人工凍結法在地鐵建設中的應用與發展

張 婷，楊 平

(南京林業大學土木工程學院，南京210037)

地下鐵道具有運量大、速度快等特點，已成為解決市區擁堵的主要手段，而地鐵建設對增強中心城市的區域輻射功能、完善綜合交通體系、提升城市建設品質和公共交通服務水平有重要意義。地鐵隧道多位于城區、鬧市區，周邊建筑物和管線密集，沿海、沿江地區還常穿越軟土或富水砂層等復雜地層。這種復雜地質環境給地鐵建設提出新的挑戰，尤其是跨越江河賦予隧道水下施工更高的技術要求。地鐵施工除正常貫通外，必須解決兩個問題:一是安全通過不良地層，避免涌水、坍塌現象，二是隧道施工應妥善保護周圍建筑物、構筑物。

目前地鐵建設面臨一些問題:如地面無法加固時聯絡通道的安全施工、盾構進出洞時潛在的涌砂涌水、隧道涌水與塌陷后的事故修復及盾構隧道穿越江河底部或長距離推進時盾尾刷更換等問題，人工凍結法在解決上述問題方面有很大優勢［1－3］，已在我國地鐵建設中得到大量應用，但有關理論和技術研究還待于進一步深入。

1 人工凍結法在地鐵聯絡通道中的應用

聯絡通道是地鐵隧道之間的橫向連接道，解決已有隧道的對接問題，供緊急情況乘客轉移使用;常位于區間隧道中部或線路最低處，多與集、排水泵站合并建設，擔負集、排水、防火等作用［4］。修建聯絡通道時需要對地層加固，常用加固方法有管棚法、深層攪拌法和人工凍結法等;施工中開挖土方量不大，最大威脅來自地下水，在其它工法加固效果不明顯時人工凍結法成為施工聯絡通道的唯一選擇，已在北京、天津、上海、南京和蘇州等地軟弱土層及含水砂層中被成功運用。

南京地鐵1號線共有6個聯絡通道，平均埋深15.5m，地層以粉細砂、淤泥質粉質黏土為主，除一個采用頂管法施工外，其余五個聯絡通道均采用人工凍結法加固，其中新模范馬路－南京站、張府園－新街口站聯絡通道施工時在地面旋噴加固失敗后采用人工凍結法。后續地鐵2號線、3號線和10號線汲取施工經驗，很多聯絡通道直接采用人工凍結法。

南京地鐵2號線中和村站－油坊橋盾構井1#聯絡通道地處粉質黏土與粉砂交互層，地下水豐富，線間距20m，凈距13.8m，施工難度較大，比選各種加固方法后采用“雙隧道打凍結管，中間交叉1.5m，每條隧道內各安放冷凍機組同時凍結”的施工方案，凍結壁整體性好，通過監測未發現施工薄弱環節［5］。

武漢地鐵2號線越江隧道共有5條聯絡通道，其中3號聯絡通道距地面50m、處于長江正中心下方，是全國最深的聯絡通道，承受巨大的水壓力，其施工難度及工程安全性遠超隧道施工，開挖前把聯絡通道四周全部凍結，在凍結壁保護下開挖內圈地層施工聯絡通道，目前2號線已進入設備安裝和裝修階段［6］。

蘇州軌道交通1號線共25個聯絡通道，其中24個受地質與周圍環境限制需暗挖法施工。如玉山公園站～蘇州樂園站區間隧道聯絡通道及泵站線間距13.79m，開挖面土層為④－2粉砂夾粉土和⑤－3粉質黏土層，采用“隧道內水平凍結加固土體、礦山法開挖構筑”施工方案。

地鐵聯絡通道水平凍結加固的關鍵技術如下:

(1)確定詳盡的地層參數與合理的凍結方案。包括凍結孔布置，設計鹽水溫度 (一般為－25～－30℃)、控制單孔流量不小于5m3/h、終孔間距Lmax≤1000mm，積極凍結時間為45 d。

(2)隧道內應有支撐與應急防護門。防護門具有一定的密閉性，能靈活開關，關閉后能承受水土壓力，有效阻止聯絡通道施工時涌水、涌砂，防護門開啟狀態不影響正常開挖和砌筑工作。

(3)制定切實可行的凍結監測 (溫度場發展、管片與應力鋼架受力情況、地層凍脹融沉變形)、聯絡通道施工完畢后的解凍、融沉跟蹤注漿和凍結孔填充措施。

2 人工凍結法在盾構隧道端頭加固中的應用

盾構法是施工地鐵隧道的一種機械化方法，盾構隧道端頭土體加固是盾構機安全始發與接收的重要保證，加固成敗已成為盾構法施工風險最大的環節。端頭常用加固方法有降水、地基加固和人工凍結法:降水法可有效疏干地下水，常被用作盾構端頭加固的輔助措施;地基加固法通過添加黏結料預加固，但工程地質條件的多變性、不穩定性無法確保化學加固體整體質量;人工凍結法在端頭加固可將凍結壁與盾構工作井圍護結構完全膠結，開鑿洞門后凍結壁具有較強的自立性與封水性，已成為富水地層盾構隧道端頭加固的首選方法。人工凍結加固端頭分垂直凍結和水平凍結。

2.1 垂直凍結技術

在盾構進出洞凍結法土體加固中，我國最早引入垂直凍結技術。當地層含水率較高、穩定性差，垂直凍結加固體強度及封水性能滿足盾構進、出洞的穩定要求，且地面允許施工時強度較高、凍土體積相對較小，對周圍環境影響較小。

南京地鐵1號線張府園車站南端頭井采用地下連續墻圍護、深層攪拌樁以及壓密注漿加固，盾構出洞鑿除洞門過程中出現涌砂險情，采用雙液漿堵水后仍有流砂，引起局部地面沉降;后采用垂直凍結形成與地連墻密貼的凍結壁，成為南京首次實施地下工程人工凍結法的范例［7］。

南京地鐵10號線綠博園站為松花江路站～綠博園站區間盾構始發站，盾構始發前對綠博園東端頭地基進行組合加固，加固范圍長9m、寬28.8m;其中洞門上下3m為強加固區，上方3m以外為弱加固區，靠近洞門處增設一排垂直凍結管補強加固。

隨著軟土地區地鐵盾構隧道數量增多，類似上述化學加固與垂直凍結補強加固的工程實例將越來越多。凍結補強加固時，對人工凍結法的技術要求一般如下:凍結管距槽壁0.4m，孔間距0.8m，孔深到洞門以下2m，凍結管采用Φ127×3.5mm鋼管;凍結壁厚度為1.2m，平均溫度取－10℃。

上海軌道交通13號線世博園區專用交通聯絡線淡水路站－馬當路站區間隧道馬當路站始端頭已進行高壓旋噴加固，盾構底部為微含承壓水的⑤1－2層灰色粉質黏土，盾構出洞風險較大后來采用“單排孔液氮快速凍結”的垂直凍結法補充加固方案［8］。

2.2 水平凍結技術

鬧市區地鐵隧道所處地面建筑林立、管網密布，端頭加固施工場地受限，通過洞內水平凍結可解決該類難題。施工中將洞門板塊凍結并延長外圈凍結深度，使凍結加固體包裹盾構機身，這種杯型凍結壁封水性較好，并能承受洞門后地層水土壓力。

北京地鐵熱－八線大北窯車站南隧道實現了我國首例水平法凍結施工，水平距離45m，拱頂水平凍結壁有效提高了隧道頂部地層穩定性，證明水平凍結法是暗挖隧道軟弱含水地層中封水的有效方法［9］。

上海古北路站－中山公園站區間隧道，盾構進洞口頂部1.4m處有一污水箱涵，加固時在箱涵底部形成強度高、封閉性良好的水平杯形凍結壁，確保盾構順利進洞并不影響上部箱涵的穩定性［10］。

南京地鐵2號線逸仙橋站－大行宮路站區間隧道，盾構從逸仙橋站西端井出洞，站點所處中山東路道路和龍蟠中路屬城市干道，車流量、人流量較大，受地面環境限制，無法從地上進行土體加固施工，施工中采用地下水平杯型凍結法加固土體。

南京地鐵2號線集慶門車站盾構進出洞時，端頭曾采用三軸攪拌樁進行加固，冷縫采用高壓旋噴樁處理但無法形成完整加固體，后采用三軸深攪樁延長加固長度6～12.3m，在原加固區兩側采用三軸深攪樁形成止水帷幕，對原加固區使用壓密注漿補充加固，通過探孔發現隧道底板以下砂層中仍然有水、砂涌出，最終也采用水平杯型凍結法［11］。

蘇州軌道交通2號線Ⅱ－TS－05標天筑路站～蘇州火車站站區間盾構進出洞端頭地基加固加固中，靠近車站端頭采用單排φ800@600雙管旋噴樁，攪拌樁采用三軸φ850@600;后因不具備施工降水井條件也采用水平凍結法加固［12］。

不管是采用垂直凍結還是水平凍結，目的都為提高盾構始發或到達時洞門外地層的自穩能力，地層凍結后開鑿洞門的時機與凍結壁質量關系密切。關鍵技術如下:

(1)確保凍結孔的成孔質量，嚴格控制凍結孔塌孔、凍結管偏斜，使凍結壁形成局限在預定范圍并滿足設計要求。

(2)為開鑿洞門確定的控制指標主要包括凍結壁厚度 (滿足設計要求)、平均溫度 (≤ －10℃)、探孔溫度 (≤地層起始凍結溫度)、去回路鹽水溫差 (≤1.5℃)、凍結壁與槽壁界面溫度(≤ －5℃)。

(3)做好凍結溫度場與凍脹融沉變形監測工作。

(4)凍結壁解凍與跟蹤注漿。

3 人工凍結法對地鐵隧道涌水、坍塌等事故的修復

世界地鐵建設史上也曾發生過隧道修建過程中涌水、坍塌等隧道損毀事故，多采用施工難度較小的“改線修復”方案，但很多情況下受規劃線路影響需進行隧道原位修復，即對隧道周圍土體進行加固，在保護原有完好隧道基礎上撤除破損隧道結構并原位重建。

上海軌道交通4號線浦東南路站－南浦大橋站區間隧道中間風井聯絡通道施工時發生流砂事故，導致隧道塌陷;在補充詳勘、充分論證基礎上最終選擇原位修復方案，連接段采用人工凍結加固暗挖施工，并設置安全門和備用液氮罐等應急措施［13］。

南京地鐵2號線中和新村站～元通站右線盾構到達元通站150m處出現突發性涌水、涌砂，造成已成型的部分區間隧道局部坍塌，修復工程主要由明挖基坑區域和礦山法凍結暗挖區域組成。暗挖區位于隧道破壞臨界點附近;對切割點附近的隧道(破壞隧道與完好隧道連接部分)進行垂直分期凍結封堵、填充和加固，在垂直凍結塞保護下進行充水隧道內的排水和清淤工作。

上海軌道交通11號線支線建設中被京滬高鐵工程從地面施工的預應力高強混凝土樁 (PHC樁)擊穿，修復中采用液氮快速凍結，積極凍結10d，側墻厚度達2.3m、平均溫度－31.9℃，頂板厚度為6.7m、平均溫度－16.44℃;從鉆孔施工到結構澆注完成歷時35d，實現了快速施工［14］。

上海地鐵2號線陸家嘴站－南京東路站區間隧道聯絡通道排水管與隧道管片接口處出現漏水、冒泥，通過注漿法緊急處理后采用液氮凍結對隧道內排水管口出水點周圍的土體進行局部封水凍結，再開挖并處理了原排水管［15－16］。

這類修復基本是在保護原未破損隧道基礎上進行的，要求完好隧道與修復隧道盡量早日貫通，在不具備明挖、礦山法施工條件不足時，人工凍結法為修復工程提供了技術保證，尤其是液氮凍結施工速度快、安全性較高，在隧道搶險修復中已被大量應用。

隧道凍結修復關鍵技術與普通人工凍結工程基本一致，凍結壁力學性能由凍結壁平均溫度與厚度共同確定;凍結管的布置及液氮消耗量與凍結壁厚度及地層條件有關，液氮凍結拔管對熱水循環要求相對較高。

4 人工凍結法在更換盾尾刷中的應用

盾構隧道穿越江河時，地層復雜多變，承壓水壓力大，盾尾滲漏時有發生，使江河底部盾構隧道風險加大;另外盾構機長距離掘進時，常因盾尾密封油脂加注量不足或盾尾密封刷磨損使盾尾刷失效。

盾尾刷是盾構機的生命線，容易損壞卻難以修復，正常掘進時盾尾刷位于安裝管片背后而無法更換，因此在可預見的情況下需提前選擇停機位更換盾尾刷。更換盾尾刷時確保管片拆卸后盾尾的密封止水性能較為關鍵。關于地下水處理，目前仍以漿液凝固與人工凍結為主，前者以噴漿并增大同步注漿量來縮短漿液凝固時間為依據，但是化學加固體的不均勻性難以有效克服盾尾漏漿涌水現象，風險較大;而人工凍結壁的封水性能已被廣大工程驗證。

廣州地鐵天－華區間左線盾構累計掘進5484環后盾尾嚴重漏漿，隧道埋深14m，隧道范圍內為花崗巖殘積層，頂部為淤泥層，上方局部有砂層，地層較軟弱，采取對盾尾第一、二道尾刷更換措施，加固時以改變注漿配比以加快漿液凝固為主，并對盾尾漏漿點采用海綿條封堵［17］。

杭州慶春路過江隧道兩臺盾構進入江底承壓水層后，均出現不同程度的盾尾漏漿涌水現象，采用液氮凍結法封堵盾尾外側地下水，在凍結壁 (設計厚度1.8m，平均溫度－15℃)保護下更換并增設盾尾刷，這種長距離液氮凍結用于高承壓含水層中更換盾尾刷在國內尚屬首次［18］。

液氮凍結更換盾尾刷關鍵技術包括以下幾個方面:

(1)選擇合適的盾構機停機位置。預測盾尾刷破損的大致位置，提前選擇相對穩定地層進行盾尾刷更換 (軟土地層中盾構機受自重影響，停機容易引起低頭現象)，若確實需要在不穩定地層更換，則應做好盾尾封水工作。

(2)確定凍結孔位置、數量、孔深及分組情況，并設測溫孔監測凍結壁發展情況。

(3)長距離液氮輸送絕熱保溫與回氣系統密封有助于減小液氮管路輸送能耗。供氮干管可采用2層10 mm厚的聚乙烯保溫材料和3層密封薄膜交替包裹，各支管采用2層10 mm厚的聚乙烯保溫材料外加1層密封薄膜包裹。

(4)控溫焊接技術。液氮凍結加固與焊接新尾刷的施焊條件相悖，焊接時對盾尾鋼板和未拆除管片接觸處應進行噴水降溫，防止焊接高溫融化凍結壁。

(5)強制解凍與恢復掘進技術。盾尾刷更換完畢，沿管片內壁環形布置熱水循環盤管進行強制解凍 (0.75m3電加熱熱水循環箱、0.5m3循環水泵、水溫60℃以上)。凍結壁與盾構機接觸部位融化后，檢查盾尾間隙 (長時間停機引起盾尾偏移，可能出現盾構間隙過大或過小)，必要時輔以注漿措施，確保后續工作安全時方可恢復掘進。

鹽水凍結相對液氮凍結而言，耗時較長，經濟性較好，在工期允許、可預見的盾尾刷更換工程中也可利用常規人工制冷技術 (鹽水凍結)加固地層達到封水目的。

低溫鹽水凍結更換盾尾刷方法關鍵技術在于:兩個特殊管片環的制作與安裝:一是凍結管片特殊環 (管片內預埋有凍結管和測溫管)，位于普通環前方;二是用于盾尾刷更換操作的更換特殊環，位于凍結環前方，停機更換前，依次安裝普通環與特殊環。連接凍結管路與凍結設備，使盾尾刷后地層形成與盾構密貼的凍結壁;在凍結壁保護下逐個更換盾尾刷并注入防水油脂;全部更換完畢后強制解凍，恢復盾構正常掘進。

5 展望

人工凍結法成功解決了困擾地鐵施工的眾多難題，在封水方面具有獨到優勢，但仍有諸多問題需要進一步深入研究。

(1)目前，人工凍結研究多集中在原狀地層凍結，隨水泥土加固后再輔以凍結加固工程增多，含水率、密度、水泥型號和外摻劑等因素對水泥土熱物理參數、凍結水泥土力學特性、凍結溫度場的影響值得進一步研究。

(2)特殊環境條件下可考慮采用水泥土抑制凍脹融沉，應進一步開展水泥土抑制凍脹融沉凍結技術研究。

(3)近年來類似隧道修復和更換盾尾刷等特殊凍結技術應用而生，如何將基本凍結理論與特殊凍結有機結合，研究特殊凍結溫度場、位移場及水分場的發展規律，并使特殊凍結規范化很有必要。

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