直线的垂直距离为L12。

实施例4

特大断面隧道工程与其他小断面隧道工程相比，施工难度更大，所面临的施工风险更多，尚存在大量工程技术问题。其中，如何选择合理安全的施工方法来通过复杂条件的地层，是工程建设各方均特别关注的问题。同时，该问题也是学界研究的热点之一。为了在软弱地层中修建隧道，国内外科研人员提出了许多地层加固方法，在土质隧道中普遍应用注浆、小导管和管棚等技术。人工冻结法作为一种临时加固技术，已广泛应用于矿井建设、市政工程，但是，在特大断面隧道工程的应用经验仍显不足。

本实施例将冻结法与注浆法组合，采用实施例3“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系方法，以实施例2中，XXX市地铁XXX号线XXX站～XXX站区间隧道的2#横通道冻结工程为例，对该联合围护体系进行施工测试。

2#工作井已施工完成，由于2#工作井附近地层涌水量较大、土层含沙量大、自稳差，并且不具备明挖条件，故XXX区间2#横通道采用冻结法加固+矿山法暗挖的施工工法。

6工程概况

6.1工程内容同实施例2。

6.2工程地质及水文地质

6.2.1地形地貌同实施例2。

6.2.2工程地质

2#横通道主要穿越硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>，砂质黏性土<7Z-B>。横通道顶覆土厚度为7m。本区间地质情况较为复杂，下覆基岩主要为碎屑岩、炭质页岩、炭质灰岩、灰岩及混合花岗岩等各种岩类。本实施例工程混合花岗岩类残积土可分为可塑状砂质黏性土(5Z-1)及硬塑状砂质黏性土(5Z-2)。

2#横通道穿越不良地质地带主要有：残积土地层、砂土液化等。

(1)地面沉降：场地内地表分布填土〈1〉、淤泥质土〈4-2b〉等，如果横通道冻胀过度可能导致麓湖高尔夫球场内草皮开裂损伤。

(2)地面塌陷：2#横通道底部穿越混合花岗岩残积土地层，该地层主要为可～硬塑状砂质黏性土，全风化多呈坚硬土状，遇水易崩解，工程水理性质差，围岩稳定性差，若冻结壁和支护结构不当，组合体系变形严重可能诱发坍塌事故。

(3)地层扰动：2#横通道范围内主要为人工填土、砂质黏土、残积土、全、强风化混合花岗岩，总体力学性质较差，遇水易软化，崩解。

6.2.3水文地质

2#横通道范围勘察揭露的地下水水位较浅，水位埋深为1.80～18.10m，地下水位的变化与其赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响，每年4～9月是地下水的补给期，水位会明显上升，每年10月～次年3月为地下水消耗期和排泄期，地下水位随之下降，年变化幅度为2.5～3.0m。地下水按赋存方式分为第四系土层孔隙水，层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。

6.3 2#横通道结构

2#工作井尺寸为长×宽＝12m×11.1m，井底标高7.431m，地面标高34.000m。2#工作井维护结构为厚800mm的地下连续墙，内部设置有4道宽×高＝1.8m×1.5m的环框梁。2#横通道的冻结孔在工作井维护结构主面上施工，钻孔施工需避开环框梁。2#横通道长30.00m，2#横通道为变截面，见图23，进通道B-B剖面截面宽9.7m，高12.75m，通道端头D-D剖面宽9.7m，高17.00m。

2#横通道开挖分三台阶，每层开挖施工中隔板，中隔板为I25a型钢+厚320mm的C25喷射混凝土。2#横通道初期支护为厚350mm的C25P6喷射混凝土+格栅钢架，二衬结构为厚700mm的C35P6抗渗混凝土。

7“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系与开挖方法

冻结法加固地层的突出优点是：冻土帷幕均匀性好且与维护结构墙结合严密，加固效果良好，施工安全可靠。但是封端采用满堂加固，冻结孔数量多，开挖难度大，工程成本高。注浆法是防治地下工程水害、加固软弱地层的一种有效技术手段，但是单独使用风险大。

而本实施例的“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系是将冻结法与注浆法结合，充分发挥两者的优点，摒弃两者的缺点；隧道外圈采用冻结加固法，即外圈为筒形冻结壁形式，使拟建隧道外围冻结壁范围内土体冻结加固，形成强度高的冻土帷幕，开挖区域形成弱冻结区。端头采用水平注浆加固，可以封闭端头的地下水，保证冻结加固效果，而且钻孔数量大幅减少，开挖难度显著下降。为了控制土层冻融引起的地层变形，需要在冻结加固区融化过程中进行跟踪注浆。在整个施工过程中须加强变形及冻结系统参数的监测。

7.1冻结壁结构

2#横通道采用直墙圆弧顶底型冻结壁，上部冻结壁厚度为3m，侧墙冻结壁厚度为2.5m，底板冻结壁厚度3.5m，前端开挖掌子面处冻结壁延伸8m。2#横通道冻结壁见图24、图25a和图25b。

施工冻结孔分为外圈冻结孔D、DB、FB，外圈辅助冻结孔DN，界面加强冻结孔G；测温孔C、卸压孔X、加热孔DJ。2#横通道冻结孔布置见图26a和图26b，开孔位置见图27。

7.2冻结设计参数

冻结设计主要参数见表2：

表2

7.3施工重点与难点

(1)工程地质风险

2#横通道位于硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>、<7Z-B>砂质粘性土，绝大部分位于硬塑状砂质黏性土层<5Z-2>、<7Z-B>砂质粘性土中，土层入水崩解，含沙量较大，钻孔易出现涌砂冒泥等现象；底部坐落在中风化岩上，底部冻结孔极少部分嵌入硬质岩上，钻孔施工难度大。

(2)钻孔施工难点

2#横通道冻结造孔个数高达251个(含冻结孔213个，测温孔16个，泄压孔13个，加热孔9个)。

工作井施工作业面狭窄，开孔密集布置在工作井主面维护结构上且需避开环框梁等结构，基本不具备补孔条件。水平钻孔施工距离长达38.8m，冻结孔呈现发散布置，施工精度控制难度大，成孔质量要求高。

(3)横通道断面大

2#横通道标准段宽度为9.7m，断面形式为渐变断面高度自12.75m～17.00m，最大断面166m2。本实施例工程考虑冻结壁与初支联合承载，需要及时支护，并要保证初支与冻结壁紧密贴合，协同受力，同时开挖时间长，考虑冻结壁蠕变及开挖面暴露升温影响，故开挖时必须及时支护，严格监控、控制冻结壁变形。

(4)冻结开挖工期长，冻胀融沉控制难度大

2#横通道冻结体积达到6346.76m

(5)盾构穿越区冻结管清除工作量大

2#横通道施工的冻结孔中有近70根对后续配线及正线盾构穿越有影响，需在横通道施工结束后进行冻结管清除工作。冻结管清除工作量较大，清除过程中可能出现断管等不利影响。

(6)延伸端部8m的冻结壁质量控制难度大

由于2#横通道端部地面无法占用，将2#横通道端头延伸8m冻结壁，配合冻结壁发展情况，端部掌子面开挖前采用超前加固。

8开挖施工方案

8.1施工工法

2#横通道采用矿山法分台阶进行开挖支护施工，在竖井内部搭设施工平台，在平台上进行每台阶的全断面超前注浆加固，注浆及冻结加固效果经检验满足设计要求后，破除地连墙进洞开挖施工。即：采用冻结法外圈支护加固。采用台阶法施工，共分3个台阶，在2#竖井内搭设作业平台，由上至下依次开挖，上一洞室贯通后，再进行下一洞室施工，每个洞室内分台阶开挖，循环进尺0.5m。开挖后，及时施作初期支护和初喷。喷射混凝土采用湿喷机作业，人工安装锚杆、拱架和钢筋网。隧道整体贯通后，由下至上进行二衬施工，盾构吊出影响部分支撑预留钢筋后做。

8.2开挖工序

2#横通道开挖施工依据冻结孔布设规则，将开挖分成3个区域，依次自上而下进行水平开挖。每层开挖施工中隔板，开挖过程中随挖随支，及时封闭成环，减少空帮时间。开挖步骤如下：

步骤1：钻孔施工完成，所有冻结器安装完毕打压试漏结束，保温施工完成。化盐结束，开机冻结；见图28。

步骤2：积极冻结完成，冻结壁厚度、平均温度达到设计要求，注浆加固完成，开挖所需材料准备齐全，应急抢险物资全部到位，开挖验收通过准备进行隧道开挖构筑；见图29。

步骤3：开挖第一分区，至初次支护完成。利用上部空间施工垂直注浆孔对下一台阶区域进行注浆加固。开挖第一台阶，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测；见图30。

步骤4：水平注浆加固第二台阶，加固完成后进行开挖，技术要求与第一台阶一致，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测，开挖至端头后进行下部第三台阶加固；见图31。

步骤5：采用相同技术要求，进行水平注浆加固，并进行开挖，开挖第三台阶，随挖随支，要求开挖暴露面时间不大于24h，需及时进行支护作业，保证初支与冻土贴合密切，满足协同受力条件，开挖过程伴随进行隧道收敛变形监测；见图32。

步骤6：完成防水后进行二次衬砌施工，停止冻结，封堵内外全部冻结孔，并进行充填及融沉注浆；见图33。

二次衬砌施工：隧道整体贯通后，采用支架法，由下至上分层施工内衬墙，预留负二层中板搭接钢筋；内衬墙施工至临时对撑底面下0.2m，架立二衬临时支撑，拆除工字钢喷砼临时对撑，施工负一层中板；施工剩余内衬墙及拱顶,二衬封闭成环；盾构机拆解吊出，依次拆除临时支撑；盾构机吊出后，恢复负二层中板及隔墙。

9施工过程与结果

XXX市轨道交通XXX号线XXX区间2#横通道冻结加固工程自XXXX年XX月XX日开始钻孔，XXXX年XX月XX日完成钻孔工序，累计完成冻结孔与测温孔248个，加热孔9个，补孔15个，见图34。

2019年12月30日，冻结系统安装完成，随后对整个管路系统进行试水，密封性合格。2020年1月10日开始积极冻结，见图35。

2#横通道第一台阶于2020年5月1日开挖，至2020年10月18日，2#横通道三个台阶开挖顺利完成，见图36。

10结论

XXX市轨道交通XXX号线XX区间2#横通道冻结加固工程采取“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系与开挖方法，安全顺利完成开挖，本实施例得到的结论主要有：

(1)“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系既有效增强了围岩自身的承载能力，又隔绝了地下水的联系，其与矿山法分台阶开挖方式相配合，可安全顺利通过地层条件复杂的地段，本实施例的“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系的设计参数与开挖支护方案合理，保障了横通道工程的施工安全。

(2)端头水平注浆技术可有效解决端头区域的封水问题，切断了端头区域与地下水的联系，保证了开挖与结构浇筑期间的安全。

(3)施工全过程必须严格监测冻结系统及冻结壁参数，如发现温度等冻结系统参数发生异常，必须立即查找问题原因，并采取有效措施解决。

(4)在特大断面通道采用“冻结壁+水泥加固体”联合围护体系，应加强对通道拱顶围岩和侧墙变形的监测，有异常变化时，应立即采取相应措施控制拱顶和侧墙的变形。