凍結法幾個關鍵問題及在地下空間近接工程中最新應用

陳湘生

(深圳市地鐵集團有限公司, 廣東 深圳　518026)

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凍結法幾個關鍵問題及在地下空間近接工程中最新應用

陳湘生

(深圳市地鐵集團有限公司, 廣東 深圳518026)

摘要：地層凍結法在我國應用已超過60年。作為地下工程和隧道工程治水最有效方法之一，既有它的優(yōu)勢也存在一定的風險。給出凍結工程的全過程流程，并從凍土結構在施工過程中受力機制分為“隔水”(水壓)和“既隔水又承受巖土壓”(土水壓)之間的差異，詳盡說明需要考慮的影響設計的主要因素，特別對地層凍脹和融沉機制和預防做出詳細闡述，最后給出在隧道工程的地層凍結方面的最新進展。

關鍵詞：地層凍結； 凍脹融沉； 隧道； 地鐵車站； 盾構進出洞

0引言

人工地層凍結法(Artificially ground freezing method)從1955年首次應用于我國開灤煤礦開鑿豎井以來，用于礦山鑿井已接近1 000個，最深凍結深度將達到955 m(下部局部凍結)，凍結總長度超過260 km。隨著1997年成功開發(fā)出具有我國特色近水平凍結成套技術以來，地層凍結技術已經廣泛應用在含水軟弱困難地層中的市政和地鐵中的凍結工程超過220個[1],解決了其他工法難以解決的許多工程難題，使我國地層凍結法的研究和應用處于國際領先地位。隨著地層凍結法在我國的廣泛應用，在工程實施過程中也遇到了不少問題和風險。比如一些工程技術人員對人工凍土物理力學性質、凍結過程凍土發(fā)展規(guī)律及范圍控制、凍脹和融沉機制及控制技術、凍土結構的受力體系及凍土墻設計、凍土結構和永久結構相互作用、注漿補償控制工后沉降等認知不十分清楚。往往導致設計不合理或者容易出現紕漏而導致重大事故；或者設計缺乏全面考量而出現錯誤；或者沒有完整經驗照搬以往設計而缺乏針對性；或者不清楚凍土結構受力體系而出現錯誤的設計和施工組織設計；或者缺乏對凍脹和融沉處理缺乏針對性等。因此，很有必要從對凍土結構本身設計出發(fā)，把這些關鍵因素一一厘晰清楚，供工程技術人員借鑒，以求在應用該施工方法時盡可能少出問題或者不出問題。

1凍結設計

地層凍結設計主要包含凍土結構(凍結壁)設計和凍結三大系統(tǒng)(制冷、冷媒和冷卻水)的設計，以及與此相關聯的設計要素。

由于地層凍結法的靈活性及有多種選擇性，因而對某一具體工程有其獨特的選擇及設計方法，包括設備及材料的選擇以及多種凍結方案的可靠性與比較。一般就地層凍結工法設計而言，以下6個步驟[1]是必須完成的： 設計條件、凍結工法的可行性、結構優(yōu)選分析、熱學計算、具體凍結方案優(yōu)選及所選方案的費用最終估算。地層凍結全過程見圖1。

圖1　地層凍結全過程

凍結壁設計的關鍵基礎資料是計算標志層凍土力學性質(指標)和初選凍結壁平均溫度。凍結壁設計中的凍土物理力學指標和特性極為重要，它們和凍結壁平均溫度直接相關。一般是根據經驗初選凍結壁平均溫度，再根據所選溫度對應的凍土物理力學指標和特性，初算凍結壁厚度。然后再匡算經濟合理性，進而最后調整和優(yōu)化凍結壁平均溫度和凍結壁厚度。凍結壁平均溫度應根據凍結壁承受荷載大小(或開挖深度)、凍脹融沉可能對環(huán)境造成的影響及工藝合理性確定。淺層凍結工程，一般情況下可按表1選取，礦山凍結工程按表2選取。凍結壁承受荷載大、安全要求高的工程宜取較低的凍結壁平均溫度。當土層含鹽量較高時，應經試驗確定鹽水溫度。維持凍結期間(開挖和支護)鹽水溫度，應根據凍結壁狀況、側幫溫度和測溫孔溫度資料確定。

1.1凍結壁設計

地層凍土結構(凍結壁)設計是地層凍結的關鍵環(huán)節(jié)。深井和淺層地下結構施工中含水地層的凍結加固設計主要涉及到豎井、斜井、基坑、隧道、旁通道、地下室、盾構和頂管進/出洞口的地層凍結加固[2]。首先要判斷地層凍結結構的目的(見表3)。根據地層凍結結構的承載方式進行地層凍結結構設計。主要包括以下內容： 凍結壁結構方案比較與選擇(包括深度(長度)和范圍)；凍結壁的承載力和變形驗算；凍結孔布置設計(考慮周邊環(huán)境及凍脹和融沉)；凍結壁形成驗算(含熱力計算)；凍結制冷系統(tǒng)設計(制冷、冷媒、冷卻水三大系統(tǒng)和檢測)；對凍結壁的監(jiān)測、保護要求、凍脹控制；凍脹和融沉可能對周圍環(huán)境和建(構)筑物產生影響的分析；對周圍環(huán)境和建(構)筑物的影響監(jiān)測與保護要求。

表1淺層工程凍結壁平均溫度設計參考值(取決于凍土力學指標)

Table 1Design reference value for average temperature of ice wall for shalloe works (depending on the mechanical parameters of frozen soil)

開挖深度He/m凍結壁平均溫度Ta/℃ ﹤12-6～-812～30-8～-10 ﹥30 ≤-10

表2礦山凍結工程凍結壁平均溫度設計參考值

Table 2Design reference value for average temperature of ice wall for shaft construction

凍結的沖積層厚/m凍結壁平均溫度Ta/℃ ﹤120-5～-7120～250-7～-10250～400-10～-15 ﹥400 ﹤-15

表3　凍結壁功能分類表

在地層凍結區(qū)域內有以下情況時，設計中應進行深入分析并采取針對性措施： 地下水流速大于5 m/d、有集中水流或地下水水位有明顯(≥2 m/d)波動；地層水結冰溫度低于-2 ℃(含鹽)或有地下熱源可能影響土體凍結；地層含水量低影響土體凍結強度；用其他施工方法已擾動過的地層；有其他可能影響地層凍結或地層凍結可能嚴重影響周圍環(huán)境的情況。

當凍結壁表面直接與大氣接觸，或通過導熱物體與大氣產生熱交換時，應在凍結壁或導熱物體表面采取保溫措施。在凍結壁形成期間，凍結壁內或凍結壁外200 m區(qū)域內的透水砂層中不宜采取降水措施。必須降水施工時，凍結設計應充分考慮降水產生的不利影響。

1.1.1淺層工程中凍結壁結構設計

1.1.1.1淺層工程中凍結壁結構形式選擇原則

1)凍結壁宜按受壓結構設計。

2)在含水砂性土層中應采用封閉的凍結壁結構形式。

3)凍結壁的幾何形狀宜與擬建地下結構的輪廓接近，并易于凍結孔布置。

4)凍結壁結構形式選擇應有利于控制土層凍脹與融沉對周圍環(huán)境的影響。

5)對凍結壁有嚴格變形控制要求時，可采用“凍實”的凍結形式。

旁通道的通道部分可采用直墻圓拱凍結壁，集水井可采取滿堂加固或采用“V”字形凍結壁。開挖后凍結壁應設初期支護或內支撐，但凍結壁承載力設計仍按獨立承受全部荷載計算。凍結壁的厚度設計可采用既有圍護結構或臨時結構計算公式，只是其中的力學指標等參數換成人工凍土的參數即可。

1.1.1.2淺層工程凍結壁厚度設計與強度檢驗

對于淺層工程中表3的Ⅱ類凍結壁要按承載力要求設計凍結壁厚度Eth。無論是矩形、方形、圓形(水平、垂直或者傾斜)或者其他任何形狀凍土結構，都可以套用現有的基坑圍護結構或地下結構設計公式。不同的是力學指標為凍土的物理力學性質指標，這些指標都與溫度直接相關。溫度變化，對應的物理力學性質指標都要變化。尤其是其中的冰是一個隨溫度而變的物質，必須高度重視它的特性和存在，所有能影響它狀態(tài)和性能變化的外界因素必須高度重視。另一方，在開挖過程中，也可以通過信息化監(jiān)測了解凍結壁的穩(wěn)定性，通過調節(jié)鹽水溫度來改變凍結壁溫度以提高凍結壁的穩(wěn)定性。即地層凍結法是在施工過程中能夠根據需要及時改變凍土圍護結構力學指標的工法。這是其他工法無法相比的優(yōu)越性。

多數情況下淺層工程的凍土結構的力學計算模型可簡化為均質彈性體，其力學特性參數宜取設計凍結壁平均溫度下的凍土力學特性指標。一般情況下，開挖后應及時施工初期支護，凍結壁的空幫時間不宜大于24 h。按下列公式進行凍結壁的強度檢驗，一般情況下可只進行抗壓、抗折和抗剪強度檢驗。

Ksσs≤σk。

(1)

式中：σs為凍結壁應力強度，MPa；σk為凍土的瞬時強度指標，MPa；Ks為安全系數，Ⅱ類凍結壁強度檢驗安全系數按表4選取。對于凍結純黏土在取表4中安全系數時可以適當小一點[3]。

表4?、蝾悆鼋Y壁強度檢驗安全系數

如相鄰管線或其他建構筑物變形控制等有特殊要求時，必須驗算凍結壁的變形。

特別是地鐵工程中的旁通道喇叭口處的凍結壁設計厚度不應小于0.8 m，其他部位的凍結壁設計厚度不應小于1.4 m。在凍結壁與隧道管片的交接面強度未經計算檢驗時，凍結壁與隧道管片的交接面寬度不得小于喇叭口處的凍結壁設計厚度，且與凍結壁交界面上的最低溫度不得高于設計平均溫度。

圓形凍土墻還必須進行環(huán)向穩(wěn)定性和垂向穩(wěn)定性(凍結管)校核；對于變形比較大的需要對凍結管安全性校核。 對于重力式凍土擋墻結構、懸臂式凍土擋墻結構、薄板凍土墻結構等可直接套用現有計算公式，采用凍土的力學參數進行設計。同時需要校核凍土墻的嵌固深度、凍土墻厚度校核(根據抗傾覆穩(wěn)定條件計算)、基坑底抗隆和基坑底抗管涌；以及坑底最大滲水量核算。

1.1.2深層工程凍結壁厚度設計

豎井凍結壁厚度Eth計算，主要根據沖積層厚度、巖性特征來選擇合理的凍結壁厚度計算公式。凍結壁厚度按下列順序進行計算：

1)根據井筒地質柱狀圖，把沖積層最深的含水層及深厚黏土層確定為凍結壁設計的控制層，用重液地壓計算公式算出控制層的地壓值。

2)根據表2選擇合理的凍結壁平均溫度，根據平均溫度和試驗資料，或有關計算公式，分別求得深部含水層及深部黏土層的凍土計算強度值。

3)根據控制層的深度、地壓值，該處井筒荒徑和凍土強度值，對沖積層較淺的凍結井筒(≤150 m)，宜用無限長彈性體凍結壁厚度計算公式或彈塑性體凍結壁厚度計算公式求出凍結壁初選的厚度，并應根據深度和土性選擇井幫凍土溫度，確定凍結壁有效厚度。

4)凍結壁平均溫度的核算，應滿足設計選擇的平均溫度。

5)對于沖積層較深井凍結(>150 m)的深厚黏土層的凍結壁，應采用按有限長極限狀態(tài)強度條件計算公式進行初算，確定安全的掘進段高，并應控制在2.5 m以下。還須檢驗凍結壁內表面允許位移值(控制凍結管變形)、允許的暴露時間。

6)如平均溫度、位移值等有不滿足時，需調整計算參數，再重復計算，直至各參數滿足要求。

在凍結法鑿井早期，因凍結深度較淺而土層水平壓力(圓形凍土壁側壓)比較小，工程師們認為圓形凍結壁處于彈性狀態(tài)。計算力學模型是把凍結壁看成無限長且沒有內襯(或者內襯支反力不計)的圓形彈性體，外部荷載就是計算處所處地層的水平壓力(地壓)。對應地采用Lame和Clapeyton(1833)無限長厚壁圓筒設計公式。對于較深凍結井(沖積層深>150 m)，德國的Domke教授(1915)通過簡化提出了無限長厚壁圓筒的彈塑設計公式。眾所周知，凍土在一定壓力作用下呈現流變特性，也即與時間有關這一特征，這些基于彈性或彈塑性理論的設計公式的假設條件與工程實踐，尤其是深凍結井凍結壁受力狀態(tài)不相符。基于此，前蘇聯土力學專家С.С.Вялов等學者取圖2所示模型作為圓形凍結壁設計對象。其上端是已澆灌好的混凝土井壁和鋼模板，下端是開挖工作面。在地層深部段高h一般小于凍結壁內半徑r，凍結壁可視為有限長厚壁圓筒(R/r≥1.1且(R-r)/r≥1/10)，他認為不但要考慮凍結壁的強度，還必須把其顯著特征——蠕變考慮進去，同時還需考察上下端約束條件、段高[4],提出了小段高凍結壁設計公式。在當時С.С.Вялов沒能把溫度和時間參數分離出來。筆者在大量人工凍土實驗數據的基礎上，完善了С.С.Вялов的凍結壁設計式，見式(2)。

圖2　小段高凍結壁

(2)

式中：Eth為凍結壁厚度，m；ph為凍結壁計算出的地層水平壓力，MPa；A0、B、C和K是凍土三軸蠕變數學模型無量綱試驗參數；T是凍結壁平均溫度，℃；ξ是井筒開挖工作面以下地層對凍結壁約束程度系數，取0～0.5；Ur是凍結壁允許位移值，受控于凍結管和凍結壁允許變形值。

假設凍土體積不變(即取泊松比μ=0)，并考慮凍結壁允許位移值Ur遠遠小于凍結壁內半徑這一事實，得出凍結壁允許位移值Ur和所涉計算的凍結管向井筒內允許變位值Uft近似關聯公式：Ur=Rft/rUft。其中Rft是所計算的凍結管布置圈半徑，m；Uft是所計算的凍結管向井筒內徑向允許變位值，m。二者既是獨立的允許值，又存在直接的關聯關系。在設計時取二者較小的作為控制值，偏于安全。

1.2制冷系統(tǒng)設計

根據永久結構設計獲得其形式和襯砌厚度，由此選定凍土圍護結構形式和設計計算模型。根據邊界條件(建(構)筑物安全要求及開挖條件等)、工程地質和水文地質、人工凍土物理力學性質等，就可以基本初算出凍土圍護結構的厚度和對應的凍土圍護結構平均溫度[5]。由此計算出鹽水溫度、凍結孔間距、冷卻水量、裝機容量及功耗等。根據永久結構設計和凍結壁圍護結構設計，以及工程地質和水文地質資料，可基本確定凍結孔布置參數： 凍結孔間距(開孔間距、成孔控制間距、凍結孔孔位)、凍結孔深度和凍結孔偏斜精度要求(根據鉆機鉆進精度)等。凍結孔成孔控制間距取決于凍結壁設計厚度、凍結壁平均溫度、鹽水溫度和凍結工期的要求。凍結孔開孔間距不宜大于凍結孔成孔控制間距與凍結孔最大偏斜之差。當單排凍結孔在規(guī)定凍結工期內達不到設計凍結壁厚度和平均溫度，或者達不到設計強度時，應布置多排凍結孔凍結。

鹽水溫度與鹽水流量應滿足在設計的時間內使凍結壁厚度和平均溫度達到設計值的需要。最低鹽水溫度確定應根據凍結壁設計平均溫度、地層環(huán)境及氣候條件確定。根據表5(淺層工程)和表6(礦山豎井)初選鹽水溫度，在一般情況下再比對表1(淺層工程)或表2(豎井工程)。設計凍結壁平均溫度低、地溫高、氣溫低時宜取較低的鹽水溫度。

表5淺層工程最低鹽水溫度設計參考值

Table 5Design reference value for lowest brine temperature of shallow works

凍結壁平均溫度Tp/℃最低鹽水溫度Ty/℃-6～-8-26～-28-8～-10-28～-30 ≤-10-30～-32

表6礦山凍結工程鹽水溫度參考值

Table 6Reference value for brine temperature of ice wall for shaft construction

凍結的沖積層厚/m鹽水溫度Tb/℃ ﹤120-22～-24120～250-22～-27250～400-25～-32 ﹥400 ﹤-30

注： 鹽水溫度根據豎井開挖直徑選取，直徑越大選取溫度應越低。

凍結施工全過程鹽水溫度控制是不同的。一般積極凍結期前15～20 d鹽水溫度降至-25 ℃以下(設計最低鹽水溫度高于-25 ℃時取設計最低鹽水溫度)；開挖過程中鹽水溫度降至設計最低鹽水溫度以下。施工初期支護后可進行維護凍結，但維護凍結鹽水溫度不宜高于-22～-28 ℃(取決于地層深度和凍結壁平均溫度)。一般來說，在保證凍結壁平均溫度和厚度達到設計要求且實測判定凍結壁安全的情況下，開挖過程中可適當提高鹽水溫度，但不宜高于-25 ℃[6]。

有關凍結壁完全形成時間、凍土熱容量(所吸收的冷量)、鹽水系統(tǒng)和鹽水泵揚程等計算可參考專門書籍。

2土壤凍脹融沉及其控制

真正對相鄰建(構)筑物物產生不良影響的主要是那些凍敏性土(黏性土)，而那些不是凍敏性土凍脹(融沉)的影響很小[7]。衡量凍脹的主要指標是凍脹率。凍脹率指凍土單向凍結方向上的尺寸與凍結前的比值。一般按凍脹率大小來劃分土壤凍脹等級[8]。目前廣泛應用的凍敏性土凍脹分類采用美國寒區(qū)研究和工程實驗室(Cold Regions Research and Engineering Laboratory)用凍脹速度進行分級(見表7)。

表7　 美國寒區(qū)研究和工程實驗室和俄羅斯凍脹分類

筆者及其團隊對土壤凍脹和融沉進行的1g(g是重力加速度)和ng(n是在土工離心試驗機上土壤模型所受重力加速度的倍數)實驗研究[9]表明，影響凍脹(融沉)的主要因素是土體、水、溫度和荷載 4個內、外因素。其中土的因素包括土的粒度成分、礦物成分、化學成分和密度等，其中，最主要的是土的粒度成分。大的凍脹通常發(fā)生在細粒土中，其中粉質黏土和粉質砂土中的水分遷移最為強烈，因而凍脹性最強。黏土由于土粒間孔隙太小，水分遷移有很大阻力，凍脹性較小。砂礫，特別是粗砂和礫石，由于顆粒粗，表面能小，凍結時一般不產生顯著水分遷移，所以不具顯著凍脹性。細砂凍結時，水產生反向(即向未凍土方向)轉移，出現排水現象，也不具凍脹性。在天然情況下，凍土粒度常是粗細混雜的，當粉黏粒(粒徑小于0.05 mm)含量高于5%時,便具有凍脹性。凍土的礦物成分對凍脹性也有影響： 在常見的黏土礦物中，高嶺土的凍脹量最大,水云母次之,蒙脫石最小。凍土中的鹽分也影響凍脹，通常在凍土中加入可溶鹽可削弱土的凍脹。

并非所有含水的土凍結時都會產生凍脹，只有當土中的水分超過某一界限值后，土的凍結才會產生凍脹，這個界限即為該土的起始凍脹含水量。當土體含水量小于其起始凍脹含水量時，土中有足夠的孔隙容納未凍水和冰[10]，結冰時沒有凍脹。凍結速度對凍脹也有影響： 冷卻強度大時，凍結面迅速向未凍部分推移，未凍部分的水來不及向凍結面遷移就在原地凍結成冰，無明顯凍脹；冷卻強度小時，凍結面推移慢，未凍水克服沿途阻力后到分凝成冰面結冰，在外部水源補給下，凍結面向未凍部分推移越慢，形成的冰層越厚，凍脹也越大。

顯然，土壤凍結時原位孔隙水凍結體積增大9.05%(原位凍脹)，而外來遷移水分則使結冰處體積增大109.05%(水分遷移凍脹)。凍土融化時地層要融沉，原位水結冰融化體積縮小導致其融沉8.3%；外來遷移水結冰融化時全部排走后其體積縮小108.3%。顯然，原位水凍脹量(融沉)非常小，開放系統(tǒng)飽水土體水分遷移凍脹量(融沉)要大很多。所以土中的水分遷移凍脹是構成土體凍脹的主要分量，水分遷移凍脹量(融沉)正是我們要高度關注和控制的。對此,工程人員應對那些凍敏性土高度關注和嚴格控制?？梢?，凍脹(融沉)是一個非常復雜的課題。在實踐中要解決其對相鄰建(構)筑物物的不良影響，尤其是可能破壞的影響進行控制，必須從內因或外因、或同時著手。

凍脹敏感性土的粒徑是影響凍脹的一個重要因素，顆粒越小凍脹性越強。砂土凍脹不敏感，一般粉質黏性土凍脹敏感。要想在凍結時抑制水分遷移凍脹，就是要抑制水分遷移，或者沒有外給水源、或者阻斷外給水源遷移到凍結鋒面的水力通道。在實踐中，外給水源是地下水，一般無法取消，只有阻斷水力通道。也就是對凍敏性土減少凍脹可以通過阻斷水分遷移的通道來實現。這樣，可以在凍結開始前對地層進行某種程度的改造，比如注漿、水泥攪拌、旋噴等方式適度堵住土壤中的空隙(阻斷水力通道)。降低土壤透水系數，阻止水分遷移；加強土體強度，減小壓縮沉降。從而在凍結時水分無法遷移，進而不會產生水分遷移凍脹(融沉)。需要特別強調的是，當凍土圍護結構達到凍結設計厚度時，就應該只供有限量的冷量維持改動土厚度。否則產生超量凍結而導致較大的地層凍脹。

融沉對相鄰建(構)筑物的影響有時也相當大，融沉與凍脹密切相關。通常，控制凍脹就間接控制了融沉。雖然工程上融沉量的估算可以簡單地用融沉率與凍土高度的乘積來計算，但是很難準確。還可以采取強制解凍、跟蹤注漿盡快固結土體，避免長期沉降等凍土融沉綜合控制措施。

凍結工程完成時凍土融化后產生一定的融沉，一般來說它由融化沉降和壓縮沉降2部分組成。凍土融化時，冰變成水體積縮小產生融化沉降。融化區(qū)域通過凍結時產生的水力通道排水固結，導致土體壓縮沉降。融化沉降量與壓力無關，壓縮沉降與壓力成正比。因為這種特定的固結排水把原位水也可能擠走，這樣就可能產生融沉量大于凍脹量[11]。

3凍結法在近接工程中的最新發(fā)展

3.1軟土地層中在既有地鐵車站底板緊貼交叉穿越

明珠線二期上體場車站穿越地鐵1號線上體館站施工段(下簡稱穿越段)，如圖3所示，要在運營的上體館站地板下斜交新建上體場站。運營的上體館車站呈南北布置，圍護結構采用800 mm地下連續(xù)墻，穿越段處地下墻底標高為-22.042 m(深26 m)。車站頂板厚700 mm，中板厚500 mm，底板厚1 000 mm，墊層厚200 mm，主體結構混凝土標號為300號，墊層混凝土標號為150號，立柱截面尺寸為1.2 m×0.8 m。穿越段處墊層底標高約為-10.3 m。

圖3　新建上體場穿越段位置示意圖(黃色區(qū))

Fig. 3Overlap section between operating Metro station and under-construction Metro station (yellow area)

穿越段與地鐵1號線斜交約77°，方向大致為由東向西。根據原設計方案，穿越段結構由相鄰的上行線隧道、下行線隧道和換乘通道3部分組成，結構橫截面尺寸約為2個5.74 m (高)×21.5 m(寬)，穿越段頂面緊貼地鐵1號線車站底板，穿越段結構頂部絕對標高約為-10.08 m，底板底標高約為-15.82 m，地面絕對標高為+4.19 m[12]。穿越段東端與明珠線上體場站相連，西端為明珠線區(qū)間隧道盾構工作。穿越段總長度約22.6 m。新建上體場車站結構與運營上體館站結構和位置關系見圖4。

由于穿越段從1號線上體館站下穿過，其結構緊貼1號線車站底板，1號線車站上方地面為高架立交橋；穿越施工范圍內地層有飽和粉土，而且需要穿過1號線車站兩側厚0.8 m的地下連續(xù)墻，給施工造成了很大困難。施工中不能影響1號線地鐵站和地面立交橋的正常運行，施工對地層擾動的控制極為嚴格，進一步增加了工程的難度。尤其是施工區(qū)域緊鄰重要公共建筑與民宅，在穿越段開挖過程中絕對不能發(fā)生水砂突出事故，否則其結果將是災難性的，居民的生命安全將受到嚴重威脅，對施工技術的可靠性提出了極高要求。

(a) 平面關系圖

(b)A-A剖面關系圖和地質剖面

(c)B-B剖面圖

圖中藍色為新結構。

圖4新建上體場車站結構(藍色)與運營上體館站結構和位置關系

Fig. 4Spatial relationship between operating Metro station and under-construction Metro station

為了確保上體場站穿越段工程順利進行，經深入研究和方案可靠性反復對比，上體場穿越段確定采用水平孔凍結法加固地層、礦山法開挖的總體施工方案。為使本項目施工對運營車站的安全和施工本身的安全，本項目采取理論研究、室內實驗、計算機數值模擬、模型試驗、工程設計和實施、工程檢測驗證相結合的研究方法。著重解決了： 凍結壁及支護結構設計理論與應用技術(承受全部土水壓力)；水平凍結孔夯管施工技術；地層凍脹和融沉防治技術；凍結壁形成質量控制技術；穿越段開挖與支護工藝技術。水平凍結孔見圖5。

(a)

(b)

形成凍結壁結構的主凍結孔布置時采用較小孔間距，有利提高凍結壁的發(fā)展速度和凍結壁溫度的均勻性，減少凍結主面和輔面的凍結壁溫度差，滿足凍結壁設計厚度和平均溫度要求。輔助凍結孔的設置主要考慮改善主凍結壁結構受力，使主凍結壁在開挖工作面之前形成暗撐結構，減少凍結壁的超前變形，同時起到提高隧道開挖工作面土體穩(wěn)定作用。卸壓孔通過釋放封閉的主凍結孔在凍結過程中因凍土交圈擠壓中間未凍土的多余水，達到減少凍結壓力的目的。設計位置及數量根據未凍土體量和主凍結孔布置情況確定，上下行隧道各設置4個卸壓孔。加熱孔用于控制“U”形主凍結壁在凍結過程中，通過循環(huán)熱鹽水軟化與1號線接觸處的凍結壁，削弱或減少凍脹力向1號線底板傳遞。凍脹釋放孔用于控制當主凍結壁凍脹力，當凍脹力較大時，通過抽取凍脹釋放孔，形成凍結壁弱面達到釋放部分凍脹力目的。測溫孔，用于監(jiān)測凍結壁在形成和發(fā)展過程中凍結壁厚度和溫度變化情況。通過全過程的信息化施工管理，安全高效低地完成了首個運營地鐵車站地板下斜交新站通道的建設工程。

3.2地層凍結使盾構出洞管片外再擴大凍結進行擴洞掘砌

福鄰站為深圳地鐵7號線一中間站，位于皇崗口岸內，車站呈南北走向，東側為深圳河及福田河，西側、南側均為皇崗口岸停車場，北側為邊檢生活區(qū)。區(qū)間采用盾構施工，但在車站始發(fā)段屬于道岔末端而需要擴大盾構外圍尺寸。擴刷段隧道位于車站左線最北側，起始里程ZDK20+361.517，結束里程DK20+381.397，擴刷段總長19.88 m；擴刷處地面標高+4.28 m，開挖范圍標高為-21.148～-12.958 m。這部分凍結加固暗挖隧道位于福鄰站左線北端，暗挖段隧道上方為邊檢生活小區(qū)18#樓(距工作井12 m)，隧道正上方有1棟2層球場，福鄰站盾構擴大段平面位置以及盾構管片外側擴刷區(qū)域關系見圖6。由于工程緊鄰河邊，地層基本是淤泥和全風化花崗巖之中，安全風險極大，必須按后選采用地層凍結法。

(a)

(b)

圖6福鄰站盾構擴大段平面位置以及盾構管片外側擴刷區(qū)域關系

Fig. 6 Plane sketch and cross-section of enlarged tunnel section

據設計，擴刷段隧道呈馬蹄形斷面，凈尺寸為7.0 m×6.9 m(長×寬)，開挖斷面達到8.4 m×8.3 m(長×寬)，雙層支護結構，初次襯砌為鋼支架+噴射混凝土支護，厚度為250 mm，二次襯砌為現澆鋼筋混凝土支護，厚度為400 mm。擴刷段前端封頭采用玻璃纖維筋混凝土，厚度為400 mm。設計采用水平孔凍結法加固地層、礦山法擴刷構筑施工(見圖5)。因節(jié)點工期控制，凍結和盾構掘進以及凍結再擴刷分別進行，即始發(fā)端頭凍結加固好之后向盾構推進，然后凍結外圍并在管片外側用礦山法擴刷(去掉盾構管片)，做隧道襯砌。整個過程是盾構出洞端頭地層凍結加固好，盾構始發(fā)出洞，同時凍結管片外側凍結圈；待盾構完成本區(qū)間掘進后，再對擴刷段采用礦山法對擴大段進行擴刷掘砌和做隧道襯砌(見圖7)。本工程中分為盾構始發(fā)止水和管片外側水平外擴開挖和支護。凍土結構受力體系在全過程中是變化的，承受全部土水壓力。在其設計中取最不利條件下的外部荷載做為設計依據。因為緊鄰福田河，且底層為河灘淤泥與雜填土，凍土結構設計安全系數上限值。全過程采用信息化施工管理，取得圓滿成功。

(a)(b)

圖7先凍結加固盾構始發(fā)段，盾構推進后在凍結擴刷段并開挖示意(單位： mm)

Fig. 7Construction scheme (mm)

3.3港珠澳大橋拱北口岸曲線隧道管幕工法中管間凍結止水工程

目前正在進行的港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道是珠海連接線的控制性工程，暗挖段為雙向6車道、上下層疊層隧道，下穿拱北口岸限定區(qū)域，是國內第1座采用曲線管幕做為超前支護的隧道，并采用分區(qū)分段凍結法進行管幕之間止水。暗挖段長度為255 m，平面線形為88 m緩和曲線+167 m圓曲線，兩端共設置2個工作井，互為始發(fā)、接收井。管幕由36 根φ1 620 mm鋼管組成，總長9 540.97 m，單根管最長260.401 m，最短255.433 m。其中上層17根鋼管壁厚20 mm，下層19根鋼管壁厚24 mm，管間距35.5～35.8 cm。曲線隧道位置及管幕布置見圖8。

圖8　曲線隧道位置及管幕布置

圖9　管幕、管幕間止水凍結管和限位管(加熱)之間的關系

4結論與探討

地層凍結法在我國應用已超過60年。實踐表明：無論是作為封水結構還是承受全部土水壓力的復雜凍土結構，只要在凍土結構設計中認真進行受力體系分析，以此確定設計理論和公式。地層凍脹和融沉并非人們想象得那樣可怕，事先充分把握了工程本身所處地層凍敏性程度，就可依周邊建構筑物安全要求來控制好凍脹融沉；同時，做好全過程的施工信息化管理與反饋來指導施工，在再復雜的外部環(huán)境和受力條件下都能很好地發(fā)揮其優(yōu)勢。特別是在解決含水復雜地層中復雜空間關系(近接)的地下建筑物安全施工中，其作用更加突出。隨著地下空間、尤其是深層地下空間進一步開發(fā)利用，地層凍結法將會應用更加廣泛并發(fā)揮更大的作用。

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Several Key Points of Artificial Ground Freezing Method and

Its Latest Application in China

CHEN Xiangsheng

(ShenzhenMetroGroupCo.,Ltd.,Shenzhen518026,Guangdong,China)

Abstract:Artificial ground freezing method has been applied in China for more than 60 years. As one of the most effective methods for controlling water in the underground works and tunnel works, artificial ground freezing method has its advantages and risks. In the paper, the procedure of artificial ground freezing is presented, the factors that should be considered in the design of artificial ground freezing are discussed, the mechanism of frost heaving and thaw settlement, as well as the prevention measures, are expounded, and the progress of artificial ground freezing method applied in tunel works are provided.

Keywords:artificial ground freezing; frost heave and thaw settlement; tunnelling; Metro station; launching and arriving of shield machine

中圖分類號：U 45

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2015)12-1243-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.002

作者簡介：陳湘生(1956—)，男，湖南湘潭人，1982年畢業(yè)于淮南礦業(yè)學院(現安徽理工大學)，2000年在清華大學獲得博士學位，研究員，深圳市地鐵集團有限公司總工程師,從事地鐵工程、隧道與地下工程專業(yè)。

收稿日期：2015-07-15; 修回日期: 2015-09-20