一种基于平面斜交联络通道的连通冻结体系及其施工方法

技术领域

本发明属于联络通道冻结法施工技术领域，尤其涉及一种基于平面斜交联络通道的连通冻结体系及其施工方法。

背景技术

随着近几年来我国城市化进程不断加快，城市地下空间的开发和利用逐渐映入人们的眼帘，在大多数地下工程的建设中，会涉及基坑的开挖、支护、防水等问题，而这些又会受到工程地质，水文条件，周边环境等的影响。些许变化，很有可能引发事故发生。于是，地铁联络通道在地铁隧道的建设中，变得越来越突出。地铁联络通道是连接地铁双向相邻区间隧道的地下通道，具有集水和排水的功能，也是在遇到突发状况时，起到紧急避险和疏散乘客的作用。而当联络通道在地质条件比较复杂的特殊工况下施工很有可能遇到坍塌的危险。所以，联络通道周围土体在开挖之前需要先进行加固，避免危险的发生。目前常用的加固方法主要有：注浆法、搅拌桩加固法以及隧道内水平旋喷桩加固法等，但对于地层复杂、地下水丰盈以及地下管线错中复杂的城市地下空间，这些方法就很难达到设计要求的冻结效果，例如申请号为201910563236.9，名称为“富水砂层地质地铁旁通道冻结孔布置结构及施工方法”中所公开的技术；申请号为201910929010.6，名称为“联络通道的冻结施工方法及冻结系统”中所公开的技术，申请号为202120926075.8，名称为“冻结法加固60米级超长距离联络通道的冻结体系”中所公开的技术；申请号为202110869902.9，名称为“地铁隧道联络通道施工方法”中所公开的技术等均无法满足现有的复杂城市地下空间的联络通道的冻结效果。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现对于地层复杂、地下水丰盈以及地下管线错中复杂的城市地下空间的地铁联络通道冻结加固的冻结体系；

本发明的第二目的是提供上述冻结体系的施工方法。

技术方案：本发明基于平面斜交联络通道的连通冻结体系，包括一对地铁隧道，该冻结体系还包括连通地铁隧道并与水平方向呈10-30°设置的联络通道，设于联络通道的中心并用于释放冻结压力的泄压孔，以及分布于该联络通道四周的冻结孔，该冻结孔内设冻结管，且冻结管与地铁隧道垂直线呈10-30℃水平夹角平行分布，冻结孔的外围形成喇叭状冻结帷幕，所述地铁隧道沿联络通道外围的冻结维幕设有冷冻排管，联络通道上设有便于对冻结管及冷冻排管供冷的透孔。

进一步说，本发明冻结体系的联络通道与水平方向呈18.1°设置。

进一步说，本发明冻结体系的冻结管与地铁隧道垂直线呈18.1°水平夹角平行分布。

进一步说，本发明冻结体系还包括设于冻结区域四周、对所述冻结维幕的温度场进行实时监测的测温孔。

进一步说，本发明邻近地铁隧道左线的联络通道的冻结孔包括孔间距相同的上方冻结孔、孔间距相同下方冻结孔及孔间距相同的两侧冻结孔；其中，所述上方冻结孔包括上层的外域孔和下层的两层内域孔，且下层的内域孔呈梅花桩形布置，下方的冻结孔包括下层的外域孔和上层的内域孔；

邻近地铁隧道右线的联络通道的冻结孔包括上方冻结孔、下方冻结孔及孔间距相同的两侧冻结孔；其中，所述上方冻结孔包括呈梅花桩形布置的上层的外域孔和下层的内域孔，且上层的外域孔的孔间距与下层的内域孔的孔间距相同；下方的冻结孔包括下层的外域孔和上层的内域孔，且上层的内域孔和下层的外域孔的孔间距相同。

进一步说，本发明邻近所述地铁隧道左线和右线的联络通道的两侧均中部对称分布两对透孔，同一侧的透孔上下布置。

进一步说，本发明邻近地铁隧道左线的联络通道的两侧中部对称四组测温孔，邻近地铁隧道右线的联络通道的两侧中部对称六组测温孔。

本发明上述基于平面斜交联络通道的连通冻结体系的施工方法，包括如下步骤：

(1)根据施工条件及土体性质进行冻结设计，包括确定联络通道角度、冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结孔流量及盐水温度、冻结管、测温孔和泄压孔设计；

(2)根据上述设计建立有限元数值模型模拟获得最佳联络通道冻结维幕冻结效果图；

(3)根据最佳联络通道冻结维幕冻结效果图进行工程实施。

有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该冻结体系通过将联络通道设置采用平面斜交的方式，即与水平向呈一定角度，进而能够实现对于地层复杂、地下水丰盈以及地下管线错中复杂的城市地下空间的地铁联络通道冻结加固，克服了现有技术壁垒，实现了冻结加固的新突破。且该冻结形成的喇叭状冻结帷幕，具有较强的止水效果，施工工期短，冻结效果的可控性高，能够降低施工成本。

附图说明

图1为本发明联络通道冻结管及冻结孔布置立面图；

图2为本发明联络通道冻结管及冻结孔布置平面图；

图3为图1中A-A处(地铁隧道左线)的孔位布置图及其冻结帷幕效果图；

图4为图1中B-B处(地铁隧道右线)的孔位布置图及其冻结帷幕效果图；

图5为的平面斜交联络通道三维数值模型图，其中(a)为土体；(b)为联络通道；

图6为图1中A-A处冻结5天时冻结帷幕发展效果图；

图7为图1中A-A处冻结15天时冻结帷幕发展效果图；

图8为图1中A-A处冻结25天时冻结帷幕发展效果图；

图9为图1中A-A处冻结35天时冻结帷幕发展效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明基于平面斜交联络通道的连通冻结体系，包括一对地铁隧道1、联络通道2、冻结孔4、透孔7、泄压孔3、测温孔8和冷冻排管6。地铁隧道1包括地铁隧道1左线和地铁隧道1右线，地铁隧道1左线和地铁隧道1右线通过联络通道2相连通，且该联络通道2摒弃了现有的垂直连接的方式，采用与水平方向呈10-30°的平面斜交方式，进而能够有效克服现有的冻结方式无法实现复杂地形的冻结效果的技术问题。

联络通道2的四周设置冻结孔4，该冻结孔4内设置冻结管5，且该冻结管5与地铁隧道1垂直线呈10-30℃水平夹角平行分布，整体平行于联络通道2设置，基于联络通道2的平面斜交方式的设置，冻结管5与地铁隧道1垂直线呈10-30°水平夹角平行分布。冻结孔3分为内域孔和外域孔，内域孔为主冻结孔，外域孔为副冻结孔。冻结帷幕沿冻结孔3布置形状发展，整体形状呈喇叭状。两侧地铁隧道1沿联络通道2外围冻结帷幕敷设冷冻排管6，联络通道2设透孔7用于冷冻排管6及对冻结管5供冷。联络通道2中部对称分布两对泄压孔3，用于释放冻结过程中产生的冻胀压力，冻结区域四周布设的测温孔8用于冻结帷幕的冻结效果实时监测。

如图3所示，邻近地铁隧道1左线的联络通道2的冻结孔5的布置环绕联络通道2成上方冻结孔、下方冻结孔及两侧冻结孔的矩形分布。上方的冻结孔分为三层，分别为上层的外域孔和下层的两层内域孔，下层的两层内域孔呈梅花桩形布置，上方的冻结孔的孔间距相同，下方的冻结孔分为下层的外域孔和上层的内域孔，下方的冻结孔的孔间距相同，两侧的冻结孔的孔间距相同。

邻近地铁隧道1左线的联络通道2两侧的中部对称分布两对透孔7，同一侧的透孔7上下设置。联络通道2两侧中部对称的分布四组测温孔8，左侧的下方布置一组跨距较大的测温孔，右侧上方布置一组跨距较小的测温孔，测温孔分布在冻结孔5的周围。

如图4所示，邻近地铁隧道1右线的联络通道2的冻结孔5的布设成上方冻结孔、下方冻结孔及两侧冻结孔的矩形分布。上方的冻结孔分为两层，分别为上层的外域孔和下层的内域孔，上层的外域孔的孔间距与下层的内域孔的孔间距相同，冻结孔呈梅花桩型布置，下方的冻结孔分为上层的内域孔和下层的外域孔，上层的内域孔和下层的外域孔的孔间距相同，两侧的冻结孔的孔间距相同。

邻近地铁隧道1右线的联络通道2的两侧的中部对称分布两对透孔7，同一侧的透孔7上下布置。两侧对称分布的六组测温孔，一组布置在联络通道的两侧冻结孔的周围，一组布置在联络通道上方冻结孔的周围，一组布置在联络通道下方冻结孔的周围，通过测温孔对冻结帷幕的冻结效果进行监测。

本发明上述基于平面斜交联络通道的连通冻结体系的施工方法，具体工程施工时采用的步骤均为本领域的公知技术，例如申请号为202120926075.8，名称为“冻结法加固60米级超长距离联络通道的冻结体系”所记载的施工技术，而核心之处在于结合待施工条件和土体性能，基于有限元数值模型模拟理论分析以获得最佳的联络通道冻结维幕冻结效果图，根据最佳的施工参数进行实际工程的施工，进而能够对冻结效果的把控度更加精确，节省实际工程中冷量的供应，有效提高了开挖施工的经济性和安全性。具体的步骤如下：

(1)根据施工条件及土体性质进行冻结设计，包括确定联络通道角度、冻结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结孔流量及盐水温度、冻结管、测温孔和泄压孔设计；

(2)根据上述设计建立有限元数值模型模拟获得最佳联络通道冻结维幕冻结效果图；

(3)根据最佳联络通道冻结维幕冻结效果图进行工程实施。

其中，在设计冻结壁厚度时，仅仅考虑其止水的作用时，那么冻结壁的厚度就按照其止水的要求来设计；当承载力也需要被考虑时，在设计冻结壁厚度时还应考虑承载力的要求，联络通道冻结壁厚度在喇叭口开口段应＞2.15m，通道正常段＞2.4m。

设计冻结壁平均温度时主要考虑基坑开挖深度、考虑冻胀融沉对周边环境的影响以及冻结帷幕在施工过程中需要承受的荷载大小。

实施例1

该实施例1设置的联络通道所处地层从上到下主要为：淤泥质土、(含碎石)粉质黏土、全风化花岗斑岩、强风化花岗斑岩(砂土状)。其中：

淤泥质土：呈深灰色，流塑，饱和，以粘粒为主，偶混有少量粉细砂或夹薄层粉细砂，局部含腐烂植物碎屑，有腥臭味，摇振反应慢，有光泽，捻面光滑，干强度及韧性中等。经杆长修正后标贯平均值＝2.5。渗透系数建议值Kv＝3.5E-07cm/s、KH＝5.8E-06cm/s。

粉质黏土：呈浅灰、灰黄色等色，硬塑为主，很湿，含有一定量的碎石和砾石，粒径为2-100mm不等，不均匀分布，>2mm的碎石平均含量约为10％，捻面不够光滑，少有光泽，无摇振反应，干强度与韧性相对较差，粘性较差，土质不均。经杆长修正后标贯平均值＝15.7。渗透系数建议值K＝3.5E-03cm/s。

全风化花岗斑岩：呈浅黄色，稍湿，硬，含长石及石英斑晶颗粒，原岩结构基本破坏，但尚可辨认，岩芯采取率大于70％，岩芯主要呈散体状，大于2mm的颗粒含量约为8.6％，遇水易崩解。为燕山后期侵入岩脉。该层岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程度属极破碎，岩体基本质量等级属Ⅴ类。经杆长修正后标贯平均值＝27.3。渗透系数建议值K＝4.6E-04cm/s。

强风化花岗斑岩(砂土状)：呈浅肉色，浅黄色等，较硬，稍湿，含长石及石英斑晶，风化强烈，原岩组织结构已大部分风化破坏，岩芯多呈砂土状，大于2mm的颗粒含量约为0.3％，遇水易软化、崩解，岩芯采取率大于70％。为燕山后期侵入岩脉。本层岩石坚硬程度属极软岩，岩体完整程度属极破碎，岩体基本质量等级分类属V类。经杆长修正后标贯平均值＝40.6。渗透系数建议值K＝4.6E-04cm/s。

该联络通道所处地层土体的土体性质，包括土体结冰温度、土体比热及土体导热系数如下表1至表3所示。

表1土体结冰温度

表2土体比热

表3土体导热系数

针对上述土体性质，进行冻结设计，包括结壁厚度、冻结壁平均温度、冻结孔流量及盐水温度、冻结管、测温孔和泄压孔设计，所获得的结果如下表4所示。其中，冻结孔单孔流量≥5m

冻结管尺寸为Φ89×8mm，材料为低碳钢无缝钢管(GB8163)，采用加内衬管的对焊连接接头；接头焊接后，应将焊缝冷却5min-10min，再将冻结管下入地层；焊条的材质要和冻结管的材质相匹配，当冻结管下到地层时，需对其试压，试验压力应为冻结工作面盐水压力的2倍，且≥0.80MPa；经试压30min后，压力下降≤0.05Mpa，再延续15min压力不变为合格。共布置12根测温管，包括上行线4根，下行线8根，每一根测温管布置6～12个不同深度的测点，打设测温管时应对其偏斜角度进行校准，尽量保证测温孔与冻结孔能够平行，同时测温孔的入土深度需要严格控制。

表4冻结参数设计

根据以上设计，根据上述设计建立有限元数值模型模拟，且在模拟时获得联络通道2与水平方向呈18.1°，冻结管5与地铁隧道1垂直线呈18.1°分布时，冻结维幕冻结效果最佳，如图5至图9所示。最后根据该效果图进行工程应用即可。