人工凍結技術在地鐵施工中的應用

楊 光

中國電建集團有限公司北方區(qū)域總部，北京 100000

人工凍結是一種先進的地層加固方法，具有較強的封水性能，且地層可復原性好、繞障性強、施工方便，適用于各種地層條件。近年來，隨著我國地鐵建設規(guī)模的增大，人工凍結技術在地鐵施工中的應用逐漸增多，其可使開挖空間周圍一定范圍內的軟弱地層形成高強度人工凍土，提供可靠的臨時支護與隔水帷幕，凍結壁連續(xù)性、整體性好，地鐵施工時可根據工程需要靈活布置凍結孔、調節(jié)制冷媒介，為實際工程安全作業(yè)保駕護航。

1 人工凍結技術發(fā)展情況

凍結法（Artificial Ground Freezing,AGF）也被稱為人工凍結技術，即人為制造低溫環(huán)境，通過將土體內自由水的溫度降至0℃以下，自由水結成冰后黏結土體，形成凍結土體。凍土強度高、穩(wěn)定性強、隔水性能好，可起到較好的支護、隔水作用，適應復雜地層條件施工作業(yè)。

凍結法的應用源于現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，移動式凍結機械的產生使工程凍結成為可能，并開始應用于工程建設中。19世紀80年代，德國工程師波茨舒創(chuàng)立凍結法原理，并申請專利，在阿爾巴里德煤礦井筒施工中成功運用。20世紀90年代，國內外已經實現(xiàn)了人工凍結法的廣泛應用，包括建筑地基、礦井建設、地鐵工程、輸洪隧道等領域。

我國自20世紀50年代開始引入凍結法，首次試用是在開灤林西礦風井，施工效果良好，此后在全國各地礦井工程中得到了廣泛應用，積累了大量的施工經驗。直至70年代，凍結法在我國城市建設中得到了推廣，在北京、沈陽、上海、廣州地鐵工程中均實現(xiàn)了成功應用。文章主要圍繞人工凍結技術在地鐵施工中的應用展開詳細分析。

2 人工凍結施工原理與方法

2.1 施工原理

人工凍結，實質上是利用低溫環(huán)境改變土體特性的地層加固技術。人工凍結施工，需要在地層中鋪設管道，安裝凍結機械與相應循環(huán)系統(tǒng)，通過制冷媒介可吸收土體熱量，松散含水巖土成凍土后形成人工開挖所需臨時固結體，達到地層加固的目的，并創(chuàng)造無水施工環(huán)境。凍結系統(tǒng)示意圖（鹽水）如圖1所示。

圖1 凍結系統(tǒng)示意圖

完成凍結施工后可開挖隧道，剛性支護工作結束后可停止制冷，隨著時間的推進，人工凍層逐步解凍，恢復巖土初始狀態(tài)。在人工凍結技術的運用下，凍土的形成并非一成不變，土體內自由水的變化可分為5個階段，如圖2所示。

圖2 凍土中自由水凍結曲線

2.2 施工方法

近年來，我國人工凍結常用的有低溫鹽水法和液氮凍結法兩種施工方法，具體分析如下。

（1）低溫鹽水法：間接凍結法，將制冷物質（氨、氟利昂）注入制冷壓縮機內，通過循環(huán)做功將鹽水降至0℃以下，采用凍結管將低溫鹽水送至巖層內，實現(xiàn)土體凍結。低溫鹽水法主要包括氨循環(huán)系統(tǒng)、鹽水循環(huán)系統(tǒng)以及冷卻水循環(huán)系統(tǒng)三大循環(huán)工作系統(tǒng)，其可以獲得-35～-20℃的低溫鹽水，2～3個月內凍結巖土。

（2）液氮凍結法：此種凍結法主要是通過壓強將液氮抽入地層內，并做好熱尾氣的處理，液氮溫度可低至-190℃，以此快速形成凍結壁，凍結時間短則幾個小時，多則幾十個小時。因此，液氮冷凍法具有凍結速度快、強度高的特點，可用于搶險堵水情況，但是液氮提取較為復雜，成本偏高。

2.3 施工工藝

在地鐵工程中，人工凍結施工工藝可總結為“三大階段、四大工序”，具體如下所述。

（1）三大階段：擴展凍結、凍結保護、解除凍結階段。在完成前期準備工作后開始凍結施工，并將人工凍結壁擴大至設計所需厚度；凍結壁強度、厚度達標后，進入正常施工階段；完成施工后，停止制冷，逐步恢復初始土溫。

（2）四大工序：①做好施工準備工作，包括建立制冷站、水電系統(tǒng)等，完成凍結鉆孔量測工作，及時安裝制冷機械、凍結管線；②凍結管試漏，并安裝集配液圈；③落實凍結期溫度監(jiān)測與維護工作，完成開挖襯砌工作；④完成作業(yè)后拆除設備，融沉注漿等。

目前，人工凍結已經成為主要的地層加固技術，結合相關施工經驗可將其優(yōu)點歸納如下：凍結帷幕形狀靈活多變，可適應不同場地條件，施工方便；不同工程地質條件不同，但是只要含有一定量的水就可以采用凍結法，如軟土、不穩(wěn)定土層、流砂，以及高地壓、高水壓條件均可適用；凍土強度高、滲透性低，可提供支護、隔水作用，且此方法對環(huán)境無污染，噪聲小。

3 人工凍結技術在地鐵施工中的應用案例

3.1 工程概況

文章以某地鐵區(qū)間隧道聯(lián)絡通道施工為例展開分析。此項目左右線里程分別為DK29+181.000、DK29+200.250，線間距13356mm。聯(lián)絡通道左右線長度分別為69.653m、69.649m，隧道中心埋深為17m，隧道管片采用鋼管片，隧道內徑為5.4m，管片厚度為300mm。隧道初次支護采用C25P6混凝土，厚度為250mm；二次襯砌采用C35P10混凝土，厚度為400mm；臨時支護層與永久結構層間設防水層；結構層底部左、右線各預埋1根DN250球墨鑄鐵管作為排水管。結構示意圖如圖3所示。

圖3 結構示意圖（單位：mm）

3.2 工程條件

該項目聯(lián)絡通道基本處于粉土、粉砂層，泵房處于粉砂層、中砂層；場地內淺層地下水主要是孔隙潛水、承壓水，結合水文資料分析考慮承壓水頭高度為12m（高程為80.48～81.77m）。場地周邊無重要建筑物，左線外側分布有部分市政管道，與聯(lián)絡通道中心最小距離為19m。

3.3 施工方案

結合該項目聯(lián)絡通道特點與地層情況，經綜合分析決定采用水平凍結加固土體、礦山暗挖法開挖構筑的施工方案，具體如下：聯(lián)絡通道混凝土管片打設水平凍結孔，將隧道周邊土體凍結，形成不透水凍結壁；在凍結壁的保護下，采用礦山暗挖法開挖隧道內土體，進行二次支護，壁后充填注漿、融沉跟蹤注漿。此次凍結方案由專業(yè)凍結設計單位負責，主要設計參數(shù)如表1所示。

表1 凍結設計參數(shù)

3.4 凍結加固施工

（1）水平凍結孔施工。該項目布置凍結孔、測溫孔以及卸壓孔，具體如下所述。①凍結孔布置：該項目正常布置采用水平孔，當孔位無法滿足要求時，采用斜孔，終孔孔位為設計圈徑；上、右行隧道之間是凍結壁受力不利位置，此處應適當加密凍結布設孔。聯(lián)絡通道各布置凍結孔69個，凍結站側、對側分別為56個、13個，在凍結前需要對凍結孔角度、長度進行調整，并報設計單位審核。②測溫孔布置：該項目聯(lián)絡通道測溫孔均布置8個，凍結站對側6個，通過測溫孔監(jiān)測凍結帷幕不同位置的實際問題，確保施工作業(yè)安全。測溫孔4選用Φ89mm×8mm無縫鋼管，其余規(guī)格為Φ45mm×3mm。③卸壓孔：凍結帷幕封閉區(qū)內各通道布置卸壓孔4個，左、右線分別為2個，卸壓孔上安裝壓力表，每日觀測凍結帷幕內壓力情況，及時釋放凍脹壓力。

采取分期凍結方法，左、右行線分期施工，重點保證左行線先期完成鉆孔施工。遵循自上而下的施工順序，防止下層凍結孔施工引發(fā)上層土體擾動。由于該項目鉆孔施工在承壓含水層中，鉆孔時極易引發(fā)流變、噴沙涌水事故，對此必須在開孔處進行防噴防涌控制處理，如圖4所示。

圖4 鉆孔防噴孔口管裝置示意圖

（2）試運轉與積極凍結。該項目采用低溫鹽水凍結法，完成設備、鹽水管路的安裝后，對整個系統(tǒng)進行調試與試運行。在運轉過程中，及時調節(jié)壓力、溫度等參數(shù)，確保機組在相關工藝規(guī)程、設備要求的技術參數(shù)條件下運行。

在系統(tǒng)試運行過程中，定時檢測鹽水溫度、測溫孔溫度以及凍土帷幕擴展情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時調整凍結系統(tǒng)的運行參數(shù)。當凍結系統(tǒng)進入正常運轉狀態(tài)后，進入積極凍結階段。聯(lián)絡通道積極凍結時，實時查看溫度數(shù)據，根據溫度變化情況判斷凍結壁是否交圈、是否達設計厚度。

（3）維護凍結。當凍結壁交圈、厚度達設計要求后，可適當提高鹽水溫度，進入維護凍結階段，鹽水溫度≤-25℃。

3.5 開挖、支護及防水施工

該項目凍結完成后進行正常施工階段，具體如下所述。

（1）開挖施工。該項目開挖條件如下：①制冷機正常運轉，供冷量充分，凍結站運行至開挖前，無超過30h的停機情況；②凍土帷幕厚度達到設計要求；③鹽水系統(tǒng)運行正常；④凍結孔去回路鹽水溫差≤1℃，個別≤2℃；⑤打探孔檢查凍土帷幕與連續(xù)墻界面溫度＜-5℃；⑥卸壓孔打開，無泥水涌出等。由建設、監(jiān)理、監(jiān)測、設計、施工等單位聯(lián)合驗收無誤后，方可開挖隧道。未凍結土層采用鐵鍬開挖，已凍結土層采用風鎬開挖。

（2）支護施工。該項目采用二次支護方法，第一次支護采用型鋼支架+木背板，噴射C20混凝土，厚度為250mm；完成開挖與臨時支護后，實施二次支護，采用現(xiàn)澆筑C35鋼筋混凝土結構。

（3）防水施工。在該項目暗挖段中，臨時支護層與結構層間設防水層，主要組成部分包括無紡布緩沖層、優(yōu)質PVC或EVA防水板、無紡布保護層，防水板接頭采用雙縫焊接方法，做好真空檢測；抗融沉注漿管穿越防水板的接頭處做好密封處理。項目通過防水板、止水帶、預埋注漿管組成分區(qū)注漿系統(tǒng)，獲得了良好的整體防水效果。結構層與隧道接頭處設止水條、預埋注漿管，保證接頭水密性；變形縫設外貼式與中埋式止水帶，內側嵌填封膠，由此獲得一個完整的防水線。

3.6 監(jiān)測監(jiān)控工作

基于凍結法的特殊性，施工監(jiān)測十分關鍵，該項目監(jiān)測項目如表2所示。除了布置的各監(jiān)測孔，項目鹽水去路和回路干管安裝數(shù)字溫度傳感器，采取全自動化監(jiān)測方法，鹽水箱布置標尺；上、右行線隧道中心線從地面豎向打下1根鋼筋，進入地表2m，采用水準儀測量頂部標高。

表2 監(jiān)測監(jiān)控項目

4 結束語

綜上所述，在現(xiàn)代工程建設中，人工凍結法逐漸得到了推廣應用，尤其是地鐵建設、基坑開挖逐漸成為主流工法。在地鐵施工中，通過人工凍結法成功解決了諸多難題，如地面無法加固時隧道的安全施工、隧道施工面臨的潛在涌砂涌水問題等，在工程實踐中需要根據項目情況、地質條件合理選擇凍結方法，科學布置凍結孔、確定凍結參數(shù)，在整個開挖、支護施工中需落實相關監(jiān)測監(jiān)控工作，保證項目安全作業(yè)。