地鐵聯絡通道凍結法施工研究現狀

奚家米, 熊元林, 馬新民, 謝君泰

(1. 西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054；2.中國鐵路總公司，北京 100844；3.中國中鐵第一勘察設計院有限公司，西安 710043)

隨著社會經濟的快速發展、科學水平的不斷提高，中國作為人口大國，正面臨著因人口基數增長過快而導致空間相對縮小的問題。人口不斷增長會導致城市擁堵，進而影響到人類的日常生活。在這樣的背景下，為了緩解城市交通擁堵問題，開發地下空間是目前切實可行的方法。其中，城市地鐵建設可以解決這一系列問題。

近年來，地鐵建設發展迅猛，伴隨著這種態勢，也產生了許多施工方法。如明挖法、暗挖法、管棚法、注漿加固沉井法、土體凍結法以及頂管法或小型盾構法。這些施工方法根據施工地質情況的差異有不同的適用條件。但是，在地質條件和水文條件都十分復雜的情況時，土體強度便達不到施工要求，地鐵工程的建設便會尤為艱難，為了增強土體的強度及穩定性，凍結法的引入便顯得至關重要。

凍結法作為地鐵建設的施工方法之一，獨樹一幟。該方法是利用凍結管在土中的循環冷量，將土中的水凝結成冰，從而把天然巖土變成凍土，以達到增強土體自身穩定性及強度的目的，這是其他施工方法所做不到的。并且該施工方法在富水地層中尤為適用，它能夠有效地隔絕地下水對土層的影響，使施工能夠順利進行。結合凍結法的特點，對目前凍結法在地鐵聯絡通道中的應用與研究現狀，施工對土體力學性質、周圍環境的影響以及凍結法的優化設計幾個方面展開介紹。

1 人工凍結法的應用與研究現狀

人工凍結法起源于英國，1862年工程師們利用該工法在建筑基礎中對土壤進行加固。1880年，德國工程師Poetch在國際上首次對凍結法原理進行了介紹，并于1883年將該技術成功地應用于阿爾巴里德煤礦中，建造了103 m深的豎井[1-3]。伴隨著人們對該施工方法的了解，之后的幾十年里，人工凍結法在隧道、基坑及礦井等領域也得到了廣泛的應用。凍結法原理如圖1所示。

圖1 凍結法原理Fig.1 Schematic of the freezing method

1.1 凍結法施工在地鐵隧道中的應用

人工凍結法在隧道工程中的應用可以追溯到19世紀90年代，瑞典工程師們使用人工凍結法修建了一條24 m長的人行隧道。伴隨著該項技術的逐漸成熟，人工凍結法也在其他國家得到了廣泛的應用[1-3]。美國威斯康森州(Wisconsin)在建設隧道時，由于地下土層結構復雜，傳統的施工方法在面對這種結構時無法取得良好的支護效果。在采用人工凍結法進行圍護后效果良好，實測在允許范圍內[4]。1994年，德國杜塞爾多夫(Dusseldorf)市在進行地鐵建設時，由于地處鬧市區，需充分考慮施工時對周圍建筑物的影響，為此采用了凍結法進行施工，不僅確保了施工的安全，還保證了對周圍建筑物不會產生較大的影響[5]。1996年，日本名古屋市在建造地下輸電隧道時由于兩條隧道的高程相差較大，于是工程師們采用人工凍結法對兩條不同直徑的隧道進行連接，取得了良好的效果[6]。由于人工凍結法應用范圍廣，在施工過程中展現了獨有的止水性及可靠性，所以也引起了國內專家及工程師們的關注。

中國首次將人工凍結法應用于地鐵隧道建設是在20世紀70年代。北京地鐵復興門至八王墳區段內由于地質條件情況不佳，在施工過程中發生坍塌并產生了地表沉降，為解決該問題，首次對隧道進行了水平凍結法施工[7]。此前，凍結法在中國煤礦立井中廣泛應用，而該技術的引入，成功彌補了中國水平凍結法在地鐵隧道建設中的空白。

人工凍結法在不同的凍結位置處分為垂直凍結法和水平凍結法。垂直凍結法適用于地層含水率較高、穩定性較差的土層。使土體強度以及隔水性能夠滿足施工要求[8]。而水平凍結技術則多應用于地下管線分布密集、高樓建筑較多的城市。2003年在建的南京地鐵1號線由于地質情況復雜，隧道內出現涌砂險情，采用一般的施工方法進行搶險并未取得成效，后采用垂直凍結法成功地進行了修復[9]。南京地鐵2號線同北京地鐵熱-八線的施工環境相同，地處鬧市區，車流、人流量大，無法進行地上施工作業，并且在施工時發現隧道底板以下有水、砂涌出，因此采用了水平凍結法進行凍結圍護[10]。天津地鐵1號線施工最困難的過子牙河段，因土質松軟、含水量大、工程地質條件差等原因，導致整個地鐵工程無法順利完工。在進行了各種方案比選后采用了人工凍結法并借鑒了北京地鐵復-八線大熱區間水平凍結法的經驗，成功地對隧道四周進行了加固，使施工能夠順利完成[11]。

1.2 凍結法施工在地下空間搶險修復工程中的應用

地鐵隧道在施工過程中有時會發生涌砂、突水等險情，此前常采用“改線修復”的方法，但這種方法存在很大的弊端，可能會導致施工不能如期完成，并且造成額外的費用。為了順利解決此類問題，安全高效的凍結法常被應用于地鐵隧道搶險修復過程中，這個過程稱為“原為修復”。如廣州地鐵隧道施工期穿越斷裂破碎帶時突發流砂險情，后采用了凍結法施工來進行加固，順利修復了破損部分[12]。上海軌道交通4號線某區間段在進行聯絡通道開挖時，泥沙涌入隧道造成隧道坍塌，地表發生沉降，后采用凍結加固使隧道得到了修復[13]。

很多專家學者對兩種修復方法進行對比實驗，判斷哪種工法修復效果更好。常熟某江底隧道在施工過程中發生突水涌水事故，郝明強等[14]通過凍結法與傳統施工臨時封堵墻兩種修復方法比較發現，凍結法修復可控性、安全性更高。上海軌道交通4號線某區段聯絡通道在進行施工時，突發涌水流沙險情，影響了當地的交通并造成了巨大的經濟損失，后經過專家組論證，考慮難度、經濟等綜合因素選擇了凍結加固和暗挖對接的“原址修復法”確保施工順利進行[15]。

1.3 液氮凍結技術現狀

傳統的凍結方法是通過鹽水吸收土的熱量，并將吸收的熱量傳遞給液氨，經過壓縮做功后，氨的部分熱量被冷卻水吸收，如此循環使土中的未凍水結冰，以達到凍結的效果。但在施工場地受限或工期緊張時，傳統的凍結法便無法達到預期效果。而液氮凍結法作為一種綠色環保、操作方便且不受施工場地限制的技術與傳統凍結法相比更具有優勢。

液氮技術相較于傳統的凍結技術而言，沸點更低，凍結效果更好，所以當傳統凍結法的凍結效果無法達到預期時，往往采用液氮凍結法。上海軌道交通11號線支線某段，因在施工中出現突發事故導致管片封頂塊脫落，隧道內涌入大量淤泥。為了盡快完成修復工作，考慮采用液氨凍結技術對下行隧道中心線兩側各5 m的半圓區間進行作業，并在凍結作業完成后，對修復位置設置臨時支架，以防止隧道變形[16]。為封堵施工過程中異常涌水的問題，汪振偉等[17]以隧道液氮二次凍結封水為背景，提出采用液氮封堵涌水的方法。結果表明，在發生涌水等突發事故時，采用液氮凍結法快速、安全，可使施工如期完成并保證施工質量。

杭州地鐵1號線地處復雜區段，為了減小對周圍建筑物的影響并在規定的工期內完成施工，選用了液氮凍結法進行施工。由于液氮的溫度低，為保證凍結均勻性，每隔1 m設置一個出氣孔排放氮氣，在凍結后6 d，凍結壁的厚度就達到了設計要求[18]。

李方政等[19]為研究液氮凍結溫度場的相變熱傳導問題，以上海軌道交通某區段為研究對象，運用ADINA大型土木工程數值模擬軟件建立模型分析液氮凍結隧道溫度場，所得成果完善了相關理論和工藝。

1.4 凍結壁及溫度場的研究現狀

由于中國對地下空間的不斷開發，凍結深度也在不斷增加，相應的地層情況也變得越來越復雜。所以在采用人工凍結法時為了確保施工的安全，首先要確定凍結壁是否安全。凍結壁具有安全性則可以保證凍結壁強度和凍結壁的穩定性，進而確保施工能夠順利進行。而凍結壁的強度和穩定性又取決于凍結壁的溫度，為此專家們采用了數值模擬的方法對凍結壁的溫度場展開了研究。

溫度場的發展是凍結法施工的關鍵，主要研究土體在凍結過程中溫度隨時間變化的規律。但是在溫度場的研究方面，由于傳統的二維模型與三維模型相比無法精準地反映凍結壁的狀況，因此凍結施工的安全也無法得到保障。丁杭等[20]采用三維模型對鄭州軌道交通1號線凍結壁發展情況進行研究。結果表明，通過數值模擬的方法計算的凍結壁溫度發展狀況與實際值相差不大。此外，為研究凍土正交各項異性凍脹的變形特征，蔡海兵等[21]基于ABAQUS有限元數值模擬軟件對淺埋大斷面隧道進行計算，獲得了底層凍結溫度場的分布規律。

凍結帷幕的力學性質在一定程度上由溫度場來決定，如混凝土水化放熱會影響凍結帷幕的穩定性，隧道端頭土體強度需要分析各種影響凍土帷幕溫度場的因素[22-25]等。但是針對混凝土水化放熱對凍結壁的影響，目前在進行模擬的過程中常將凍結壁視為均勻溫度場，這樣的假設會影響凍結帷幕受力變形的真實情況。為此，王彥洋等[26]運用Midas/GTS軟件對天津地鐵2號線某區段聯絡通道的施工進行三維數值模擬分析，力求在梯度變化的溫度場下能夠準確反映凍結帷幕的力學行為。此外，趙捷等[27]通過ANSYS軟件建立數值模型，研究了凍結帷幕在設計凍結溫度和厚度下的受力性能。胡俊等[28]運用ADINA數值模擬軟件，以南京某隧道為研究對象，對采用杯型水平凍結法的凍結帷幕溫度場進行研究，結果表明，采用該工法凍土帷幕厚度能夠滿足規范要求，施工安全能夠保障。

盡管目前在凍結溫度場的實測上做了很多研究，但是仍缺乏凍結到解凍全過程溫度變化規律以及深層土溫度發展的實測全過程研究。為此，楊平等[29]進行了補充，以軟土聯絡通道凍結法工程為背景，進行凍結溫度場全過程分析，為今后預測及控制工后融沉打下基礎。

綜上所述，溫度場是凍結法施工中十分重要的一個方面。目前采用數值模擬的方法對凍結壁及溫度場進行分析是十分廣泛的，利用該技術再結合數學模型共同計算凍結壁厚度薄弱區，以保證凍結帷幕的穩定性，可為施工安全再添一道保障。

2 凍結法施工對土體力學性質的影響

在采用凍結法對土層進行凍結后，由于其原有結構發生破壞，物理力學性質便會跟著發生改變，這也是研究人員關注的焦點。目前關于凍土的力學性質研究主要在凍土的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度這幾個方面展開。王儒默等[30]以不同含水率和不同凍結時間為研究對象，對黏土的無側限抗壓強度展開了研究，結果表明，凍結后的粉質黏土的無側限抗壓強度隨凍結時間的增大而增大；蔡正銀等[31]研究了凍土單軸抗壓的影響因素；肖海斌[32]為測凍土單軸抗壓強度與溫度和含水率之間的關系，對不同溫度以及不同含水率下的粉質黏土進行單軸抗壓強度的測試，結果表明，隨著溫度的降低凍結粉質黏土單軸抗壓強度在增加，并且當溫度低于20 ℃并保持溫度時，單軸抗壓強度隨含水率的增加而降低。

凍土的抗壓、抗拉強度是寒區工程建筑物設計的兩個重要力學性能指標，但是目前，中外學者的研究主要在凍土抗壓強度上，對凍土的抗拉強度的研究較少。黃星等[33]為研究不同土質抗壓強度和抗拉強度的特性及溫度變化規律，采用了單軸抗壓試驗和劈裂試驗對凍土的抗壓強度和抗拉強度進行了對比研究；趙景峰[34]通過建立數學模型，研究了不同溫度和不同含水率對凍土抗拉強度的影響；胡坤等[35]通過劈裂實驗研究了高溫凍土的抗拉強度，獲得了分凝冰形成準則的重要參數。

抗剪強度的強弱關乎到地基承載力。在凍結和解凍過程中土體的內摩擦角和黏聚力會發生改變，進而影響到抗剪強度的變化，所以對凍土凍融后抗剪強度的研究應該加以重視。朱磊等[36]研究了凍融作用下溫度含水率以及粗粒含量對凍土抗剪強度的影響，得出結論：凍融作用對土體抗剪強度的影響與土體最優含水率有關，土顆粒越粗，負溫對土體的影響將會越大。毛然等[37]為研究影響凍土抗剪強度的因素，在室內通過對土樣進行直剪試驗，改變試驗溫度、含水量及凍融循環次數得出抗剪強度隨溫度降低而降低的結果。趙文美[38]對多年凍土進行抗剪強度試驗，發現決定抗剪強度的一個參數指標黏聚力相較于普通土體的黏聚力要大得多，并且總含水率低的凍土抗剪強度高。

溫度、含水率以及土質特性都會影響凍土的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度，所以對這3個方面展開研究是十分必要的。

3 凍結法施工對周圍環境的影響

人工凍結法的施作必定會造成凍脹和融沉的問題。凍脹是土壤中的結合水與毛細水在低溫下結成冰晶，致使土體膨脹、地表不均勻隆起。而融沉問題則是在地層溫度上升后，土中的冰晶發生融化，土的結構遭到破壞，導致沉陷。在采用人工凍結法施工后，凍脹及融沉會對周圍建筑物及地下管線造成影響，不僅影響人們的生活起居，更會留下諸多安全隱患。所以處理好凍脹和融沉問題，是地下空間采用人工凍結法成敗的關鍵。

3.1 凍脹融沉問題的研究

中國學者對于凍脹融沉問題的研究分為兩類，一類是基礎性研究，另一類是應用性研究，基礎性研究主要針對凍脹機理，而應用性研究則強調如何預防治理凍脹融沉問題。通過對這兩個方面展開研究來控制和預防凍脹融沉。劉珣等[39]基于細砂、分散性黏土以及粉質亞黏土3種典型土對法向凍脹力的影響因素進行了研究，借此得到了防治凍脹的關鍵因素是土體含水量和凍結溫度；陳湘生[40]對各種土的凍脹性進行研究，也同樣發現了上述因素會影響凍脹；宋琿等[41]經過研究發現影響凍脹的因素與土質、土的粒徑以及含水率有關；周家作等[42]對飽和粉土進行了一維土柱凍脹試驗并對凍脹和溫度變化進行了數值模擬，借此研究各種因素對凍脹的影響規律。

根據以上學者的相關研究，地層凍脹及融沉問題究其根源在于土質、土壤含水率以及土的粒徑。針對土質方面的研究：付厚利[43]通過物理模擬實驗，從不同土質對凍融造成的影響中，得到了黏土以及砂質黏土的融化固結速度明顯低于砂土的結論；楊平等[44]研究了原狀土與人工凍結土的物理力學指標，發現砂的凍脹效應比黏土的凍脹效應要低得多。

針對土壤含水率的研究：王曉賓等[45]對南京地區典型土質進行研究發現，土體是否會發生融沉的關鍵在于含水率是否超過起始融沉含水率，一旦超過了該值，凍脹融沉會隨著含水率的增大而增大；王林等[46]對武漢地區紅黏土進行不同含水量下的凍融循環試驗，發現當土樣處于飽和含水量時，隨含水量增加凍融破壞越來越強。Tayor等[47]也針對凍土的含水率展開研究；何平等[48]在研究凍土融沉系數時發現，含冰量和干重量是影響融沉系數的關鍵，融沉系數隨含冰量的增大而增大，隨干容重的增大而減小。

在粒徑方面的研究：陳肖柏等[49]研究發現粒徑的大小對土的凍脹性也有影響，粉土和粉質黏土的凍脹性相較于粒徑較小的黏土與粒徑較大的砂土都大。這是因為粉土和粉質黏土的粒徑介于兩種土之間，而粒徑過大的土體在凍結時無法發生水分遷移，粒徑較小的土體在凍結時水分遷移和凍脹效果減弱的緣故。

從上述學者對凍脹機理的研究中不難發現，土壤的含水率是影響凍脹融沉的關鍵點，加強控制土壤含水率是減小凍脹融沉問題切實可行的方法。所以在施工前，必須對施工地區的地質條件進行勘察，主要針對土壤中的含水量以及地下水對施工造成的影響這兩個方面展開，以控制土的最佳含水量，必要時可以進行補水排水措施。含水量不足時，可采取濕水的方法補充水分；含水量過高時可以采用豎向排水法避免在凍結施工后凍脹融沉值過大造成危害。

凍脹融沉是采用人工凍結法后不可避免的問題，采用預防治理、跟蹤監控的方法使凍脹及沉降量控制在允許值內是目前此類問題在應用性研究方面的主要內容。在預防治理方面，運用泄壓孔泄壓的方法減小凍脹量，是目前針對凍脹問題最為常見的一種方法。北京地鐵聯絡通道在凍結施工中利用泄壓孔泄壓的方法解決了凍脹力過大的問題[50]。當地層溫度上升后冰晶融化，原有地面地基承載力下降，為了防止沉降量超過地表下沉允許值，采用注漿加固土體的方法可以有效地進行控制。吳繁等[51]通過結合實測數據以及對凍土融沉規律的探究，提出通過優化跟蹤注漿的時機和順序、注漿工藝和材料來控制融沉問題。陳湘生[40]結合了凍脹的特性，利用注漿水泥攪拌施噴等方法來阻斷水分遷移，加強土體強度，進而避免凍脹融沉的發生。

從上面的研究結果來看，無論采用泄壓孔泄壓還是注漿加固的方法，都是為了控制地層的變形，使地基承載力能夠滿足設計要求。所以從控制地層變形的角度入手，對地層施加約束，搭設預應力支架或確定凍土的最優含水量來減小凍脹引起的變形也是十分有效的方法。

3.2 凍結法施工中的其他問題

除了由于凍結法引起的凍脹融沉造成地表變形帶來對周圍建筑產生的影響外，再施工中該施工方法還會使隧道原有的受力形式發生改變，發生應力重分布，降低隧道管片的膠結強度。張志強等[52]在南京地鐵一期工程中的研究表明，與聯絡通道相連的盾構隧道管片環存在應力集中的情況，交叉部管片的受力情況也會受到應力集中的影響，并且管片自身的縱向內力增長會導致其結構安全度降低，進而導致隧道整體的安全系數降低。劉軍等[53]采用了數值模擬的方法對北京地鐵某盾構隧道聯絡通道管片的力學行為進行了研究，也提出了與上述同樣的觀點。隧道原有的受力方式發生了應力重分布會導致管片產生拉應力，而管片的膠結強度會對整個地鐵聯絡通道的強度產生影響。

凍結法對管片的膠結強度造成影響，導致隧道整體強度降低。但是影響膠結強度的因素除了由于隧道受力形式發生改變造成的應力重分布之外，管片的保溫性能也會對膠結強度產生影響。李開文等[54]采用FLAC3D技術對凍土帷幕進行研究分析后發現，隧道管片的散熱速度快，使凍結施工過程中凍結帷幕與隧道接觸的位置凍結效果差，進而影響隧道整體強度。

針對以上凍結法給隧道管片造成的不利影響，可以采取加固措施對管片進行有效的處理，進而減小應力重分布對其造成的不利影響。如增加管片的膠結強度或是采取支護措施的方法。而對于管片散熱快的問題，在施工中可以采用鋼管片來代替，這樣不僅可以解決散熱的問題也可以解決由于應力重分布造成的拉應力的問題。

4 凍結法優化

隨著時代的發展，任何施工方法都會暴露出問題。考慮到凍結法環保、高效、適用于軟土地區卻又會對周邊建筑、地下管線造成不利影響等問題，中外學者針對如何優化凍結法，展開了一系列研究。

通過提高凍結范圍、增大凍結量、降低凍結溫度或對凍結管凍結孔以及管片進行改進是目前優化凍結法最為可行的方法。

在實際工程中有時會遇到一些客觀因素，使凍結效率降低。如當地下水流速過快，會帶走凍結冷量，從而使凍結速率變慢、凍結效率降低，克服這類問題，使凍結效率提高，就成了優化凍結法的關鍵。禇衍坡等[55]結合武漢長江盾構穿越工程凍結法修復隧道施工，就動水帶走冷量這一問題展開分析。結果表明，增加單位體積凍結量并擴大凍結范圍可以提高凍結效率。

胡小榮等[56]針對南昌地鐵1號線某區間聯絡通道，運用ABAQUS數值模擬軟件模擬凍結溫度，并且在此基礎上分析了不同凍結溫度下凍結帷幕達到設計強度所需要的時間。結果表明，凍結溫度越低，凍結壁厚度對凍結時間影響越小，凍結效率越高。

提高凍結效率的方法還可以通過提高凍結管與土體的接觸面積來實現，所以不同直徑的凍結管的凍結效率也不同。胡俊[57]以南京地鐵10號線過江隧道為背景，運用有限元分析軟件，研究了不同凍結管直徑對溫度場發展的影響，結果表明，凍結管直徑增大可以減小凍結壁交圈時間，提高凍結效率，從而加快施工進度。

胡向東等[58]對中國首條雙層隧道，上海復興東路越江隧道的凍結管布置形式、管片的散熱對凍結帷幕厚度影響效果進行研究。結果表明：凍結管的布置形式及管片的保溫效果對凍土帷幕的穩定性有顯著的影響；雙排凍結管影響區凍土帷幕最穩定，管片散熱會導致凍結后期土體的溫度不會因為繼續凍結而下降，對凍結效率有負效應。傳統的單項凍結孔設置凍結效率低、凍結速度慢。葉松明[59]以上海軌道交通17號線某區間聯絡通道為研究對象，將聯絡通道單項凍結孔改進為雙向凍結孔，改善了凍結效果。

任輝等[60]為得到異性加強凍結管的凍結效果，通過大型物理模型試驗對“管幕+人工地層凍結法”進行模擬，模型試驗結果表明：異性加強凍結管的凍結效果顯著，可以形成良好的凍結帷幕以保證施工的安全。

綜上所述，通過提高凍結量，改進凍結管來實現凍結法的優化，可以增強凍結帷幕的穩定性，縮短凍結時間，進而在保證安全施工的同時又能縮短施工工期。

5 結論

(1)凍結法作為地下空間的一種加固方法，已經十分成熟，尤其是對于含水率較高的軟土地層，其優越性更為顯著。

(2)目前凍結法在地鐵聯絡隧道中加固治理、搶修搶險起到了非常好的效果，未來，該方法在道路、橋梁甚至其他領域也可以發揮作用。

(3)作為評價凍土的兩個重要力學性能指標，抗壓強度能夠評價凍土短時荷載作用下的強度，而目前中國對凍土力學的研究多集中在抗壓強度上，抗拉強度也應值得研究。

(4)通過對凍結管布置形式的改變、增大管徑等方式進行凍結管的優化可以縮短施工工期，保證施工安全進行。

(5)凍結法投入資金量大，所以施工時應根據地質情況建立科學的經濟評估體系，選擇合適的施工方法，以避免造成不必要的浪費。