凍結加固技術在徐州市區沈場立交泵站擴建工程中的應用

牛冬春，夏曉娟，劉 肖

（1.徐州市水利工程建設管理中心，江蘇徐州 221000；2.徐州市水利工程運行管理中心，江蘇徐州 221000）

徐州市區沈場立交泵站擴建工程為2023 年度積水點治理工程，在泵站進水管基坑施工中，首次采用了凍結加固技術。凍結加固技術是利用人工制冷的方法，將低溫冷煤送入地層，把需要開挖的地層土體凍結成封閉的連續凍土墻，以抵抗土壓力并隔絕地下水的一種地層加固方法。凍結加固技術適應性強、強度高、隔水性好、復原性高，已成為加固土體、處理地下水的主要方法。本文將以徐州市區沈場立交泵站擴建工程為例，通過凍結設計、觀測凍結帷幕厚度、凍脹融沉控制和監測分析總結分析凍結加固技術在城市排水工程中的應用情況。對工程中可能出現的問題，如凍結孔施工過程中塌孔、凍結管滲漏等提出應對措施。

1 工程概況

沈場立交泵站始建于1986 年、2003 年、2015 年分別進行了改造提升，安裝潛污泵3臺套，總設計流量0.6 m3/s。從近幾年運行效果及排查情況看，泵站存在進水管塌陷錯節、排澇能力不足等問題。本次擴建工程主要通過改造地道收水篦子、泵站進水管、泵站擴容（1.64 m3/s）、新建壓力出水管、地道內現有管道清淤等提高泵站收水、排水能力，解決沈場立交積水問題。其中，沈場立交泵站進水管施工主要內容為將塌陷的泵站進水管挖除重新埋設DN1500 鋼管接入泵站，鋼管與現狀箱涵通過扇形銜接井進行連接，進水管基礎采用壓密注漿加固基礎，鋼管采用鋼筋混凝土包封。

進水管基坑開挖東西向長度10.2 m，南北向長度7～15 m，基坑開挖深度8.95 m。進水管施工范圍內地層從上至下為：①粉土，②粉土夾黏土層，③淤泥質粉質黏土，④粉質黏土，④-1 粉土，④粉質黏土，⑤粉砂。主要含水層為第①、②層粉土和⑤層粉砂，結構松散，透水性中等，富水性較好。

因地層以粉土、粉砂土為主，且泵站靠近隴海鐵路及徐州地鐵2 號線，為確保開挖過程中土體穩定，減少對鐵路及地鐵的擾動，經設計及專家論證，采用冷凍法加固。

2 凍結方案設計

2.1 凍結加固設備選型

（1）凍結管、測溫管和供液管規格：凍結管選用Φ108×8 mm 20#低碳鋼無縫鋼管，供液管選用Φ48×3.0 mm 鋼管，測溫管選用Φ108×8 mm 20#低碳鋼無縫鋼管。

（2）打鉆設備選型：鉆機選用MD-135A 型鉆機2臺，泥漿泵選用BW-250型1臺。

（3）凍結站制冷設備選型：制冷設備選型需對具體的需冷量進行計算［1］，需冷量計算公式為

式中：Q需為需冷量；d為凍結管直徑，d=0.108 m；H為凍結管長度，Φ108凍結區總長度取1 900 m；K凍結管的散熱系數，取250 kcal/（m2·h）。經計算，Q需為16.1×104kcal/h。

因凍結站距離凍結區約25 m，所以凍結管冷量損失忽略不計。按照設計要求，選用TSLC100.1BFD螺桿機組2臺（設計工況制冷量12.9×104kcal/h），滿足制冷需求。結合工程具體情況，最終選擇的施工設備型號和數量詳見表1。

表1 凍結加固施工設備

2.2 凍結孔布置方案

（1）凍土強度的設計指標為：抗壓不小于3.6 MPa，抗折1.8 MPa，抗剪1.5 MPa（-10 ℃）；凍結帷幕設計指標為：凍結壁厚度東西側為2.5 m，南北側為2.0 m，凍結深度11.3 m。

（2）根據凍結帷幕設計及構筑物的結構［2］，東西側凍結孔為垂直孔，南北側為斜孔，兩種角度布置在開挖范圍的四周。傾斜凍結孔54個，垂直凍結孔66個，雙排布置，排間距0.9 m，孔間距0.9 m，傾斜孔與水平地面夾角64.2°。在四周薄弱處布置8 個測溫孔以監測凍結壁厚度、凍結壁平均溫度、開挖區附近地層凍結情況?？筛鶕F場情況調整測溫孔數量、位置和角度［3］。凍結施工參數及平面布置詳見表2。

表2 凍結施工參數匯總

2.3 凍結孔施工

（1）跟管鉆進施工工藝。凍結管即為鉆桿，采用MD-135A鉆機將凍結管鉆入地層指定位置。

（2）凍結孔施工工序。凍結孔測量定位，鉆機安裝和找正，按設計角度和深度打設，斜側測深和試壓，下放供液管。

（3）鉆孔質量控制。鉆孔的單孔偏斜應控制在150 mm 以內（成孔終孔間距不大于1.3 m），否則應補孔；凍結孔有效深度應不小于設計深度；凍結管長度和偏斜合格后需進行打壓試漏，壓力控制在不低于0.8 MPa，前30 min 壓力損失小于0.05 MPa，后15 min壓力穩定無變化者為試壓合格［4］。試壓不合格的，可拔出凍結管進行重新鉆孔，或下套管進行處理。

3 凍脹與融沉控制

3.1 凍結卸壓

土體凍結過程中會產生一定的凍脹壓力，為減小凍結施工對構筑物的影響，基坑內凍結壁附近未凍土中兩側各布設了2 個卸壓孔，采用鋼管制作成花管形式，當凍脹壓力超過地層原始壓力0.2 MPa時，通過釋放泥水卸壓消散凍脹力，可有效釋放凍脹壓力。

3.2 融沉注漿

凍土融化后地面標高可能略低于原始地面標高，為減少融沉量，當停止凍結后地面單日沉降大于0.5 mm 或累計沉降大于1 mm 時，需對凍結土層進行融沉注漿。注漿過程中應遵照“多點、少量、多次、均勻”的原則，并根據地面監測點沉降和解凍溫度場的監測，適時調整注漿量和注漿時間間隔，確保沉降穩定［3］。

沈場立交泵站進水管工程融沉注漿主要采用單液水泥漿，輔助使用C-S雙液漿，單液漿水泥等級強度為P.0 42.5 級，水灰比為1∶0.8～1∶1；雙液漿水泥等級強度為P.0 42.5 級，水玻璃為35～42°Be，將配好的水泥漿液和水玻璃漿液按照1∶1 混合注入。注漿壓力為0.3～0.5 MPa，注漿流量宜控制在15～20 L/min，注漿總量一般參照凍土融化體積的15%計算，單孔單次注漿量根據注漿壓力控制，單孔單次注漿量不大于1 m3。融沉注漿是一個持續過程，依據監測數據而定，實測地層沉降一個月每半個月不大于0.5 mm，即可停止融沉補償注漿。

4 凍結監測

為確保施工安全及凍結施工對周邊環境影響最小化，項目進水管理人員自土方開挖施工起持續對凍結系統、地層以及周邊環境進行監測，根據監測結果及時調整施工方案。

4.1 凍結監測內容

（1）凍結系統監測內容包括：凍結器去/回路鹽水溫度、冷卻循環水進/出水溫度、冷凍機吸/排氣溫度、清水泵/鹽水泵工作壓力及冷凍機吸/排氣壓力等。

（2）凍結帷幕監測，主要監測凍結帷幕溫度場。

（3）周邊環境監測內容包括：地表沉降(基坑周邊20 m 范圍內東南西北4 個方向)監測及周邊建筑物（建筑物東側及南側）差異沉降監測。

4.2 凍結監測方法及頻率

（1）凍結系統：制冷系統和鹽水系統的工作壓力，直接通過系統上安裝的壓力表量測，2～3 h量測1次。制冷系統和鹽水系統的溫度通過安裝的溫度計直接讀取或用測溫儀量測，2～3 h量測1次。

（2）凍結帷幕：在測溫孔內安裝康銅線熱電偶，使用測溫儀量測凍結帷幕溫度。凍結帷幕幫壁溫度使用高精度點溫計或用精密水銀溫度計測量，監測頻率每天1～3 次，當出現工作面溫度過高等不利情況時，監測頻率為2 h監測1次。

（3）周邊環境監測：根據設計文件要求，本基坑為二級基坑。為保證圍護結構及周邊環境的安全，結合該工程的特點、現場情況及周邊環境，主要監測內容有：基坑邊坡頂部水平、垂直位移；基坑周邊構筑物沉降水平。監測頻次見表3。

表3 監測頻次

4.3 監測數據及分析

4.3.1 冷凍系統

沈場立交泵站進水管工程凍結孔施工開始于2023 年3 月6 日，4 月6 日全部完成。冷凍機于4 月12 日開始正式運轉，開機后溫度迅速下降，4 月18日（凍結7 d）鹽水溫度去、回路溫度達到-25 ℃以下，到4月26日（凍結15 d）鹽水去路溫度已達到-28 ℃以下，滿足開挖要求［2］。后期鹽水溫度基本維持在-30 ℃左右，去回路溫差為1 ℃，滿足設計要求。

冷凍機吸/排氣溫度、清水泵/鹽水泵工作壓力及冷凍機吸/排氣壓力等均無異常情況發生。

4.3.2 凍結帷幕

根據施工資料及施工現場實際情況來看，凍土最慢發展速度為34.1 mm/d。以最慢發展速度到5月8日凍結27 d計算凍土發展半徑r為920.7 mm，凍結帷幕量算的最薄有效厚度為2 508 mm，滿足設計的大于2 500 mm要求，因此凍結帷幕厚度已滿足設計要求［5］。

4.3.3 周邊環境監測

根據現場實際監測情況，整個基坑施工過程中數據累計值都未超過報警值，數據穩定且未出現陡沉情況，見表4～5。

表4 基坑坡頂豎向位移及水平位移統計

表5 周邊建筑物豎向位移及水平位移統計

由表4～5可知，基坑穩定性實測數據較為穩定，沒有突發情況。

5 結論及建議

徐州市區沈場大溝立交泵站進水管基坑經過近90 d的凍結施工，順利完成基坑開挖及進水鋼管的施工，既保證了施工質量及進度，又確保了基坑及周邊建筑物的安全，也未對臨近鐵路及地鐵產生擾動。事實證明，當常規基坑開挖及支護方法對周邊環境產生影響較大時，采用凍結加固技術是行之有效的，可在其他類似工程中推廣應用。幾點建議如下：

（1）根據需冷量選擇合適的凍結加固設備及凍結施工方案，可以最大限度地發揮凍結效果。

（2）凍結管施工完成后，需進行打壓試驗。同時，需做好凍結管斷裂及滲漏的應急處理。若出現斷管或滲漏現象，及時關閉該管路的鹽水供應，對漏出的鹽水進行必要的處理，并在斷管中下套管，盡快恢復凍結，以免影響前期凍結效果。

（3）凍結過程中，嚴格按照監測方案加強對凍結系統、周邊建筑物及基坑進行監測，確保施工安全。